紅外輻射測(cè)溫技術(shù)在煤礦高壓電器檢測(cè)中的應(yīng)用

王興舉,黃宗建,李進(jìn)曌

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑環(huán)境設(shè)備工程系,473000;2.河南中光學(xué)集團(tuán)有限公司,473000）

紅外輻射測(cè)溫技術(shù)在煤礦高壓電器檢測(cè)中的應(yīng)用

王興舉1,黃宗建1,李進(jìn)曌2

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑環(huán)境設(shè)備工程系,473000;2.河南中光學(xué)集團(tuán)有限公司,473000）

紅外輻射測(cè)溫技術(shù)具備了實(shí)時(shí)、便捷以及非破壞性等特點(diǎn)，廣泛用于電器產(chǎn)品溫度的檢測(cè)中，特別是煤礦高壓電器設(shè)備由于復(fù)雜的運(yùn)行施工環(huán)境，常規(guī)手段很難準(zhǔn)確的測(cè)量溫度的變化，而紅外輻射測(cè)溫能夠迅速準(zhǔn)確的對(duì)煤礦高壓電器進(jìn)行測(cè)量。本文主要從紅外輻射測(cè)溫技術(shù)在煤礦高壓電器溫度的測(cè)量方面出發(fā)，重點(diǎn)研究了紅外輻射測(cè)溫的形成機(jī)理、測(cè)試手段以及需要注意的測(cè)試技巧，為生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中提供一個(gè)可靠的理論依據(jù)。

紅外輻射；煤礦高壓電器；普朗克定律

紅外輻射測(cè)溫技術(shù)主要是通過(guò)紅外輻射裝置產(chǎn)生紅外線，并經(jīng)過(guò)介質(zhì)傳遞到被測(cè)物體的表面或內(nèi)部，通過(guò)像成型原理來(lái)進(jìn)行電器設(shè)備的測(cè)溫。根據(jù)物體本身特性的不同，產(chǎn)生紅外輻射的特征也不相同，測(cè)量成像后得到的溫度場(chǎng)也就體現(xiàn)了電器的溫度特性。紅外輻射測(cè)溫技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代煤礦企業(yè)光電子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)主要組成部分，并在煤礦高溫電器的溫度檢測(cè)中發(fā)揮著不可替代的作用。

1 紅外輻射測(cè)溫原理

對(duì)于所有高壓熱力學(xué)絕對(duì)零度的物體，根據(jù)物質(zhì)分子的不同的熱運(yùn)動(dòng)形式，都可發(fā)射出本體所特有的各種輻射電磁波。而對(duì)于理想條件下的黑體作為輻射源，其中的物體溫度與發(fā)射波長(zhǎng)與光譜的輻射度符合物理學(xué)的普朗克輻射定律,即

由上式以及圖1，可以得出以下結(jié)論：

(1)輻射能量隨著溫度的升高而增加。

(2)輻射峰隨著溫度的升高而向波長(zhǎng)較短的方向運(yùn)動(dòng)。其變化規(guī)律符合維恩位移定律。

(4)相對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)來(lái)講，隨著溫度的升高，短波長(zhǎng)區(qū)的輻射能量增加的速率要快，因此可以得到，短波長(zhǎng)相對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)來(lái)講，靈敏度要高。紅外輻射應(yīng)用的原理就是在相關(guān)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量物輻射能量的測(cè)量，再進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)化，形成對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)。

上述理論都是基于黑體為研究對(duì)象，在實(shí)際過(guò)程中，測(cè)量體與黑體之間還是有一定的區(qū)別，包括測(cè)量物的投射率、吸收率等參數(shù)方面。實(shí)際中的輻射能入射到測(cè)量物的表面需要經(jīng)過(guò)三個(gè)過(guò)程：入射能量的吸收、能量的發(fā)射以及能量的透射。

圖1 不同溫度下黑體光譜輻射圖

2 紅外輻射的檢測(cè)

2.1紅外熱像儀的結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)對(duì)紅外測(cè)溫原理分析,對(duì)測(cè)量物體的溫度場(chǎng)的測(cè)量，實(shí)際就是對(duì)測(cè)量物體的紅外輻射能量的測(cè)量。而目前較為常用的測(cè)溫儀器主要是紅外熱像儀。

紅外熱像儀主要有信號(hào)輸入系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及輸出系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)紅外輻射的物理特性，使用熱像儀內(nèi)部布置的光學(xué)系統(tǒng)將測(cè)量唔的紅外輻射能量聚集到連接的探測(cè)器上，并通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置與信號(hào)放大裝置，將能量信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并進(jìn)行放大處理，最后通過(guò)輸出信號(hào)裝置將被測(cè)物的溫度場(chǎng)顯示在終端上。

被測(cè)物進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)后，首先由紅外光學(xué)系統(tǒng)對(duì)被測(cè)物的整個(gè)表面進(jìn)行信息掃描，并記錄相關(guān)的熱量參數(shù)，將相關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的熱處理圖像并輸入紅外探測(cè)器中，此時(shí)，紅外探測(cè)器對(duì)熱處理信號(hào)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，并送入到信號(hào)的處理電路進(jìn)行參數(shù)處理，最后送入到顯示器屏幕上形成相關(guān)的紅外熱像圖，形成的熱像圖與被測(cè)物的表面溫度分布一一對(duì)應(yīng)。

2.2紅外探測(cè)器的選擇

在煤礦紅外輻射測(cè)溫技術(shù)中,探測(cè)器作為進(jìn)行溫度探測(cè)的核心部件，起著至關(guān)重要的作用，紅外輻射探測(cè)器主要由敏感元件、紅外輻射輸入口、透鏡、濾光片等結(jié)構(gòu)共同組成，主要是實(shí)現(xiàn)紅外輻射能向光電能的轉(zhuǎn)化功能。

由于煤礦井下惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，對(duì)于探測(cè)器敏感元件的選取也極為重要，目前經(jīng)常使用的主要包括光子探測(cè)器以及熱探測(cè)器兩類(lèi)?；诿旱V電器設(shè)備高溫檢測(cè)對(duì)于響應(yīng)速度的要求不是特別高，因而熱探測(cè)器相對(duì)來(lái)講在煤礦高溫電器設(shè)備的溫度檢測(cè)的應(yīng)用更為廣泛。對(duì)于熱探測(cè)器來(lái)講，煤礦高溫電器設(shè)備使用的是熱釋電器件以及熱電堆為主要元件，熱釋電器的響應(yīng)速度快、居里點(diǎn)較高、但輸入的入射參數(shù)需要進(jìn)行預(yù)先調(diào)制處理，提高了機(jī)械部件的可操作性。而熱電堆元件不需要進(jìn)行調(diào)制與偏壓處理，且所需用電量也較小，穩(wěn)定性高，但元件的參數(shù)響應(yīng)較慢。因而，煤礦高壓電器的測(cè)溫控制大都采用熱電堆為測(cè)量元件的紅外薄膜。

2.3紅外輻射波長(zhǎng)

進(jìn)行煤礦高壓電器設(shè)備的輻射能量需要通過(guò)大氣的傳播作用才能進(jìn)入的測(cè)溫一起中，因此，需要進(jìn)行探測(cè)器接收波段的調(diào)試工作，當(dāng)大氣中能夠投過(guò)3個(gè)紅外時(shí)，即1.2-2.4um、3.1-5.2um、8.6-12.8um.但煤礦由于特殊的工作環(huán)境，紅外輻射收到煤礦粉塵、可燃?xì)怏w、顆粒的作用而發(fā)生散射、折射想想。造成光強(qiáng)的削弱，降低了溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2.4光學(xué)系統(tǒng)與鍍膜

光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于煤礦高溫電器設(shè)備的紅外測(cè)溫技術(shù)起到了重要的能量傳輸作用，光學(xué)系統(tǒng)將所收集的紅外輻射能量傳遞到探測(cè)器上。光學(xué)系統(tǒng)主要分為光纖式光學(xué)系統(tǒng)、反射式光學(xué)系統(tǒng)、透射式光學(xué)系統(tǒng)。目前礦井高溫電器設(shè)備都采用的是透射式光學(xué)系統(tǒng),透鏡不僅能夠進(jìn)行光線的傳輸作用，同時(shí)具備防塵作用。透鏡多數(shù)采用的是的鍺單晶材料,由圖3-1中鍺紅外透射曲線可以看出，鍺的投射范圍保持在4-15um之間。而煤礦高溫電器的光傳播長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這個(gè)范圍，因此，需要在鍺單晶透鏡上進(jìn)行增透膜的鍍層處理。進(jìn)行鍍層后的鍺單晶透鏡將原本只能進(jìn)行50%的透射率提高到了85%以上，而更加高效的增透膜的透過(guò)率可以達(dá)到驚人的98%,這樣就大大提高了光學(xué)系統(tǒng)的使用性能。同時(shí)，為了確保光學(xué)系統(tǒng)能夠在惡劣的煤礦環(huán)境下高速有效的運(yùn)行，可以采用金剛石材料的增透膜進(jìn)行處理，有效的保障了光學(xué)系統(tǒng)的耐腐蝕性、耐磨性。提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2 鍺紅外透射曲線

3 使用紅外熱像儀時(shí)的注意事項(xiàng)

根據(jù)煤礦實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境和煤礦電器設(shè)備的運(yùn)行狀況，在使用紅外輻射測(cè)溫設(shè)備時(shí)要需要注意以下幾個(gè) 方面。

3.1測(cè)溫范圍的確定

熱像儀的溫度范圍的測(cè)量是衡量一起性能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。不同型號(hào)不同規(guī)格的熱像儀都具有自身設(shè)定的測(cè)溫范圍。因此，在煤礦高壓電器的實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，要根據(jù)被測(cè)量物體的實(shí)際溫度范圍來(lái)進(jìn)行熱像儀的選擇。儀器的測(cè)溫范圍既不應(yīng)該過(guò)窄，也不能過(guò)寬，把握合理適用的原則。

3.2被測(cè)量目標(biāo)的尺寸確定

紅外熱像儀的可以依據(jù)設(shè)計(jì)原理不同分為單色測(cè)溫儀和雙色測(cè)溫儀。采用單色測(cè)溫儀進(jìn)行溫度的測(cè)量過(guò)程中,被測(cè)量物的表面積應(yīng)該全部充滿(mǎn)熱像儀的視線。若是目標(biāo)的尺寸較小，則被測(cè)物的背景輻射就會(huì)對(duì)熱像儀器的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行干擾，造成很?chē)?yán)重的測(cè)量誤差。相反，目標(biāo)尺寸選擇過(guò)大，就避免了被測(cè)量目標(biāo)背景紅外輻射的影響因素。

3.3光學(xué)分辨率的確定

熱像儀的光學(xué)分辨率主要由被測(cè)物與熱像儀的距離和測(cè)量產(chǎn)生的光斑直徑之比來(lái)進(jìn)行確定，若熱像儀受到煤礦生產(chǎn)環(huán)境的限制需要裝備在遠(yuǎn)離被測(cè)物的一端，而同時(shí)要進(jìn)行較小被測(cè)物的測(cè)量工作時(shí)，則應(yīng)該選擇分辨率較高的光學(xué)熱像儀。

3.4波長(zhǎng)范圍的確定

熱像儀的波長(zhǎng)取決于被測(cè)物的發(fā)射率以及表面特性。對(duì)于具有高反射率的被測(cè)物來(lái)講,具備較低的發(fā)射率變化，因而，在高溫區(qū)對(duì)測(cè)量材料的波長(zhǎng)選擇主要集中在0.18-1.0um之間。其他低溫區(qū)可以進(jìn)行不同波長(zhǎng)的選擇。在實(shí)際使用過(guò)程中，由于某些材料對(duì)于一定范圍的波長(zhǎng)呈透明狀態(tài)，熱像儀的紅外能量可以直接投過(guò)被測(cè)物，因此，此種材料可選擇1.0um、22um、和3.9um的較短波長(zhǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

紅外輻射測(cè)溫技術(shù)作為新興的一門(mén)高科技測(cè)量技術(shù)，在煤礦行業(yè)中發(fā)展與應(yīng)用越來(lái)越廣泛。基于紅外輻射對(duì)煤礦高溫電器的溫度場(chǎng)檢測(cè)，能夠迅速、可靠的得到需要的結(jié)果，進(jìn)行事先對(duì)電器故障的快速確定與解決工作。當(dāng)然，紅外輻射測(cè)溫技術(shù)在煤礦井下的使用由于起步相對(duì)較晚，因此在今后的工作研究過(guò)程中，還需要進(jìn)行大量的研究工作，包括對(duì)于溫度、風(fēng)速、濕度等因素進(jìn)行綜合研究的過(guò)程等。只有這樣，才能保證我國(guó)煤礦企業(yè)的安全高效的發(fā)展。

[1] 鄭兆平,曾漢生,丁翠嬌等.紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)及其應(yīng)用[J].紅外技術(shù)2003,25(1):96-98.

[2] 李穎文,易新建,何兆湘等.320*240凝視型非制冷紅外熱像儀研究[J].華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)2000.28(11):48-50

[3] 郭呈祥.紅外測(cè)溫新技術(shù)[J].工科物理,2000,10(2):61-63.

[4] 劉志才，李志廣.紅外熱像儀圖像處理技術(shù)綜述[J].紅外技術(shù),2000,22(6):27-32.

Infrared radiation thermometry techniques in the coal high voltage electrical detection

Wang Xingju1,Huang Zongjian1,Li Jinzhao2
(1.Department of Architectural Environment Equipment Engineering Henan Polytechnic Institute 473000;2.Henan Costar Group Co., Ltd，473000)

Infrared radiation thermometry techniques have real-time,convenient and non-destructive,which is widely used in electrical products,temperature detection,especially in high-voltage electrical equipment due to coal mining complex run construction environment,conventional means is difficult to accurately measure the temperature changes,and infrared radiation thermometry can quickly and accurately measure high voltage electrical coal mines.This article from the infrared radiation thermometry in the coal high voltage electrical temperature measurement standpoint,focusing on the formation mechanism of the infrared radiation thermometry,testing methods and testing techniques to note,as the actual production process to provide a reliable theoretical basis.

infrared radiation;mine high voltage electrical;Planck's law