可移動自動紅外熱成像測溫?zé)o線傳輸初探

俞賜湖

摘要：文章通過對已發(fā)現(xiàn)發(fā)熱設(shè)備進行紅外熱成像測溫，開發(fā)無線傳輸設(shè)備與手機終端軟件，將所測溫度傳輸至遠程手機控制終端，為變電運行人員跟蹤電氣設(shè)備發(fā)熱提供依據(jù)，防范設(shè)備因發(fā)熱造成停電，提高供電可靠性。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像；無線傳輸；遠程在線監(jiān)控

0 引言

溫度作為衡量電氣設(shè)備是否正常運行的一項重要技術(shù)參數(shù)，如何對異常溫度進行實時跟蹤，是保證電氣設(shè)備正常運行的關(guān)鍵之一。電氣設(shè)備經(jīng)過長期滿載或超載運行，一旦設(shè)備發(fā)生故障，故障電流急劇增大，可能增加到正常水平的十幾倍甚至上百倍，同時產(chǎn)生的熱量與電流平方成正比，故障電流對電氣設(shè)備或設(shè)備接頭將產(chǎn)生極大危害，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運行。電網(wǎng)的運行經(jīng)驗表明，當(dāng)導(dǎo)體或設(shè)備的溫度超過一定范圍時，將加速設(shè)備的絕緣材料老化，縮短設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重時將使接頭熔化斷裂，中斷電力供應(yīng)，影響客戶用電，給人民造成財產(chǎn)損失。那么如何在經(jīng)濟性和實用性相結(jié)合的基礎(chǔ)上，對發(fā)熱點進行自動測溫并實時跟蹤成為迫切需要解決的問題。

本文通過人工巡檢測溫發(fā)現(xiàn)設(shè)備發(fā)熱點，通過在發(fā)熱設(shè)備點附近的地面安裝紅外成像測溫儀，這樣測溫儀安裝無需停電和具有可移動性，采用無線傳輸?shù)臏y溫方式，對發(fā)熱設(shè)備所測的溫度等信息通過無線網(wǎng)絡(luò)定時發(fā)送至相關(guān)技術(shù)人員及調(diào)度員進行分析，信息更加及時，采集頻率更高，可以讓相關(guān)人員更好的根據(jù)發(fā)熱設(shè)備的最新發(fā)熱程度及時做出相應(yīng)的處理，第一時間消除電網(wǎng)中存在的安全隱患。遠程無線控制測溫儀的測溫方式，在提高整體工作效率的同時可以帶來運維成本的下降，特別是可節(jié)約大量人員和車輛到現(xiàn)場進行滾動測溫，節(jié)約了成本，緩解了人員不足等問題。

1 通用測溫方式比較

目前電力系統(tǒng)在對電氣設(shè)備的溫度檢測方面，主要有紅外線點測溫，紅外熱成像測溫，分布式光纖測溫，傳感器無線測溫等各種測溫方式，其中紅外線點測溫和紅外線熱成像測溫需花費大量人力；遠程紅外線熱成像測溫系統(tǒng)需花大量資金；分布式光纖測溫的光纖價格較高，使用過程中容易受折、易斷，不易于安裝在電氣設(shè)備的開關(guān)柜內(nèi)；傳感器無線測溫需停電安裝或事先安裝測溫傳感器等一系列缺點，因此，研究一款可移動自動紅外成像測溫的無線傳輸，具有無需停電安裝測溫傳感器的優(yōu)點，是最適合對于熱成像測溫后發(fā)現(xiàn)的發(fā)熱設(shè)備的溫度跟蹤，通過無線傳輸?shù)竭h程終端，從遠程終端可控制紅外熱成像測溫儀進行測溫或紅外熱成像測溫儀對發(fā)熱點進行定時測溫。它既可以方便的移動測溫儀器，又無需停電安裝測溫傳感器、無需投入大量的資金進行網(wǎng)點改造，具有很高的經(jīng)濟性、實用性。

2 理論依據(jù)

紅外熱成像測溫的理論依據(jù)。理論上只要物體溫度高于熱力學(xué)零度，物體就會向外輻射電磁波，這些電磁波攜帶的能量，其中波長范圍在0.76pm～1000pm之間的屬于紅外光波，紅外光波具有很強的溫度效應(yīng)，攜帶溫度信息，這正是輻射測溫技術(shù)研究的出發(fā)點。紅外測溫技術(shù)的物理學(xué)理論基礎(chǔ)是普朗克定律，該定律揭示了在不同溫度下不同波段的黑體輻射能量分布規(guī)律。黑體的最大特征就是所發(fā)射的輻射能和所吸收的輻射能相同，也就是說如果物體吸收能力強則其輻射能力就強，如果輻射能力弱則其吸收能力就弱。

P（λ，T）=ξστ⁴

其中P（λ，T）表示物體的單色輻射度，ξ為灰體。

所測物體的溫度T=P（λ，T）=ξστ^1/4

正是紅外測溫的理論基礎(chǔ)。而熱成像就是在紅外測溫的理論基礎(chǔ)上，應(yīng)用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)，從而可進一步計算出溫度值。

3 確定紅外線熱成像測溫儀

通常在變電站的測溫需考慮用電設(shè)備的溫度范圍、相對尺寸、測溫儀與目標(biāo)設(shè)備距離、環(huán)境因素等對測溫影響，以正確選擇紅外線熱成像測溫儀。

（1）分析用電設(shè)備的溫度范圍，確定測溫儀芯片。根據(jù)黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此測溫時應(yīng)盡量選用短波較好。變電站母線材質(zhì)為銅芯或鋁芯，其發(fā)熱的范圍有所不同，但基本在-10℃+210℃之間，范圍較小，精度要求在±50℃，因此現(xiàn)場測溫儀cpu功能要求較簡單，采用普通的測溫芯片即可完全滿足。

（2）根據(jù)用電設(shè)備的相對尺寸，確定測溫方式。由于變電站存在煙霧、塵埃、阻擋，而比色測溫方式對輻射能量有衰減時，都不對測量結(jié)果產(chǎn)生重大影響，因此比色測溫儀是最佳選擇。

（3）根據(jù)測溫距離，確定測溫儀光學(xué)分辨率。距離系數(shù)由D：S之比確定，由于必須安裝在遠離目標(biāo)之處，而又要測量小的目標(biāo)，因此我們就必須增大D：S比值。因此，為了能在接近和遠離焦點的距離上準(zhǔn)確測溫，被測目標(biāo)尺寸應(yīng)大于焦點處光斑尺寸，需要選擇可變焦的測溫儀。

（4）考慮環(huán)境因素，調(diào)整算法。因為強光、強風(fēng)及大雨均可能影響測量結(jié)果，這是無法在測溫儀進行分辨和處理的，因此在上線前，需對后臺軟件進行差值補償算法調(diào)整，算法調(diào)整主要為非均勻矯正，偽彩色圖像處理及面源黑體的實際實驗數(shù)據(jù)測定。

因此紅外線成像測溫儀應(yīng)選擇具有普通單CPU、能實現(xiàn)比色測溫技術(shù)、可變焦功能的紅外成像測溫儀，通過后臺算法對數(shù)據(jù)矯正調(diào)整測量誤差。

4 開發(fā)通信模塊傳輸協(xié)議

在變電站目前大部分均有光纖通道，部分變電站無網(wǎng)絡(luò)通道需采用無線傳輸模式。為了實現(xiàn)各通道的傳輸需要通信DTU來完成這些工作，目前DTU可實現(xiàn)wifi，lan及3G的同時傳輸，內(nèi)部采用TCP協(xié)議，可使用工業(yè)MODBUS作為基礎(chǔ)交換協(xié)議，完成所有的通信。

5 開發(fā)主站軟件

主站軟件包括了與DTU進行通信數(shù)據(jù)交換的子程序及基于J2EE構(gòu)架的主站系統(tǒng)，主站系統(tǒng)功能如下：

記錄成像儀安裝地點，成像儀種類，現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，測溫歷史數(shù)據(jù)，供電腦客戶端瀏覽器查詢歷史數(shù)據(jù)。可通過客戶端手機手動與成像儀進行通信，遠程控制和啟動成像儀工作，存儲成像儀實時數(shù)據(jù)及接受發(fā)送成像儀的通信數(shù)據(jù)，將現(xiàn)場調(diào)焦和數(shù)據(jù)校驗的要求發(fā)送到成像儀。

6 開發(fā)終端軟件

目前手機客戶端存在多種平臺，作為研究用，在安卓開發(fā)基于安卓5.0的客戶端軟件，ios及windows采用基于jquery3和ext3結(jié)合的html5界面設(shè)計。目前手機端僅做查詢及報警用，基于安卓的可以采用推送消息的方式進行報警，基于ios和Nwin的可以采用短信加鏈接的方式進行推送。

7 實驗結(jié)果與分析

為了對本文所提出可移動自動紅外熱成像測溫?zé)o線傳輸測量的可靠性和準(zhǔn)確性進行實驗研究，采取在實際220kY變電站安裝調(diào)試一臺紅外熱成像測溫儀，并對發(fā)熱點進行測溫后無線傳輸至手機終端，通過與手工現(xiàn)場對發(fā)熱設(shè)備測溫數(shù)據(jù)進行對比驗證。

本文的移動式紅外熱成像可以實現(xiàn)遠距離區(qū)域測溫，選取5分鐘為一個周期，為了更有效的展現(xiàn)溫度變化，選定在夏季20點開始，60分鐘的測量，經(jīng)測量結(jié)果如下。

7.1 現(xiàn)場手持測量結(jié)果（見表1）

7.2 可移動紅外熱成像無線傳輸測量結(jié)果（見表2）

7.3 經(jīng)過疊加比較后（見圖1）

經(jīng)比較無線測溫結(jié)果與在現(xiàn)場手持測溫儀點測對比溫度區(qū)間變化較大，但是波動范圍不超過實際變壓器運行溫度范圍，也就是環(huán)境溫度的+20范圍內(nèi)，因此可以作為實測的數(shù)據(jù)判斷變壓器運行情況。

本文主要探討研究紅外熱成像測溫后無線傳輸硬件和軟件開發(fā)以及手機終端軟件開發(fā)3部分內(nèi)容。利用在實際220kV變電站安裝調(diào)試一臺紅外熱成像測溫儀進行發(fā)熱設(shè)備實際測溫調(diào)試，并與手工現(xiàn)場實際測溫進行比較，驗證了所研究內(nèi)容的正確性與有效性。