紅外熱像儀測(cè)溫精度的影響因素

蔣張威

摘要：紅外熱像儀在換流站內(nèi)廣泛應(yīng)用，具有不接觸、不停運(yùn)、不取樣、不解體的“四不”優(yōu)點(diǎn)。本文以FLIR P640紅外熱像儀測(cè)量換流閥TFM板均壓電阻為例，充分結(jié)合理論分析和測(cè)溫實(shí)例，分析了發(fā)射率、測(cè)試環(huán)境、大氣條件、測(cè)量距離、測(cè)量角度等對(duì)紅外測(cè)溫的影響，對(duì)提高紅外測(cè)溫精確度及現(xiàn)場(chǎng)故障分析具有積極意義。

關(guān)鍵詞：紅外熱像儀;紅外測(cè)溫;熱輻射

中圖分類(lèi)號(hào)：TP79? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

電氣設(shè)備紅外測(cè)溫技術(shù)對(duì)換流站電氣設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要的意義。電氣設(shè)備產(chǎn)生故障的物理機(jī)制涉及電、磁、熱、力等方面，但大多數(shù)故障可通過(guò)溫度為具體表象呈現(xiàn)出來(lái)，因此溫度是檢測(cè)電力設(shè)備運(yùn)行是否正常的一個(gè)非常重要的參數(shù)。通過(guò)對(duì)設(shè)備發(fā)熱情況的分析，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，防止惡化。

相比于常規(guī)的感溫貼紙、熱電偶等接觸式測(cè)溫，紅外熱像儀測(cè)溫有不接觸、不停運(yùn)、不取樣、不解體的“四不”優(yōu)勢(shì)。因此，紅外測(cè)溫技術(shù)在換流站中得到了廣泛應(yīng)用。換流站內(nèi)電機(jī)、軸承、變壓器、母線、板卡等關(guān)鍵敏感設(shè)備的日常巡檢等均離不開(kāi)紅外熱像儀。紅外熱像儀使用簡(jiǎn)單方便，但仍有多種因素影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性[1]。

1? ? 紅外測(cè)溫的原理及儀器構(gòu)成

1.1 黑體輻射

當(dāng)物體表面溫度高于絕對(duì)零度就會(huì)發(fā)射出紅外輻射，被測(cè)物表面的溫度將直接影響其紅外輻射能量的強(qiáng)弱及能量按波長(zhǎng)的分布。因此，我們可以通過(guò)測(cè)量物體的紅外輻射，得到物體的表面溫度及分布情況。

對(duì)于理想的輻射源—黑體而言，輻射能量與溫度的關(guān)系符合普朗克定律，即：

式中：Pb（λT）—波長(zhǎng)為λ，熱力學(xué)溫度為T(mén)時(shí)黑體單位面積紅外輻射功率，W/（cm2·μm）;

C1—第一輻射常數(shù)，C1=37145W/（cm2·μm） ;

C2—第二輻射常數(shù)，C2=1.4388cm·K;

此公式可得出如下曲線。

從圖1中曲線可以看到，伴隨著物體溫度的上升，輻射能量增強(qiáng)，這是紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，也是紅外熱像儀的根本設(shè)計(jì)依據(jù)[2]。

同時(shí)，根據(jù)史蒂芬-波爾茲曼定律，物體紅外輻射的總功率與溫度的關(guān)系為：

P=εδT4

式中：P—物體紅外輻射的功率，W·m-2;

T—物體的熱力學(xué)溫度，K;

ε—物體表面紅外發(fā)射率;

δ—史蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/（m2·K4）。

根據(jù)史蒂芬-波爾茲曼定律，不難發(fā)現(xiàn)，物體紅外輻射的能量水平和其熱力學(xué)溫度的四次方及物體的表面輻射率成正比。溫度越高，紅外輻射越強(qiáng)，物體溫度的細(xì)微改變將顯著影響物體紅外輻射強(qiáng)度。因此可以通過(guò)測(cè)量物體的紅外輻射，得到物體的表面溫度值。

1.2 紅外熱像儀的組成

不同生產(chǎn)廠家、不同型號(hào)的紅外熱像儀因適用場(chǎng)景不同，外觀設(shè)計(jì)及內(nèi)部構(gòu)成也不同，但其主體結(jié)構(gòu)大同小異，主要部件由光學(xué)成像系統(tǒng)、紅外輻射傳感器、數(shù)字信號(hào)處理回路和顯示器等組成。其中的光學(xué)系統(tǒng)主要決定了測(cè)溫儀視場(chǎng)的范圍的大小[3]。

根據(jù)上述原理，紅外熱像儀利用其自身所具有的光學(xué)系統(tǒng)，匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的輻射能量，通過(guò)一定的光譜過(guò)濾后獲得紅外輻射并將被測(cè)物體的紅外輻射分布情況聚焦在紅外傳感器上，在傳感器上將紅外輻射能量大小及分布轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。電信號(hào)在數(shù)字信號(hào)處理回路中通過(guò)一系列的復(fù)雜處理后，在顯示器上將紅外熱像以偽彩色圖像或灰度圖像的形式呈現(xiàn)被測(cè)物體的溫度分布情況。詳見(jiàn)圖2。

2? ? 影響測(cè)溫結(jié)果因素

測(cè)溫過(guò)程中的多種因素都將對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，作為運(yùn)維人員有必要了解紅外熱像儀內(nèi)工作原理、測(cè)量方法、參數(shù)設(shè)置，通過(guò)采用較優(yōu)的測(cè)量方法、準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)定及對(duì)結(jié)果的后期分析修正獲得更加精確的溫度數(shù)值。本文將以FLIR P640紅外熱像儀測(cè)量換流閥TFM板均壓電阻為例，選取不同條件下的7個(gè)測(cè)溫點(diǎn)作為樣本，討論物體發(fā)射率、測(cè)量環(huán)境、大氣條件、測(cè)量距離、測(cè)量角度等因素對(duì)測(cè)溫精度的影響。

2.1 物體的發(fā)射率

物體散發(fā)的紅外輻射功率與相同條件下理想的黑體輻射功率之比，即為輻射率。

式中：PL—物體在單位時(shí)間內(nèi)紅外輻射的功率;

PK—黑體在單位時(shí)間內(nèi)紅外輻射的功率。

物體的輻射率由表面材質(zhì)、顏色、表面粗糙度及表明處理工藝所決定，一般從0.1至0.95不等。表面粗糙或被氧化的金屬表面比相同材質(zhì)的光滑金屬表面相比，輻射率要高的多。例如，表面拋光的銅輻射率為0.02，而表面氧化變黑的銅輻射率為0.78。而非金屬材料，其輻射率一般在0.85至0.95左右，并且受材料表面狀態(tài)影響小。這也是一般使用非金屬材料作為參照物來(lái)標(biāo)定輻射率的原因[4]。詳見(jiàn)表1。

不同材料或相同材料的不同表面狀態(tài)下的發(fā)射率變化很大，因此我們?cè)跍y(cè)量設(shè)備前應(yīng)該根據(jù)被測(cè)物體物理特性的不同，按照儀器說(shuō)明書(shū)所附的物體輻射率對(duì)照表，正確地按照被測(cè)物體設(shè)定相對(duì)應(yīng)的輻射率，以提高測(cè)量精度。詳見(jiàn)圖3。

圖3中TMF板卡均壓電阻為測(cè)溫目標(biāo)，劃分7個(gè)測(cè)溫區(qū)域，考察7個(gè)區(qū)域內(nèi)的最高溫度。在短時(shí)間內(nèi)，分別將輻射率設(shè)置成0.7、0.8、0.9、1.0，拍攝紅外照片，分析測(cè)溫結(jié)果如下。詳見(jiàn)表2、圖4。

可見(jiàn)，測(cè)溫結(jié)果符合史蒂芬-波爾茲曼定律，溫度值與輻射率呈線性關(guān)系。

為準(zhǔn)確地獲得物體的輻射率，可通過(guò)查表的方法，亦可使用絕緣膠帶進(jìn)行標(biāo)定。

標(biāo)定方法：

①在被測(cè)物體上放置一批黑色絕緣膠帶;

②將被測(cè)物體的溫度至少加熱至高于室溫20K，加熱必須相當(dāng)均勻;

③聚焦并自動(dòng)調(diào)整照相機(jī)，凍結(jié)照相機(jī)中的圖像;

④將測(cè)溫儀的輻射率設(shè)置為絕緣膠帶的輻射率（通常是0.97）;

⑤記下絕緣膠帶溫度;

⑥調(diào)節(jié)輻射率至被標(biāo)記物體的溫度值與調(diào)節(jié)前的絕緣膠帶表面溫度一致，此時(shí)的輻射率即為物體的輻射率。

2.2 測(cè)量環(huán)境

測(cè)量環(huán)境對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響因素主要是光照和風(fēng)速。當(dāng)測(cè)量室外物體時(shí)，反射和漫反射的太陽(yáng)光會(huì)疊加在被測(cè)電力設(shè)備的表面，導(dǎo)致測(cè)溫結(jié)果偏大。室內(nèi)白熾燈等照明熱源也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的影響。傍晚、陰天進(jìn)行測(cè)量和場(chǎng)地內(nèi)的熄燈測(cè)溫都是簡(jiǎn)單實(shí)用的解決方案。

當(dāng)被測(cè)物體處于風(fēng)力較大的環(huán)境時(shí)，快速的流動(dòng)空氣將顯著增大散熱系數(shù)，使測(cè)量溫度偏小。風(fēng)力影響可按照以下的經(jīng)驗(yàn)修正公式修正：

式中：T1—在風(fēng)速F1下的溫升，K;

T2—在風(fēng)速F2下的溫升，K。

2.3 大氣條件

大氣作為熱輻射的傳遞介質(zhì)，主要影響體現(xiàn)在以下方面。一是大氣分子的吸收作用，如遍布在空氣中的水蒸氣、二氧化碳、臭氧等都能吸收紅外輻射;二是懸浮粒子的衰減作用，如塵埃、霧氣等;三是分子及懸浮微粒的散射作用。

2.4 測(cè)量距離

由前述可知，大氣會(huì)吸收、衰減、散射紅外輻射。當(dāng)測(cè)量距離越大時(shí)，紅外輻射的強(qiáng)度越低。同時(shí)，在紅外熱像儀像素有限、焦距固定的前提下，隨著距離的增加，同一被測(cè)物的投射到傳感器上的面積縮小，使其輸出的信號(hào)質(zhì)量下降，影響測(cè)溫精度。詳見(jiàn)圖5。

以測(cè)量換流閥TFM板均壓電阻為例，我們?cè)谄溆鄿y(cè)試條件不變的情況下，分別在3米、8米、12米拍攝紅外照片，分析測(cè)溫結(jié)果如下。詳見(jiàn)表3、圖6。

隨著測(cè)溫距離的增加，因大氣條件引起的紅外輻射能量衰減越嚴(yán)重，使測(cè)量溫度值下降，大大影響了測(cè)溫精度。因此為測(cè)得物體準(zhǔn)確的溫度，應(yīng)盡量靠近被測(cè)物體，避免紅外輻射衰減及像場(chǎng)減小引起的測(cè)量誤差。

2.5 測(cè)量角度

輻射的空間分布定律-朗伯余弦定律，所謂朗伯余弦定律，即黑體在任意方向上的輻射強(qiáng)度與觀測(cè)方向相對(duì)于輻射表面法線夾角的余弦成正比。詳見(jiàn)圖7。

此定律表明，黑體輻射在表面法線方向的輻射最強(qiáng)。因此，實(shí)際進(jìn)行紅外測(cè)溫時(shí)，應(yīng)盡可能選擇在被測(cè)表面法線方向進(jìn)行，如果在與法線成θ角方向檢測(cè)，則接收到的紅外輻射信號(hào)將減弱成法線方向最大值的倍數(shù)。

但針對(duì)TMF板均壓電阻等均勻發(fā)熱的圓柱形物體，在平視情況下，測(cè)溫方向均與表面垂直，角度對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響不大。詳見(jiàn)圖8、表4。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)上述所列的影響紅外測(cè)溫結(jié)果的因素，我們應(yīng)根據(jù)以往缺陷經(jīng)驗(yàn)及發(fā)熱缺陷形成原理，列出易產(chǎn)生熱缺陷的設(shè)備與部位，根據(jù)設(shè)備材料及表面狀態(tài)，通過(guò)查表或標(biāo)定的方式確定表面的輻射率，在測(cè)試過(guò)程中設(shè)置準(zhǔn)確的輻射率，以提高測(cè)溫的準(zhǔn)確度[5-6]。

為減少測(cè)量環(huán)境的影響，對(duì)于室外設(shè)備測(cè)溫，宜選擇在陰天或傍晚進(jìn)行。對(duì)于室內(nèi)設(shè)備，宜采取關(guān)燈等措施，減小其他高危輻射源的影響。對(duì)于高反射性的設(shè)備表明，可采取適當(dāng)?shù)恼趽趸蛘{(diào)整角度，避開(kāi)反射背景輻射對(duì)測(cè)溫的干擾。同時(shí)，應(yīng)避免在大風(fēng)、大霧、雨雪等不利天氣條件下開(kāi)展紅外測(cè)溫。

測(cè)溫距離，在符合相應(yīng)安全距離的情況下，應(yīng)盡量縮小。并盡可能選擇在被測(cè)表面法線方向進(jìn)行測(cè)溫[7]。

作為電力設(shè)備一線運(yùn)維人員，我們只有在充分了解設(shè)備工作原理，掌握科學(xué)的使用方法的前提下，才能充分發(fā)揮設(shè)備與作用，提高測(cè)量精度，進(jìn)而提高換流站運(yùn)維水平。

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