基于熱成像原理的工業(yè)設(shè)備缺陷監(jiān)測設(shè)計(jì)

任 杰，潘 碩，盧禮兵，劉士全

（中國電子科技集團(tuán)公司第58 研究所，江蘇 無錫）

引言

目前熱成像技術(shù)不斷發(fā)展成熟與日益完善，利用紅外狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術(shù)能夠遠(yuǎn)距離、不接觸、不取樣、不觸體，又具有準(zhǔn)確、快速、直觀、實(shí)時(shí)地對電氣設(shè)備大多數(shù)故障進(jìn)行在線監(jiān)測和診斷，因此備受國內(nèi)外重視,并得到快速發(fā)展。紅外成像技術(shù)在檢測電氣設(shè)備的熱故障的應(yīng)用,對提高電氣設(shè)備的可靠性與有效性，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益，降低維修成本都有很重要的意義，是目前在預(yù)知檢修領(lǐng)域中一種很好的手段[1]。

紅外熱像儀顯示的熱圖像清晰、直觀，測得的溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，不但可以準(zhǔn)確地判斷出電力系統(tǒng)中潛伏的過熱隱患，以便合理安排檢修，大幅度降低維修費(fèi)用，大大降低故障率，保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，而且還可以節(jié)省大量的人力物力，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。通過紅外成像技術(shù)在絕緣子串熱故障、電纜紅外成像故障、開關(guān)內(nèi)部熱故障、電流互感器內(nèi)部熱故障等實(shí)際的應(yīng)用，驗(yàn)證了紅外診斷各種方法的正確性。

1 熱成像原理介紹

1.1 黑體概念與熱成像定律

任何東西，只要其有溫度，都會對外輻射光波，光波的波長與溫度有關(guān)聯(lián)，通常已知常溫下的東西其輻射的光波波長就是紅外波長范圍?，F(xiàn)引入黑體這一概念，它是指對一切輻射都可以百分之百吸收的物體。而實(shí)際情況是，物體對輻射的波長除吸收以外，還會產(chǎn)生反射現(xiàn)象。

任何物體，如果其本身溫度高于開爾文零度（絕對零度，273.15 ℃），都會對外輻射，稱為紅外輻射，計(jì)算公式可以看出表面發(fā)射的輻射功率與溫度的四次方成比例關(guān)系。只要有溫度這一因素存在，紅外定律都是成像的依據(jù)。根據(jù)波耳滋慢律，能量計(jì)算公式為

式中，W- 輻射的紅外功率；ε- 發(fā)射百分率；δ- 波耳滋慢常數(shù)；A- 物體的表面積；T- 物體的溫度。

1.2 熱成像設(shè)備

熱成像設(shè)備可分為光學(xué)機(jī)械掃描熱成像相機(jī)和非光學(xué)機(jī)械掃描成像相機(jī)。

以光學(xué)機(jī)械掃描熱成像相機(jī)為例說明熱成像設(shè)備的工作機(jī)理[2]，見圖1。

圖1 光學(xué)機(jī)械熱熱像相機(jī)的框圖

光學(xué)框架由根據(jù)視場大小和圖像質(zhì)量要求的各種紅外光學(xué)透鏡組成。它集中了被測物體的輻射熱能量。探測儀器可以實(shí)時(shí)的得到物體表面一部分的溫度。只要儀器的采集時(shí)間足夠迅速，他就會立即產(chǎn)生與接收到的溫度成正相關(guān)的電流參數(shù)發(fā)射出去。一般，當(dāng)能夠采集獲取的范圍低至零點(diǎn)幾弧度時(shí)候，能夠以此面積的數(shù)倍去呈現(xiàn)物體的視野，對被測物進(jìn)行光學(xué)機(jī)械掃描。本質(zhì)做法是，將物體在X 軸和Y 軸分為很多等面積的小單元，設(shè)備可以對物體的表面依次按小單元進(jìn)行掃描，形成一連串的小電流信號，按時(shí)間上可形成時(shí)域上電流幅值。再經(jīng)過處理和軟件算法后，被轉(zhuǎn)化成實(shí)際的圖片成像，最終在電腦上顯示熱成像[3]。

非光學(xué)機(jī)械掃描成像相機(jī)，對焦刻度的熱成像設(shè)備是最新一代光學(xué)產(chǎn)品，在產(chǎn)品圖像處理的指標(biāo)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于光學(xué)機(jī)械掃描相機(jī)設(shè)備，可以在不考慮成本的應(yīng)用領(lǐng)域里代替前者的使用。其所具備的關(guān)鍵技術(shù)是該設(shè)備由集成電路組成?？梢约械墨@取被測物體的完整結(jié)構(gòu)，使獲取到的清晰度更真實(shí)，且集成電路架構(gòu)在體積和重量上也有優(yōu)勢，性能方面有自動對焦功能，圖片實(shí)時(shí)保存功能，實(shí)時(shí)處理并且實(shí)時(shí)的儲存，儲存容量越來越大。

1.3 熱成像故障分析及其原理

當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場儀器存在事故了，其主要的表現(xiàn)形式溫度高于正常閾值，并且在有效范圍內(nèi)產(chǎn)生電場，對外發(fā)射相應(yīng)溫度所對應(yīng)的熱量。通過前面提到的檢測設(shè)備，可以把故障現(xiàn)場的圖片傳輸?shù)焦I(yè)級電腦上，圖片直接體現(xiàn)了現(xiàn)場的能量分布和時(shí)間的關(guān)系，分析出故障的地點(diǎn)和故障的受損程度[4]。根據(jù)現(xiàn)場圖片，可以找尋到現(xiàn)場的溫度最高的位置地點(diǎn)，從而得到急需解決的故障位置。

還有一種方法，是利用現(xiàn)場儀器配套的電腦，在獲取到溫度濕度參數(shù)后，可以直接分析出現(xiàn)場其他位置的溫濕度值，從而及時(shí)在其他位置發(fā)出預(yù)警，避免故障帶來的影響的蔓延，提前將故障帶來的損失降到最低。

2 工業(yè)機(jī)器故障的判定標(biāo)準(zhǔn)

2.1 成像源

工業(yè)現(xiàn)場的各個(gè)設(shè)備在施工時(shí)，工作電壓、工作電流，由此衍生出3 種發(fā)熱。

(1) 自身發(fā)熱，按照定律計(jì)算，當(dāng)負(fù)載流過電流時(shí)本身就會發(fā)熱，產(chǎn)生熱量。即電流型負(fù)載發(fā)熱電阻損耗發(fā)熱。

(2) 自身寄生損耗，設(shè)備除了自身阻抗之外，還有包裹的絕緣介質(zhì)，除了有效阻抗的熱源以外，絕緣介質(zhì)在變化的電場作用下，其極化的方向也在不斷變化，在電場作用下產(chǎn)生寄生損耗，從而產(chǎn)生熱量[5]。此過程的熱量功率計(jì)算方式為

式中，U- 絕緣體上的電壓；ω- 變化角弧度；C- 等效電容；tgφ- 絕緣體正切值。

(3) 內(nèi)芯發(fā)熱，當(dāng)導(dǎo)電線圈在磁場回路中加以電壓時(shí)，由于鐵芯本身具備的線圈特性，會產(chǎn)生熱量損失進(jìn)而產(chǎn)生能量。

2.2 失效判定

失效的類型可分為內(nèi)部因素和外部因素。

外部熱故障以局部過熱的形態(tài)向其周圍輻射紅外線。例如導(dǎo)電回路的裸露接頭、連接件和觸頭，因接觸不良造成過度發(fā)熱。其紅外熱像圖呈現(xiàn)出以故障點(diǎn)為中心的熱像分布[6]。故從熱像圖可直觀地判斷是否存在熱故障，由溫度分布可準(zhǔn)確地確定故障部位。

內(nèi)部因素是其內(nèi)部長時(shí)間的處于熱輻射，且輻射的能量持續(xù)穩(wěn)定，與內(nèi)部相連接的介質(zhì)都會發(fā)射出能量，以導(dǎo)熱良好的介質(zhì)為例，其可將此能量積累聚合，并轉(zhuǎn)發(fā)至外殼，從而改變周邊其他設(shè)備的熱量分布數(shù)值。因此通過外部檢測到的熱成像試驗(yàn)數(shù)據(jù)也能判定出工業(yè)現(xiàn)場哪些機(jī)器存在內(nèi)部損傷。

2.3 判定依據(jù)

外部因素發(fā)生的損傷，其判定標(biāo)準(zhǔn)[7]見表1。

表1 外部損傷判定標(biāo)準(zhǔn)（損傷點(diǎn)與常溫差）（單位：℃）

內(nèi)部因素?fù)p傷，可以按GB/T12013-1998 中的相關(guān)規(guī)定來判定外，還可根據(jù)“溫差法”和“文檔羅列法”來指出。它是兩個(gè)機(jī)器情況(銘牌、安置地、周邊溫度、周邊濕度、熱工況等)一致或基本一致的兩個(gè)相鄰的故障點(diǎn)之間的溫度差值與最高溫度的百分占比[8]。

溫差判定法是根據(jù)同種機(jī)器的所處溫度差異，來作為判據(jù)從而篩查出故障發(fā)生點(diǎn)。檢查同一種類型的機(jī)器，它的熱成像能量分布，包括比較濕度、溫度差、能量分布等幾個(gè)參數(shù)，以此來判定機(jī)器發(fā)生故障的前兆。此過程被稱為文檔羅列。

3 熱成像原理在機(jī)器外部損傷的判定

3.1 電纜熱故障的判定

圖2 顯示了某設(shè)備電纜的熱成像圖片，損傷判定的依據(jù)是各電纜發(fā)生最惡劣的情況，不是看每個(gè)電纜的熱溫度變化情況。因?yàn)樽類毫雍统卣５臏囟炔钪颠M(jìn)行檢測，差值很小，且距離等因素的影響，溫度差值不會超過一定溫度閾值[9]。

圖2 劣質(zhì)電纜的熱成像

3.2 閥門熱成像故障的判定

閥門發(fā)生故障經(jīng)?？煞譃榻佑|不良和內(nèi)部連接不良，其故障時(shí)顯著的特征是不良接觸的表面會過熱，可以用上述提到的溫差法來作為依據(jù)，發(fā)生故障的位置，也可以用同種閥門銘牌的不同位置上的溫升測量法，來判定故障與否。圖3 作為過熱的圖像，可以判定閥門接觸不良位置。

圖3 電纜端子發(fā)生超溫的熱成像

3.3 螺絲熱成像故障的判定

螺絲位置的能量分布，取決于接觸位置和螺母采用溫差法和文檔羅列法相結(jié)合的判定，當(dāng)發(fā)生溫度故障時(shí)，由螺絲與眾螺絲的溫度能量差異來判定出故障位置。圖4 是工業(yè)現(xiàn)場電網(wǎng)的安裝螺絲，把相同類型的螺絲羅列，熱成像拍照，可以直接找到溫度差值在超出閾值的故障位置。圖4 是工業(yè)現(xiàn)場螺絲位置的熱成像。

圖4 工業(yè)電網(wǎng)螺絲位置故障的成像

4 結(jié)論

使用成熟的熱成像技術(shù)對工業(yè)現(xiàn)場的機(jī)器及其零件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對故障進(jìn)行預(yù)警以便于及時(shí)維護(hù)，可以提高機(jī)器的使用壽命，增加工作效率，降低人工維護(hù)的壓力，其技術(shù)具有很好的實(shí)用價(jià)值。本文依次介紹了在工業(yè)電纜、工業(yè)閥門、工業(yè)螺絲安裝的故障判定，顯示了熱成像技術(shù)的應(yīng)用可行性，故障能甄別出來顯示了該成像技術(shù)的實(shí)用價(jià)值。