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红外测温技术讲解 一 红外技术原理 2 什么是红外线 红外线是1800年英国物理学家赫胥尔发现的 任何温度高于绝对零度 273 C 的物体都会发出红外线 又称红外辐射 红外线是从物质内部发射出来的 反映物体表面的温度场 3 红外光谱在电磁波中的位置 4 大气传输 5 大多数红外成像系统采用的响应光谱范围为大气吸收较小的波长 大气传输率的光谱范围称为 大气窗口 黑体和发射率 黑体是指吸收所有入射光线而不反射或透射的物体即黑体所吸收的红外线能量与发射红外线能量相等 辐射率又称发射率 是实际物体与同温度的黑体 在相同条件下辐出度的比值 影响辐射率的因素 材料 粗糙度 温度等 6 二 红外热像仪器成像理论 7 1 红外热像仪成像原理 它的探测目标物体自身发射的 热辐射 将红外能量转换成电信号 通过电子处理 最终转化为人眼可见的红外图象 8 二 红外热像仪器成像理论 9 温度升高 红外辐射E 传感器 采用由红外电磁能产生的热效应引起的材料性能改变原理 电阻降低 加热 V R I V 电压变化 R 由于红外吸收引起的电阻变化I 通过辐射测热仪的恒定电流 1 红外辐射以电磁波的形式进入传感器 传感器吸收红外辐射 传感器温度升高 2 传感器电阻改变 3 电阻改变以电信号的形式被探测 4 不需要冷却 因为采用直接加热的效应 2 非制冷焦平面探测器 采用微型辐射热量探测器工作原理 类似热敏电阻 即探测器吸收入射的红外辐射 致使自身的温度升高 从而导致探测器阻值发生变化 在外加电流的作用下可以产生电压信号输出 10 3 红外镜头 能够将红外辐射能量聚焦到探测器上的特殊镜头 材料是锗单晶 表面镀金钢石 Ge是红外长波仪器镜头最好的材料 但价格昂贵 11 4 红外热像仪的基本参数 帧频 反映探测器变化快慢的量 如HY6800帧频是50Hz 即1 50秒 12 空间分辨率 空间分辨率 红外热像仪分辨物体的能力 单位mrad 可理解为测量距离和目标大小的关系 空间分辨率为1 3mrad的热像仪 如果被测目标与热像仪之间距离为100m 那么0 13M大小的物体在热像仪的镜头聚焦 并投影到探测器上 正好充满1个探测器单元像数 0 26M大小的物体在热像仪的镜头聚焦 并投影到探测器上 正好充满四个探测器单元像数 并能确保必然充满其中一个像数 13 瞬时视场和分辨率的关系 14 单元数量 空间分辨率FOV 180 X FOV角 空间分辨率有以下公式计算 FOV 单元数量 空间分辨率 24 标准镜头的视场角为24 18 空间分辨率为1 3mrad 计算方式如下 空间分辨率 FOV 0 0013rad 1 3mrad 15 空间分辨率 为了保障红外图片细节的清晰和测温准确性 对不同类型电气设备拍摄需要采用不同的镜头 变电站内设备拍摄时一般采用24 标准镜头 高压套管 避雷器 独立CT等 近距离线路设备拍摄采用12 镜头 如35kV户外线路电缆头等 远距离线路设备拍摄采用7 三倍镜头 如500kV线路耐张线夹等 16 NETD NETD又称温度分辨率是评价热成像系统探测灵敏度的一个客观参数 17 三 影响红外测温的因素 1 观测角度的影响朗伯余弦定律所谓朗伯余弦定律 就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比 此定律表明 黑体在辐射表面法线方向的辐射最强 因此 实际做红外检测时 应尽可能选择在被测目标表面法线方向进行 18 2 不同材料的影响 不同性质的材料因对辐射的吸收或反射性能各异 因此它们的发射性能也应不同 一般当温度低于300k时 金属氧化物的发射率一般大于0 8 19 3 表面状态的影响 任何实际物体表面都不是绝对光滑的 总会表现为不同的表面粗糙度 因此 这种不同的表面形态 将对反射率造成影响 从而影响发射率的数值 这种影响的大小同时取决于材料的种类 例如 对于非金属电介质材料 发射率受表面粗糙度影响较小或无关 但是 对于金属材料而言 表面粗糙度将对发射率产生较大影响 另外 应该强调 除了表面粗糙度以外 一些人为因素 如施加润滑油及其他沉积物 如涂料等 都会明显地影响物体的发射率 20 4 物体之间的辐射传递的影响 物体对于给定的入射辐射必然存在着吸收 反射 而当达到热平衡后 其吸收的辐射能必然转化为向外发射的辐射能 因此 当我们在一个变电站中 检测任意一个目标时 所检测出来的温度 必然还存在着附近其它物体的影响 因此 我们在检测时 要注意检测的方向和时间 使其它物体的影响降到最小 21 5 大气衰减的影响 大气对红外辐射有吸收 散射 折射等物理过程 对物体的红外辐射强度会有衰减作用 我们称之为消光 大气的消光作用与波长相关 有明显的选择性 红外在大气中有三个波段区间能基本完全透过 我们称之为大气窗口 分为近红外 0 76 1 1um 中红外 3 5um 远红外 8 14um 不过 请注意 即使工作在大气窗口内 大气对红外辐射还是有消光作用 尤其 水蒸气对红外辐射的影响最大 因此 在检测时 最好在湿度小于85 以下 距离则越近越好 22 四 红外检测专业术语 3 1 温升 被测设备表面温度和环境温度参照体表面温度之差 3 2 温差 不同被测设备或同一被测设备不同部位之间的温度差 23 四 红外检测专业术语 3 3 相对温差 两个对应测点之间的温差与其中较热点的温升之比的百分数 相对温差 t可用下式求出 式中 1和T1 发热点的温升和温度 2和T2 正常相对应点的温升和温度 T0 环境参照体的温度 24 四 红外检测专业术语 3 4 环境温度参照体 用来采集环境温度的物体 它不一定具有当时的真实环境温度 但具有与被检测设备相似的物理属性 并与被测检测设备处于相似的环境之中 25 四 红外检测专业术语 3 5 一般检测 适用于用红外热像仪对电气设备进行大面积检测 3 6 精确检测 主要用于检测电压致热型和部分电流致热型设备的内部缺陷 以便对设备的故障进行精确判断 26 四 红外检测专业术语 3 7 电压致热型设备 由于电压效应引起发热的设备 3 8 电流致热型设备 由于电流效应引起发热的设备 3 9 综合致热型设备 即有电压效应 又有电流效应 或者电磁效应引起发热的设备 27 四 红外检测专业术语 3 10 噪声等效温差 NETD 用热像仪观察一个低空间频率的靶标时 当其视频信号的信噪比 S N 为1时 观察者可以分辨的最小目标与背景之间的等效温差 NETD是评价热像仪探测目标灵敏度和噪声大小的一个客观参数 3 11 准确度 在最大测量范围内 允许的最大温度误差 以绝对误差或误差百分数表示 28 五 检测环境条件要求 4 3 1 一般检测的要求a 被检设备是带电运行设备 应尽量避开视线中的封闭遮挡物 如门或盖板 b 环境温度一般不低于5 相对湿度一般不大于85 天气以阴天 多云为宜 夜间图像质量为佳 不应在雷 雨 雾 雪等气象条件下进行 检测时风速一般不大于5m s 现场观察可参照附录D 29 五 检测环境条件要求 4 3 1 一般检测的要求C 户外晴天要避开阳光直接照射或反射进入仪器镜头 在室内或晚上检测应避开灯光的直射 宜闭灯检测 D 检测电流致热型设备 最好在高峰负荷状态下进行 否则 一般应在不低于30 的额定负荷下进行 同时应充分考虑小负荷电流对测试结果的影响 30 4 3 2 精确检测要求 除满足一般检测的环境要求下 还满足以下的要求a 风速一般不大于0 5m s b 设备通电时间不小于6h 最好在24h以上 c 检测期间天气为阴天 夜间或晴天日落后2h后 31 4 3 2 精确检测要求 d 被检测设备周围应具有均衡的背景辐射 应尽量避开附近热辐射源的干扰 某些设备被检测时还应避开人体热源等的红外辐射 e 避开强电磁场 防止强电磁场影响红外热像仪的正常工作 32 4 4 检测仪器的要求 4 4 1便携式红外热像仪能满足精确检测的要求 测量精度和测温范围满足现场测试要求 性能指标较高 具有较高的温度分辨率及空间分辨率 具有大气条件的修正模型 操作简便 图像清晰 温度 有目镜取景器 分析软件功能丰富 33 4 4 检测仪器的要求 4 4 2手持 枪 式红外热像仪能满足一般检测的要求 有最高点温度自动跟踪 采用LCD显示屏 可无取景器 操作简单 仪器轻便 图像比较清晰 稳定 34 4 4 检测仪器的要求 4 4 3线路适用型红外热像仪满足红外热像仪的基本功能要求 配备有中 长焦距镜头 空间分辨率达到使用要求 当采用飞机巡线检测时 红外热像仪应具备普通宽视野镜头和远距离窄视野镜头 并且可由检测人员根据要求方便切换 35 4 4 检测仪器的要求 4 4 4在线型热像仪将热像探头固定在被检测设备附近 进行在线测试 并将信号反馈到主控系统 要求有外部供电接口 连续稳定工作时间长 并能满足全天候的环境使用条件 其信号和接口可根据系统要求定制 36 六 现场操作方法 5 1 一般检测仪器在开机后需进行内部温度校准 待图像温度后即可开始开始工作 一般先远距离对所用被测设备进行全面扫描 发现有异常后 再有针对性地近距离对异常部位和重点被测设备进行准确检测 仪器的色标温度量程设置在环境温度加10K 20K左右的温升范围 有伪彩色显示功能的仪器 宜选择彩色显示方式 调节图像使其具有清晰的温度层次显示 并结合数值手段 如热点跟踪 区域温度跟踪等手段进行检查 37 六 现场操作方法 5 1 一般检测应充分利用仪器的有关功能 如图像平均 自动跟踪等 以达到最佳检测效果 环境温度发生较大变化时 应对仪器重新进行内部温度校准 校准方法按仪器的说明书进行 作为一般检测 被测设备的辐射率一般取0 9左右 38 六 现场操作方法 5 2 精确检测检测温升所用的环境温度参照体应尽可能选择与被测设备类似的物体 且最好能在同一方向或同一视场中选择 在安全距离允许的条件下 红外仪器宜尽量靠近被测设备 使被测设备 或目标 尽量充满整个仪器的视场 以提高仪器对被测设备表面细节的分辨能力及测温准确度 必要时 可使用中 长焦距镜头 线路检测一般需使用中 长度焦距镜头 39 六 现场操作方法 5 2 精确检测为了准确测温或方便跟踪 应事先设定几个不同角度的方向和角度 确定最佳检测位置 并可做上标记 以供今后的复测用 提高互比性和工作效率 正确选择被测设备的辐射率 特别要考虑金属材料表面氧化对选取辐射率的影响 将大气温度 相对湿度 测量距离等补偿参数输入 进行必要修正 并选择适当的测温范围 40 六 现场操作方法 5 2 精确检测记录被检设备的实际负荷电流 额定电流 运行电压 被检物体温度及环境参照体的温度值 41 七 红外检测周期 检测周期应根据电气设备在电力系统中的作用及重要性 并参照设备的电压等级 负荷电流 投运时间 设备状况等决定 电气设备红外检测管理及检测原始记录 42 七 红外检测周期 7 1变 配 电设备的检测正常运行变 配 电设备的检测应遵循检测和预试前普测 高温高负荷等情况下的特殊巡测相结合的原则 一般220kV及以上的交 直 流变电站每年不少于两次 其中一次可在大负荷前 另一次可在停电检修及预试前 以便使查出的缺陷在检修中能够得到及时处理 避免重复停电 43 七 红外检测周期 7 1变 配 电设备的检测110kV及以下重要变 配 电站每年检测一次 对于运行环境差 陈旧或有缺陷的设备 大负荷运行期间 系统运行方式改变且设备负荷突然增加等情况下 需对电气设备增加检测次数 44 七 红外检测周期 7 1变 配 电设备的检测新建 改扩建或大修后的电气设备 应在投运待负荷后不超过1个月内 但至少在24h以后 进行一次检测 并建议对变压器 断路器 套管 避雷器 电压互感器 电流互感器 电缆终端等进行精确检测 对原始数据及图像进行存档 45 七 红外检测周期 7 1变 配 电设备的检测建议每年对330kV及以上变压器 套管 避雷器 电容式电压互感器 电流互感器 电缆头等电压致热型设备进行一次精确检测 做好记录 必要时将测试数据及图像存入红外数据库 进行动态管理 有条件的单位可开展220kV及以下设备的精确检测并建立图库 注 红外测温的检测周要求期还应结合运行单位的测温要求 46 八 判断方法 8 1表面温度判断法8 2同类比较判定法8 3图像特征判断法8 4相对温差判断法8 5档案分析判断法8 6实时分析判断法 47 8 1表面温度判断法 主要适用于电流致热型和电磁效应引起发热的设备 根据侧得的设备表面温度值 对照GB T11022中高压开关设备和控制设备各种部件 材料及绝缘介质的温度和温升极限的有关规定 结合环境气候条件 负荷大小进行分析判断 48 8 2同类比较判断法 根据同组三相设备 同相设备之间及同类设备之间对应部位的温差进行比较分析 对于电压致热型设备 应结合本标准的8 3条进行判断 对于电流致热型设备 应结合本标准的8 4条进行