NB∕T 10308-2019 电热元件用红外温度场分布测试方法

1、 ICS 17.200.01NB中华人民共和国能源行业标准K 04NB/T103082019电热元件用红外温度场分布测试方法Infrared temperature field distribution test method for electric heating element2019-11-04发布2020-05-01实施 NB/T 103082019目 次前言. II123456789范围. 1规范性引用文件 . 1术语和定义 . 1测试目的和主要物理参数 . 2技术要求 . 2测试前准备程序 . 4测试和拍摄 . 7后处理 . 8测试报告 . 8附录A（资料性附录）视场角的图示.

2、9附录B（资料性附录）聚乙烯材质红外窗口红外吸收光谱图. 10附录C（资料性附录）常用电热元件外层材质发射率. 11附录D（资料性附录）常见非金属材质发射率. 12附录E（资料性附录）大气透过率修正参数. 13附录F（规范性附录）发热均匀度计算方法. 14参考文献 . 16图1贴塑对照法示意图. 6图2辐射亮度示意图. 7图A.1视场角示意图. 9图A.2瞬时视场角示意图. 9图B.1聚乙烯红外吸收光谱图. 10图E.1大气透过率修正参数(大气窗口). 13图F.1电热元件划分子区域示例. 14表B.1聚乙烯红外吸收光谱图. 9表C.1常见金属材质8m14m波段发射率. 11表D.1常见非金属

3、材质8m14m波段发射率. 12I NB/T 103082019前 言本标准按照GB/T1.12009给出的规则起草。本标准由中国电器工业协会提出。本标准由全国电器附件标准化技术委员会（SAC/TC 67）归口。II NB/T 103082019电热元件用红外温度场分布测试方法1范围本标准规定了利用红外辐射原理，使用红外热成像仪对电热元件进行红外温度场分布测量时的检测方法要求，包括环境要求、人员要求、设备要求、测量方法规范、图像处理等。本标准适用于在一段时间内对电热元件或其附近部件进行持续的非接触式表面温度测量，测量的温度点可以是一个，也可以是多个，甚至是一个面。2规范性引用文件下列文件对于本

4、文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 9445-2015无损检测人员资格鉴定与认证GB/T 27025-2008检测和校准实验室能力的通用要求3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.13.2电热元件 electric heating element基于焦耳定律原理发热的元件。红外热成像仪 infrared imager基于红外检测原理，通过红外光学系统、红外探测器和电子处理系统等，将物体红外辐射能量转换成在二维坐标系中分配有测量所得温度的可见图像的设备。3.3（红外热成像仪）工

5、作波段 working band红外热成像仪的红外探测器的响应波长范围。3.4红外光谱透过率 infrared spectral transmittance红外线透过物体的辐射通量与入射到该物体表面上的辐射通量之比。3.5视场角 field of view；FOV物体在红外热成像仪中完整成像的水平角度和垂直角度。注：视场角通过水平视场角（HFOV，Horizontal Field of View），垂直视场角（VFOV，Vertical Field of View）和显示视场角（DFOV，Display Field of View）进行表示。各类视场角示意图可参见附录A中图A.1。3.6瞬时视

6、场 instantaneous field of view；IFOV1 NB/T 103082019红外热成像仪探测器的单个敏感元通过光学系统后所对应的空间光学角。也叫空间分辨率。注：瞬时视场角示意图可参见附录A中图A.2。3.73.8测量视场角 measuring field of view；MFOV红外热成像仪探测器可精准测得数据的最小的像素范围。发射率 Normal emissivity某一物体在一特定波长和温度下的发射辐射强度与理想黑体在相同波长和温度下所发射的发射强度之比。3.9背景辐射 background radiation由红外传感装置接收到的，非被检测表面所发射的全部辐射。注

7、：背景辐射包含外源反射辐射。3.10辐射亮度 radiance单位投影面积在单位立体角内的离源辐射通量。注：单位为瓦每球面度平方米W/(srm)。24测试目的和主要物理参数4.1电热元件用红外温度场分布测试的目的相较于接触式的单点温度测量法，红外温度场分布测试能够同时对整个发热源的表面温度进行测量，使用户能够了解电热元件的表面温度分布。同时由于红外温度场分布测试属于非接触式测量法，不必接触在工作时会出现高温的电热元件，从而让用户安全迅速获得温度场数据。本标准通过建立一系列标准化的基础测试方法，克服红外温度场测量不确定度较大的问题，使电热元件的红外温度场分布测试的数据尽量准确，并以此获得有效的电

8、热元件正常或异常工作情况下的温度场数据。4.2主要物理参数影响测量结果的主要物理参数：a)b)c)发射率，无量纲；波长，单位为微米（ m）；视场角，单位为弧度（rad）。5技术要求5.1环境要求5.1.1检测时应注意被检电热元件的温度状态，使人员和设备与之保持安全距离，以免烫伤或造成设备损坏。2 NB/T 1030820195.1.2测试环境应尽量避免背景辐射对测量造成误差。此外，亦应尽量避免包括太阳，照明用灯在内的光源导致测量产生误差。一般应遮挡阳光和关灯测试，或通过搭建封闭的无光非光面黑漆测试角或无风网箱来避免外源辐射干扰。5.1.3测量时红外热成像仪所处的环境温度和湿度不得超过其设计要求

9、，如确实需要靠近高温环境测量，应使用冷却装置保护红外热成像仪或通过红外窗口进行测试。5.1.4红外热成像仪的工作和储存环境均应避免静电，电弧焊机和强烈的电磁场的影响。5.1.5红外热成像仪的工作和储存环境还应满足其技术手册要求。5.1.6应注意测量环境中若存在高浓度的灰尘或烟雾，将使测量结果不准确。5.2人员要求5.2.1实施检测的人员应按GB/T9445-2015或合同各方同意的体系进行资格鉴定与认证，并由雇主或其代理对其进行职业专业培训和操作授权。5.2.2检测人员应遵守被检电热元件现场的安全要求，根据检测地点的要求穿戴防护工作服和佩戴有关防护装备。5.2.3除非具有持证电工、专业工程师或

10、其他同等资格，负责红外测温的人员不应执行通常由专业人员完成的电热元件的安装、调试、替换等任务。5.2.4本标准没有完全给出进行测量时的安全要求，使用本标准的各方有义务在测量前建立适当的安全和健康准则。5.3设备要求5.3.1红外热成像仪应有下列功能：a)应能检测被测电热元件表面的温度并生成红外热成像图或视频；应能采集到所测区域内的红外信息，进行测量并及时显示表面温度分布图像；应能快速准确地记录及存储图像、数据和文本注释。b)c)5.3.2应根据产品使用说明书或技术手册制定书面规程或作业指导书，对红外热成像仪进行周期性维护、校准、计量和检查，以保证仪器功能正常。5.3.3如有需要，实验室应配备黑

11、体辐射源标定箱在每次测试前对红外热成像仪进行校准及标定。无论红外热成像仪是否在工作中，均不得用强化能量源（例如激光辐射）照射红外热成像仪镜5.3.4头。5.3.5红外热成像仪使用完成后应立即关闭被打开的端盖或其他镜头保护装置，避免镜头受到污染或损坏。一旦镜头受到灰尘或油脂等污染，应根据产品使用说明书，对镜头进行清洁。5.3.6本标准中所指红外热成像仪均应具有超温温度报警功能。5.3.7应至少配备满足被测电热元件工作温度范围的热电偶用于测量电热元件的表面温度，该热电偶应至少每年进行一次校准或满足计量要求，并且该热电偶的测量精度应高于依据本标准规定使用的红外热成像仪测量精度，即该热电偶测量不确定度

12、应低于依据本标准规定使用的红外热成像仪的测量不确定度。3 NB/T 1030820195.3.8由于不同红外热成像仪的功能和性能差别较大，本标准仅对使用红外热成像仪测量时的通用要求进行规定。本标准不对测量过程中的异常情况进行解释和排除。6测试前准备程序6.1总则由于电热元件工作时一般会出现较高温度，故测试应首要遵循安全原则，应在每次测试前做好充分准备，确保测试过程中不出现人员伤害和设备受损。其次，准确的测试数据的获取是建立在测试前对被测电热元件和红外热成像仪的性能和功能有充分了解的基础上。最后，应根据被测电热元件和环境的变化，及时对测试设备和测试参数作出调整。6.2了解被测电热元件对于被测电热

13、元件应在测试前至少获取以下信息：a)b)c)被测电热元件的型号，输入电压和电流，加热介质，安装方式，工作模式；表面材料在红外探测器的响应波段的发射率；预计工作温度。6.3红外热成像仪的功能6.3.1红外热成像仪的测温范围应与被测电热元件的工作温度范围相匹配，且具有相匹配的适用条件，通过查阅相关的技术手册确定。推荐使用8 m14 m工作波段的红外热成像仪，并在条件允许的范围内，选择高热灵敏度的红外热成像仪。6.3.2为确定测试中将用到的红外热成像仪是否满足使用要求，测试人员应至少获取以下信息：a)红外探测器的响应波长；测温范围；b)c)d)e)f)测温精度，温度分辨率；镜头焦距或调焦范围；镜头视

14、场角参数；空间分辨率。6.4电热元件和测试设备的安装6.4.16.4.26.4.36.4.4电热元件的安装方式应便于红外热成像仪对被检部位的观测。根据被测对象的性质选择对应工作波段的红外热成像仪。每次测量前应通过适当的设备将电热元件和红外热成像仪进行固定。红外热成像仪应安装在电热元件最大辐射表面或待测表面的法线方向上，使观察方向正对电热元件的待测面。6.4.5对于红外热成像仪不能直接观察到的电热元件部位，通过适当的方法对该部位进行测量，如通过平面反光镜折射后观测。6.4.6对于工作时需要有导热介质协助散热的电热元件，应安装正常工作时器具的容器以盛放适当的水或其他介质进行散热，避免电热元件超过设

15、计的极限工作温度。4 NB/T 1030820196.4.7当测量需要使用红外窗口进行防护时，可参见附录B或其他相关工作手册，对红外热成像仪进行温度补偿和红外光谱透过率补偿。6.4.8当电热元件表面发射率较低时，应特别注意调节红外热成像仪和电热元件的位置，回避红外反射较强的角度，避免外源辐射的影响。6.5测量距离的调节6.5.1根据红外热成像仪镜头的焦距，视场角（FOV），瞬时视场（IFOV）和测量视场角（MFOV）等参数，调节红外热成像仪光学镜头与被测元件的相对距离，使红外热成像仪在安全距离允许范围内尽量靠近被测电热元件，以提高红外热成像仪对被测电热元件表面细节的分辨能力及测温精度。视场角的

16、调节计算可参见附录A。6.5.2当被测区域较大或结构为细长形时，应通过多次较近距离的局部拍摄分别获得被测元件的温度场信息。6.6温度校正6.6.1焦距调整通过转动红外热成像仪的外部镜头环或使用电子调焦功能来调整图像的焦点，使图像达到清晰。6.6.2发射率调整6.6.2.1材料属性设置法当测量只是用于初步判定，对温度测量精度无要求时，可以通过查询电热元件表面材质发射率的方法，进行发射率快速设置。不同材质的发射率可参见附录C和附录D。该两附录中的数值仅为平均值，材料的实际发射率还取决于以下因素：a)b)c)温度；表面构成（如抛光，氧化，粗糙，喷砂等）；透射率（如薄膜）。注：测量角度，材料表面的几何

17、形状，材料的厚度，测量的光谱范围，高温条件下电热元件表面氧化或其他化学反应等因素在一定条件下也能对发射率产生影响。一般情况下，非金属具有比金属高的发射率；非氧化金属具有比氧化金属更低的发射率；粗糙表面具有比相同材料的抛光表面更高的发射率。6.6.2.2接触测量对比设置法在被测电热元件较为平整的部位布置接触式温度计（如热电偶）或接触式传感器。将电热元件调整到温度发热状态，用温度计或传感器读取发热温度。同时用红外热成像仪测量该部位布点附近温度，调节发射率参数，直到显示温度与温度计或传感器的测量温度一致。保留此发射率参数作为该材质发射率。测量前应预估电热元件的发热温度，选择合适测量范围的热电偶类型。

18、6.6.2.3贴塑对照法如图1左图所示，测量前，将特殊材质塑料贴纸紧密贴合于被测元件的待测发热面上。5 NB/T 103082019测量时，将发射率设置为贴纸的发射率，如图1右图所示，获取贴纸的温度后记录下来。随后，查看与贴纸相邻区域的温度，并调整发射率，使未贴纸区域的测量温度值与记录下的贴纸温度相同，此时的发射率即为待测电热元件该区域的发射率。测量时，电热元件应处于温度恒定状态。此方法适用于表面平整，温度分布均匀的电热元件。应注意选择合适类型的贴纸以承受电热元件发热时的高温。图1贴塑对照法示意图6.6.2.4喷涂法测量前，在电热元件待测表面均匀喷涂丙烯酸树脂漆或其他不导电的粉末，设置发射率为

19、该涂层发射率。此方法适用于电热元件表面为抛光或有锈蚀层等发射率不一致情况时的测量。6.6.3透射率修正根据测试环境温度、湿度和粉尘颗粒物浓度情况，调整大气透过率参数。一般日常室内生活环境可设为1，不同波段大气透过率修正参数可参见附录E，其余特殊环境条件可查阅相关技术手册。6.6.4背景辐射温度校正红外热成像仪测量不透明物体时检测到的热辐射是物体发出的热辐射和背景辐射的组合。应以某种方式补偿背景辐射或降低背景辐射，以获得准确的测试数据。一般情况下，背景辐射补偿可以通过设备自带功能自动处理完成。如果环境温度与被测电热元件相等或更高（如电热元件在高温炉内），则背景辐射的影响非常大。通过建立符合5.1

20、.2要求的测试环境，可以最大限度地减少背景辐射。6.7常见特殊情况处理6.7.1当被测电热元件表面材质不均匀，存在大面积疏松的锈蚀层，或表面发射率低于0.5等情况时，应尽量采用6.6.2.4的方法进行处理，以避免外源反射干扰和统一发射率。6 NB/T 103082019在6.6.2.26.2.2.4的方法中，可以通过重复多次测量取平均值以降低测量不确定度。6.7.26.7.3材质的发射率随温度变化而变化的幅度较大时，应考虑增加发射率的温度修正系数，以保证测量精度。6.7.4部分红外热成像仪提供温度偏移表进行校准。在这种情况下，用户应进行手动计算以获取更准确的温度。6.7.5如果被测过程会经历露

21、点或霜点，则电热元件表面的发射率可能会发生变化。如果表面完全被露水覆盖，则表面将具有在表面上形成的液态水的发射率。如果表面完全被霜覆盖，则发射率将是霜的发射率。7测试和拍摄7.17.2测试时，应尽量避免移动、调整、接触工作状态下的电热元件。电热元件在被测工作状态下工作（如温度上升或稳定发热状态），红外热成像仪根据所需测量的时机适时启动拍摄，记录红外热像照片或摄录红外视频。拍摄前后可切换功能，拍下被测电热元件部位的可见光照片。7.3对于多面结构的电热元件，从一个方向获取的不同发热面的辐射亮度不同，应调整拍摄角度至相应法线方向后再次拍摄或通过下述方式换算后，并记录换算过程和数据。参照图2，按照式（

22、1）可计算对应角度的辐射亮度。图2辐射亮度示意图（1）式中：d投影面积为 dAcos的源发射到立体角 d内的辐射通量；面积元 dA的表面法线与观测方向之间的夹角。7.4对于无法在一次拍摄中被测部分全部清晰成像的结构较为复杂的电热元件，可按6.5.2的方法，调节电热元件的拍摄角度，重复上述步骤，拍摄多张照片后对比选取最高温度点。7 NB/T 1030820197.5当需要在测试视场中同时体现环境温度时，可在电热元件附近布置与发热元件被测部位相同发射率的材料片，并采取适当的方式隔绝电热元件对材料片热传递。测得的材料片温度可视为环境温度。7.6测试时应充分利用红外热成像仪的有关功能达到最佳测试效果，

23、如图像平均，自动跟踪等。8后处理8.1图像要素红外成像图应至少包含以下必要的要素：a)b)调色板-色度；有时序关系的热图应包含时间序列。8.2图像分析通过红外热成像仪后期处理软件，对拍摄到的红外热像图进行处理。使用软件的自调节功能，或人工设定调色板的内温度的缩放比例，使被测区域的温度分布既能全部显示，又能显示出分布差异。需要计算电热元件发热均匀度时，按照附录F方法进行计算。9测试报告9.1测试报告的组成检测报告至少应包含以下信息：a)b)c)d)e)f)g)h)i)红外热成像仪型号、设备编号、镜头规格、测温范围、工作波段、温度分辨率等；检测软件名称、检测设置文件名称及数据文件名称；被检电热元件

24、的型号规格，表面状态，检测时机，红外发射率等；执行标准号（文件）和（或）参考标准号；测量环境的温度，湿度，及其他有必要描述的信息；检测过程和数据分析解释；红外热成像图和对应的可见光照片；检测结果的评定；测试，编制，审核和批准人员的资格、签字及日期。注：记录温度场动态变化的影像可作为附件额外保存。9.2检测记录、报告和资料存档应根据GB/T 27025-2008建立完善的管理体系。8 NB/T 103082019AA附录 A（资料性附录）视场角的图示A.1视场角示意图视场角示意图参见图A.1。图A.1视场角示意图A.2瞬时视场角示意图瞬时视场角示意图参见图A.2。图A.2瞬时视场角示意图9 NB

25、/T 103082019附录 B（资料性附录）聚乙烯材质红外窗口红外吸收光谱图聚乙烯材质红外吸收光谱图见图B.1。图B.1聚乙烯红外吸收光谱图10 NB/T 103082019附录 C（资料性附录）常用电热元件外层材质发射率常见金属材质在8m14m波段发射率见表C.1。表C.1常见金属材质8m14m波段发射率材质铝表面状态非氧化抛光发射率0.020.10.020.10.10.30.20.40.010.050.3粗糙氧化抛光黄铜粗糙氧化0.5抛光0.03铜粗糙0.050.10.40.80.30.80.15氧化Haynes合金铬镍铁合金-电抛光喷砂0.30.60.70.950.050.20.50.70.50.90.9氧化非氧化生锈铁氧化锻造，钝化非氧化氧化0.2铸铁Monel（镍铜）合金镍0.60.950.10.140.050.150.20.50.1-电抛光氧化抛光无锈迹厚钢板冷轧0.10.80.40.60.70.90.70.90.050.20.50.6钢钛氧化光滑氧化11 NB/T 103082019BB附录 D（资料性附录）常见非金属材质发射率常见非金属材质在8 m14 m波段发射率见表D.1。表D.1常见非金属材质8m14m波段发射率材质石棉表面状态发射率0.95