在線式接觸網(wǎng)紅外測溫裝置測溫誤差分析

周 吉

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在線式接觸網(wǎng)紅外測溫裝置測溫誤差分析

周 吉

結(jié)合在線式接觸網(wǎng)紅外測溫裝置的工作原理和特點，通過實際測試數(shù)據(jù)驗證了測溫距離和鍺窗口透過率對測溫誤差的影響，提出測溫誤差矯正補償方法，以提高供電檢測精確度，從而指導(dǎo)鐵路供電設(shè)備的檢修維護，提高設(shè)備運行質(zhì)量。

接觸網(wǎng)測溫；誤差分析；矯正補償

0 引言

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所、接觸網(wǎng)、電力機車3部分構(gòu)成。牽引變電所將來自國家電網(wǎng)的110 kV、220 kV高電壓降為27.5 kV，并以單相電的形式輸送至接觸網(wǎng)為電力機車供電；接觸網(wǎng)是架設(shè)在鐵路線路上空，向電力機車供給電能的一種特殊形式的輸電線路；而電力機車則依靠自身攜帶的受電弓與接觸網(wǎng)滑動摩擦接觸獲取接觸網(wǎng)輸送的電能作為能量，由機車上的牽引電機驅(qū)動機車行進。

在線式接觸網(wǎng)紅外測溫裝置（以下簡稱測溫裝置）安裝在電力機車上，實現(xiàn)對接觸網(wǎng)關(guān)鍵零部件進行實時溫度測量，并對高溫異常缺陷進行自動檢測監(jiān)測。該裝置采用紅外相機對接觸網(wǎng)實現(xiàn)全天候、全工況、非接觸式溫度測量，具有遠(yuǎn)距離、不停電、不接觸、直觀、快速、安全、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點[3]。研究該紅外測溫裝置的測溫誤差影響因素，并進行針對性矯正補償，可全面提高接觸網(wǎng)溫度測量的準(zhǔn)確性，有利于指導(dǎo)鐵路供電設(shè)備檢修維護，提高設(shè)備運行的可靠性。

1 測溫裝置的工作原理

自然界中的任何物體，只要溫度高于絕對零度（-273 ℃），就會以電磁波的形式向外輻射能量。當(dāng)物體的溫度在1 000 ℃以下時，熱輻射最強的是紅外輻射。高壓電氣設(shè)備發(fā)生故障時，會向外輻射一定的紅外熱量[2]，因此利用紅外相機（紅外熱像儀）對鐵路接觸網(wǎng)進行溫度測量從而達到檢測故障的目的是可行的[11]。

測溫裝置主要由護罩、紅外鍺窗口、紅外相機等構(gòu)成。其典型應(yīng)用是安裝在電力機車的車頂（圖1），隨著列車的運行，實現(xiàn)對鐵路沿線接觸網(wǎng)區(qū)域的實時溫度測量，并對其中的典型高溫異常缺陷進行自動監(jiān)測報警。接觸網(wǎng)設(shè)備諸如接觸線、吊弦線夾、絕緣子、錨段、分段絕緣器等向周圍環(huán)境輻射能量，能量通過空氣傳輸，穿過紅外鍺玻璃，進入紅外相機內(nèi)部。之后，該部分輻射的能量被紅外探測器（sensor）接收，通過光電（熱電）轉(zhuǎn)換，能量信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過A/D采樣量化以及必要的濾波處理，轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，最終以紅外圖片的形式輸出。測溫裝置的工作原理[5，6]如圖2所示。

2 測溫誤差影響因素分析

由物體發(fā)出的紅外輻射在穿過大氣到達紅外相機測量系統(tǒng)時會發(fā)生衰減，其衰減主要來自氣體分子（二氧化碳、硫化物、氮氧化合物、水蒸氣等）和各種微粒（塵埃、雨、雪等）的吸收和散射[2]，氣體分子吸收輻射，微粒散射輻射。衰減使得物體發(fā)出的紅外輻射無法全部進入到測溫裝置，被測物體與測溫裝置之間的距離越遠(yuǎn)，輻射衰減越嚴(yán)重，測溫裝置的測溫誤差越大。

圖1 在線式接觸網(wǎng)紅外測溫裝置示意圖

圖2 測溫裝置工作原理

為驗證測溫距離對測溫精度的影響，采用經(jīng)國家計量單位校準(zhǔn)的黑體作為標(biāo)準(zhǔn)熱源，測溫裝置位于不同距離的工作位置時，采集黑體靶面中心測量的平均溫度值。另外，為了使紅外相機能夠準(zhǔn)確聚焦、清晰成像，測溫裝置根據(jù)不同測溫距離，適配相應(yīng)焦距的鏡頭。采集的測試數(shù)據(jù)如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可以看出，測溫距離越長，溫度誤差越大。

從圖2中不難發(fā)現(xiàn)，物體輻射的熱量在進入到相機之前，必須透過護罩外的紅外鍺材料光學(xué)窗口。紅外鍺窗口作為一種光學(xué)玻璃器件，在紅外輻射透過的同時，必然會發(fā)生散射、折射甚至吸收部分能量[4，7]。因此，鍺窗口的透過率會影響測溫裝置的測溫精度[8，9]。為了驗證鍺窗口透過率對測溫精度的影響，選擇使用年限不同的幾種鍺窗口安裝在測溫裝置護罩上，并在5 m遠(yuǎn)工作位置處放置黑體進行測溫對比測試，測試結(jié)果如表2所示。由表2可知，使用年限越長的鍺窗口，測溫誤差越大。

表1 不同測溫距離對測溫結(jié)果的影響 ℃

表2 不同使用年限的鍺窗口測溫結(jié)果對比 ℃

3 測溫裝置誤差矯正補償

根據(jù)上一節(jié)的描述和相關(guān)試驗數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，影響測溫裝置測溫誤差的因素為被測目標(biāo)與測溫裝置的距離及鍺窗口透過率。因此，接觸網(wǎng)上被測目標(biāo)的真實溫度可以表示為

=0+(1) +(2) （1）

式中，0為相機實際測量的溫度；(1)為對測溫距離造成誤差的補償；(2)為對鍺窗口透過率造成誤差的補償。

針對不同工作距離引起的測溫誤差，根據(jù)表1統(tǒng)計測溫裝置在不同工作距離下的測溫誤差，繪制得到圖3所示的二維折線圖。

圖3 不同距離的測溫誤差

顯然，測溫距離不同造成的測溫誤差，其補償矯正(1)可用一個線性函數(shù)表示，即

(1) =+（2）

不同測溫距離對應(yīng)的測溫補償矯正函數(shù)的參數(shù)略有區(qū)別，根據(jù)表1和圖3中對應(yīng)的數(shù)據(jù)，利用函數(shù)擬合可以給出5～11 m測溫距離內(nèi)的和這2個參數(shù)的取值，如表3所示。實際測溫矯正補償過程中，根據(jù)該表格查找測溫裝置工作距離對應(yīng)的參數(shù)即可。根據(jù)測溫裝置的實際應(yīng)用，不存在測溫工作距離低于5 m或超過11 m的情況。如果在實際應(yīng)用過程中，受到電力機車車頂安裝空間等因素的限制，測溫裝置的實際工作距離無法在表3中查找到，則需要利用分段線性插值的方法進行計算，即

式中，D和D+1代表測溫裝置實際工作距離處于表3的上下區(qū)間范圍，k和k+1表示上下區(qū)間對應(yīng)的距離誤差補償參數(shù)。

針對鍺窗口透過率引起的測溫誤差，根據(jù)表2統(tǒng)計測溫裝置配置不同使用年限的鍺窗口所引起的測溫誤差，得到圖4所示的二維折線圖。

表3 測溫距離誤差矯正補償參數(shù)

圖4 不同使用年限的鍺窗口測溫誤差

根據(jù)表2和圖4中的相關(guān)數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)鍺窗口透過率引起的測溫誤差可以表示為

(2) = (1-)（5）

其中，紅外鍺窗口透過率定義為

式中，1為未使用鍺窗口遮擋的情況下，紅外相機測量的黑體溫度；2為使用鍺窗口遮擋情況下，紅外相機測量的黑體溫度。

對表2所使用的幾種鍺窗口的透過率進行測量，結(jié)果見表4。

表4 鍺窗口透過率對比分析

綜合以上計算式，被測目標(biāo)的真實溫度可表示為

綜上所述，對測溫裝置測溫結(jié)果進行溫度矯正的步驟如下：

（1）根據(jù)測溫裝置的工作距離，參考表3選取相應(yīng)的距離矯正系數(shù)和；

（2）測量鍺窗口透過率，計算方法見式（6）；

（3）將相應(yīng)的參數(shù)代入式（7），計算得到被測目標(biāo)的真實溫度值。

為了驗證以上溫度矯正補償方法的實際效果，隨機選取了測溫距離分別為5、7、9、11 m，鍺窗口使用年限在0～5年之間的測溫裝置，其進行溫度矯正之后的測溫結(jié)果如表5所示。由表5數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過矯正補償后的測溫結(jié)果其誤差值大大降低，不同距離的測溫最大誤差值均在2 ℃以下，滿足《車載接觸網(wǎng)運行狀態(tài)檢測裝置（3C）暫行技術(shù)條件》和《接觸網(wǎng)供電設(shè)備地面監(jiān)測裝置（6C）暫行技術(shù)條件》中測溫精度±2 ℃的相關(guān)要求。

表5 經(jīng)過矯正補償?shù)臏y溫結(jié)果 ℃

4 結(jié)語

本文根據(jù)在線式接觸網(wǎng)紅外測溫裝置的應(yīng)用場景和工作原理，分析并試驗了測溫裝置誤差主要影響因素為測溫距離和鍺窗口透過率。結(jié)合接觸網(wǎng)紅外測溫裝置的實際應(yīng)用情況，通過相關(guān)分析，給出測溫裝置的溫度矯正補償計算方法，并對矯正補償效果進行測試。測試結(jié)果表明，該溫度矯正補償方法實用有效，可提高測溫的精確度。

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With connection to the working principles and characteristics of online OCS infrared temperature measurement device, and with analyzing the influences to the temperature measurement error caused by the distance for temperature measurement and window of transmittance of germanium on the basis of practical tested data, the corrective and compensative method for temperature measurement is put forward so as to improve the power supply inspection accuracy, guide the inspection and maintenance of railway power supply equipment and improve the equipment operation quality.

Temperature measurement of OCS; analysis of error; correction and compensation

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.013

U226.8

B

1007-936X(2018)05-0047-04

2018-03-26

周 吉.中國鐵路太原局集團有限公司供電處，工程師。