淺談一種關于開關柜紅外測溫的方法

羅文清 蔡嗣焜 黃永州 陳小鑫 吳鶴雯

【摘 要】開關柜作為電力系統(tǒng)重要的供電設備，其運行穩(wěn)定性直接影響電力系統(tǒng)的正常運行，而其常因內部觸頭發(fā)熱導致開關柜爆炸。本文利用物體表面向外輻射的紅外能量，將紅外能量轉換為溫度信號，實現(xiàn)對開關柜溫度的監(jiān)測。在紅外測溫技術研究的基礎上，對開關柜紅外測量方法進行了探究，并給出了矩陣式紅外測溫儀的設計過程以及紅外探測器、數(shù)據(jù)信號處理的設計方法，對所產生的溫度誤差進行了原因分析，并提出了改進措施。

【關鍵詞】紅外測溫；開關柜；云臺；探頭；

一、紅外測溫的基本原理

紅外測溫的原理是利用紅外技術及相關領域的理論，即任何物體高于絕對零度時都會向外界輻射紅外線，其波長為0.76到1000微米。從規(guī)律上來看，紅外線與普通光線一樣，都是客觀存在的，具有電磁波性質。由于紅外輻射隨波長與溫度的變化有一定的規(guī)律，因此可以利用物體輻射的紅外線測量物體的表面溫度，根據(jù)物體發(fā)出的紅外輻射能量，利用紅外透鏡實現(xiàn)能量的聚焦，并將這些能量匯集到探測器上，由探測器將信號轉為模擬信號，經過放大，濾波處理之后，得到與物體輻射強度成一定關系的溫度信號，再通過數(shù)字信號輸出完成溫度檢測。

二、矩陣式紅外測溫儀的總體設計

該測溫裝置采用紅外測溫探頭，基本軟硬件架構由數(shù)模轉換電路、人機交互、溫度判斷邏輯及Zigbee收發(fā)電路組成，所獲取的數(shù)據(jù)通過Flash、RAM芯片存儲起來，便于后期數(shù)據(jù)查詢與調取。在硬件設備上，CT取電裝置是電源模塊的核心裝置，通過取電保護電路來滿足裝置供電系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行。硬件架構圖如圖1所示。

矩陣式測溫儀是集合微電子、光學、精密機械、溫度測量、數(shù)據(jù)處理等技術為一體的現(xiàn)代科學技術，在溫度定標時采用替代法，能夠克服當前市場上紅外測溫儀輻射率的修正問題。而本文所設計的新型紅外測溫儀能夠效仿非制冷紅外熱像儀，探頭結構將測溫儀探頭矩陣化，其探頭矩陣元可以根據(jù)用戶需求來確定，探頭矩陣元數(shù)遠小于傳統(tǒng)紅外熱像儀。另外，還可選擇普通半導體光學材料加工成矩陣式探測器，這樣可以大大降低成本。圖2給出了矩陣式紅外測溫探頭的基本結構，由光學系統(tǒng)、探測器陣列、模擬放大電路、模數(shù)轉換單元與信號輸出編碼構成。

從性能指標上來看，該矩陣式紅外測溫儀的核心部位是矩陣紅外探頭。其作用是將接收到的紅外輻射能量轉為模擬信號。模擬信號經過放大倍率后再轉換為數(shù)字信號，利用軟件對數(shù)據(jù)進行處理、運算，最后生成可以反映物體表面溫度分布情況的溫度陣列表，通過算法進一步確定測量區(qū)域溫度，平均溫度等信息，具體的測溫范圍可由0到500℃，響應時間為5毫秒。紅外探測器探頭的性能參數(shù)經過修正后，測試合格才可以投入使用，調整好光路后，將矩陣式探側器放在合適位置，調節(jié)調壓變壓器，改變白熾燈溫度，利用靈敏度較高的臺式電流表測量其電流變化，通過測試可以得到測試電流與所得實際溫度值呈線性關系，具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

三、紅外測溫儀信號處理的相關設計

數(shù)字信號處理系統(tǒng)是紅外測溫系統(tǒng)中的重要組成部分，數(shù)字信號處理部分是該測溫儀的軟件部分。紅外輻射溫度探測器可以輸出數(shù)字信號，該數(shù)字信號處理系統(tǒng)包括前置放大、主放大、濾波、多路傳輸?shù)炔糠郑趩纹瑱C的控制下有序完成信號采集工作。從系統(tǒng)軟件上，可以通過數(shù)據(jù)處理以及上位機進行溫度顯示，而數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所完成的功能包括放大、濾波、中斷服務、串口通信、信號采集等，上位機溫度測量界面的顯示則由VC++編程來實現(xiàn)，用戶界面采用菜單和對話框的交互界面來完成。相比之下，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是通過硬件來實現(xiàn)的，需要軟件編程對系統(tǒng)進行命令控制，然后才能完成數(shù)據(jù)的采集，轉換和處理，由于c語言是一種可讀性強，可移植性較好的編程語言，運行維護簡便，利用c語言對單片機編程可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號轉換。通過完成單片機編程，能夠對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊發(fā)出命令，控制模塊執(zhí)行功能。在單片機控制下，通過轉換器將模擬信號轉換為數(shù)字信號，使采集到的信號存于單片機中，在數(shù)據(jù)處理的過程中由矩陣式探測器經過濾波和放大后，通過采集模塊將模擬信號轉為數(shù)字信號并輸出，在單片機控制下將溫度信號儲存于指定位置。當數(shù)據(jù)采集完成后，通過串口通信顯示在上位機上。具體的程序流程如下圖4所示。

上電完畢后主控制程序進行初始化，讀取外部設置參數(shù)，自檢正常后匹配Zigbee參數(shù)，進入測溫模式。完成所有信號采集之后，在單片機中進行數(shù)據(jù)處理，將處理好的數(shù)據(jù)儲存于Flash中，通過串口信號將數(shù)據(jù)顯示到上位機的指定模塊，以實現(xiàn)對溫度的處理和顯示。I/O數(shù)據(jù)采集包括選擇采集通道、數(shù)據(jù)采樣控制和數(shù)據(jù)讀取。數(shù)據(jù)處理是從AD轉換器收集數(shù)據(jù)后并處理，再將數(shù)字轉化為可通過串口通信傳輸?shù)男问健Ｓ捎谶@部分數(shù)據(jù)量較大，因此需要將數(shù)據(jù)先儲存在RAM中，再存儲到Flash芯片內，再通過Zigbee或者串口傳輸?shù)缴衔粰C中。

四、誤差分析

圖5與圖6給出了本次試驗中的溫度測量信息與不同溫度下的溫度誤差。由于無法在完全理想的狀態(tài)下進行紅外測溫系統(tǒng)設計，因而很難避免測量誤差，考慮溫度測量并非對物體表面直接進行測量，而是通過物體發(fā)出的輻射能來獲取數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)有研究結果，物體的周圍環(huán)境因素，測量距離，發(fā)射率等原因都會導致其產生誤差。基于理論分析，我們認為該系統(tǒng)產生的誤差來源主要是由于探測器靈敏度，穩(wěn)定性及探測率等因素。不同探測器之間存在一定的測量誤差，硬件系統(tǒng)在設計時由于各部分測量精度不一致，也會產生誤差。根據(jù)上述誤差產生的原因分析，為了能夠提升系統(tǒng)測量精度，減小誤差，可以在設計的各個階段都進行完整的性能測試，以提高整體測量精度。在設計系統(tǒng)硬件部分時需要進行硬件匹配，考慮添加相應的溫度補償電路，來減少誤差。

小結

本文針對矩陣式紅外測溫儀的設計進行總體闡述，在基本理論上進行詳細分析，給出其探測器信號處理的具體設計方案，在數(shù)據(jù)信號系統(tǒng)設計時發(fā)現(xiàn)，探測器及信號設計處理部分是系統(tǒng)的核心部分，探測器性能直接影響系統(tǒng)的整體性能，而信號系統(tǒng)設計會影響最終的測量精度。由于受到多種因素的影響，一定程度上影響測量數(shù)據(jù)的精度，需今后研究學者進一步分析設計開關柜的紅外測溫信號處理系統(tǒng)，以提升整個測溫性能。

參考文獻：

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[3]鄒小勇.應用于數(shù)字化MNS低壓開關柜的紅外測溫模塊設計[J].機電技術，2018（2）：40-41.

作者簡介：

羅文清：男，1991年出生，電力工程助理工程師，主要研究方向：變電設備檢修與監(jiān)測。

（作者單位：國網(wǎng)福建省電力有限公司漳州供電公司）