新型模式紅外熱成像測溫系統設計與實現

譚振鵬

（廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000）

0 引 言

隨著科學技術的快速發展，溫度監測逐漸變成了保證電力系統穩定運行的重要手段，有諸多電力設備故障的發生原因都與溫度過高有直接關系。紅外成像測溫技術憑借自身優勢在電力設備中得到了廣泛應用，同時也在電力系統中發揮了巨大作用。文章以傳統紅外成像儀器設備自身存在的缺點為基礎，開發了新型紅外成像測溫系統，同時在電力設備中對系統進行準確測試。

1 新型紅外線成像測溫系統設計特點

新型紅外成像測溫系統與傳統紅外溫測裝置相比優勢凸顯，其信息交互能力、經濟性、可移植性、工作模式隨機切換性以及測溫準確性在電力設備運行中均獲得了廣泛應用，詳情見圖1所示。

圖1 新型紅外線成像測溫系統特點

2 新型紅外成像測溫系統研制

新型紅外成像溫測系統的核心裝置為紅外測溫傳感器，其主要作用是利用電力設備熱輻射捕捉生成熱像圖，為后面數據分析提供參考。為了監測現場溫度數據，可連接智能終端與傳感器來完成熱像圖的處理分析。在線監測傳感裝置主要作用是實現后臺軟件控制功能，不僅包括對數據信號的采集與處理，還可實時監控報警，充分體現了傳感器的綜合管理控制功能。

2.1 新型紅外測溫傳感器

監測系統主要部分為新型紅外測溫傳感器，制冷與非制冷型探測器是目前紅外成像的重要組成。在電力系統運行過程中，新型紅外測溫傳感器主要負責信號之間的隨機切換，并根據電力現場對溫度監測的需求，從設備便攜性進行考慮。紅外測溫傳感器結構如圖2所示。

圖2 紅外測溫傳感器結構框架

據圖2所示，驅動板重要組成部分分別為AD轉換模塊、溫度控制以及偏置電壓模塊，而FPGA板則包括SRAM、FPGA模塊以及配置電路3部分。

2.2 在線監測交互控制裝置

內存、電源管理、處理器以及通信模塊是在線監測交互控制模塊的主要組成部分。若紅外成像測溫系統需要通過在線監測平臺進行工作時，要先連接USB接口與該監測裝置，然后傳輸并儲存獲取的數據。FPGA是用來處理傳輸的紅外圖像，然后通過處理器將其進行展示[1]。移動通信模塊可以支持紅外傳感器對電力設備疑似故障或特定設備故障進行監測，并上傳其數據。在線監測交互控制模塊如圖3所示。

圖3 在線監測交互控制模塊

2.3 紅外測溫終端APP設計

為了實現紅外測溫終端的便攜性，可將智能設備與紅外測溫系統進行融合設計，將智能終端與紅外測溫傳感器利用USB接口相連接，然后再啟動紅外測溫App，即可完成。紅外測溫App的設計主要包括用戶功能層、核心功能層以及基礎功能層，每一層都由不同的模塊組成，各個模塊之間既可以相互聯系協同工作，又可以發揮自身功能。其核心功能為App的主干功能，通過分析紅外測溫發出的需求數據，設計滿足電氣設備的測溫需求。

2.4 PC端后臺軟件

PC端后臺軟件實現了對電力設備運行狀態的評估，具體包括對電氣設備溫度的遠程監測、報警以及預警等功能[2]。在電力現場的維修和生產過程中，智能終端或監控中心可利用PC軟件優勢實時監控現場，并查看和分析歷史數據，同時還可以查看當時的紅外成像等，促使監測手段更加靈活。

3 新型紅外測溫系統性能測試

3.1 實驗室測試

根據Stefan-Boltzmann Law來設計紅外測溫系統精確度的測試實驗[3]。電力系統在正常運行情況下的黑體灰度曲線如圖4所示，環境溫度不同下的黑體溫度利用紅外傳感器灰度值與其進行擬合，達到溫度-灰度關系。

圖4 黑體定標溫度-灰度曲線

環境溫度為48 ℃的測溫結果如表1所示，環境溫度為37 ℃的測溫結果如表2所示。通常紅外測溫傳感器在對目標區域的溫度進行輻射采集時，周圍環境有溫度輻射并出現雜散紅外輻射的現象，致使采集到的灰度值與實際輻射之間存在一定誤差，這也就是為什么會出現測溫誤差。誤差曲線如圖5所示，根據測試數據與曲線圖可充分體現新型紅外測溫傳感器測溫的精確度能夠在電力設備實際生產運行中，滿足設備對測溫提出的需求，測溫誤差值在±2 ℃時，完全符合電力設備工作要求。

表1 環境溫度為48 ℃測溫結果

表2 環境溫度為37 ℃測溫結果

圖5 測溫誤差曲線

3.2 現場對比測試

本文為了驗證新型紅外測溫系統的各部分性能參數及可行性，采用Flires56手持式紅外熱像測溫儀作為參照，并在現場對桐柏抽蓄電站四號主變的C相套管開展實例測試[4]。通過測試結果證明了新型紅外測溫系統與FlireS56測溫設備所測出的溫度結果沒有差異，同時新型紅外測溫系統可利用裝有測溫App的智能設備來凸顯該系統對數據的傳輸、儲存以及顯示功能，不僅攜帶方便，而且操作起來非常簡便[5]。

在線監測控制裝置在電力設備實際生產環境中的可用性，也可通過設計相關實驗進行驗證。在線監測控制裝置在模式切換及測量方面操作較為簡單，可充分利用后臺軟件對紅外測溫傳感器測溫現在進行布置，并通過連接移動網絡來控制紅外測溫終端系統[6]。

4 結 論

全文以傳統測溫裝置為基礎，設計研發新型紅外測溫系統。該系統主要由PC端后臺軟件、紅外傳感器以及智能移動終端等3部分構成。通過設計實驗對新型紅外測溫系統進行測試，其測試結果充分滿足了現階段電力設備對測溫裝置的需求，如監測范圍、測溫結果是否準確、靈活性、可移植性以及成本低等，并且可利用移動終端與紅外測溫系統的相互連接，實現數據的傳輸、分析以及儲存。