紅外熱像儀測溫精度的影響因素

蔣張威

摘要：紅外熱像儀在換流站內廣泛應用，具有不接觸、不停運、不取樣、不解體的“四不”優點。本文以FLIR P640紅外熱像儀測量換流閥TFM板均壓電阻為例，充分結合理論分析和測溫實例，分析了發射率、測試環境、大氣條件、測量距離、測量角度等對紅外測溫的影響，對提高紅外測溫精確度及現場故障分析具有積極意義。

關鍵詞：紅外熱像儀;紅外測溫;熱輻射

中圖分類號：TP79? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

電氣設備紅外測溫技術對換流站電氣設備的安全運行具有重要的意義。電氣設備產生故障的物理機制涉及電、磁、熱、力等方面，但大多數故障可通過溫度為具體表象呈現出來，因此溫度是檢測電力設備運行是否正常的一個非常重要的參數。通過對設備發熱情況的分析，可及時發現缺陷，防止惡化。

相比于常規的感溫貼紙、熱電偶等接觸式測溫，紅外熱像儀測溫有不接觸、不停運、不取樣、不解體的“四不”優勢。因此，紅外測溫技術在換流站中得到了廣泛應用。換流站內電機、軸承、變壓器、母線、板卡等關鍵敏感設備的日常巡檢等均離不開紅外熱像儀。紅外熱像儀使用簡單方便，但仍有多種因素影響測量結果的準確性[1]。

1? ? 紅外測溫的原理及儀器構成

1.1 黑體輻射

當物體表面溫度高于絕對零度就會發射出紅外輻射，被測物表面的溫度將直接影響其紅外輻射能量的強弱及能量按波長的分布。因此，我們可以通過測量物體的紅外輻射，得到物體的表面溫度及分布情況。

對于理想的輻射源—黑體而言，輻射能量與溫度的關系符合普朗克定律，即：

式中：Pb（λT）—波長為λ，熱力學溫度為T時黑體單位面積紅外輻射功率，W/（cm2·μm）;

C1—第一輻射常數，C1=37145W/（cm2·μm） ;

C2—第二輻射常數，C2=1.4388cm·K;

此公式可得出如下曲線。

從圖1中曲線可以看到，伴隨著物體溫度的上升，輻射能量增強，這是紅外輻射理論的出發點，也是紅外熱像儀的根本設計依據[2]。

同時，根據史蒂芬-波爾茲曼定律，物體紅外輻射的總功率與溫度的關系為：

P=εδT4

式中：P—物體紅外輻射的功率，W·m-2;

T—物體的熱力學溫度，K;

ε—物體表面紅外發射率;

δ—史蒂芬-波爾茲曼常數，5.67×10-8W/（m2·K4）。

根據史蒂芬-波爾茲曼定律，不難發現，物體紅外輻射的能量水平和其熱力學溫度的四次方及物體的表面輻射率成正比。溫度越高，紅外輻射越強，物體溫度的細微改變將顯著影響物體紅外輻射強度。因此可以通過測量物體的紅外輻射，得到物體的表面溫度值。

1.2 紅外熱像儀的組成

不同生產廠家、不同型號的紅外熱像儀因適用場景不同，外觀設計及內部構成也不同，但其主體結構大同小異，主要部件由光學成像系統、紅外輻射傳感器、數字信號處理回路和顯示器等組成。其中的光學系統主要決定了測溫儀視場的范圍的大小[3]。

根據上述原理，紅外熱像儀利用其自身所具有的光學系統，匯聚其視場內的輻射能量，通過一定的光譜過濾后獲得紅外輻射并將被測物體的紅外輻射分布情況聚焦在紅外傳感器上，在傳感器上將紅外輻射能量大小及分布轉換為相應的電信號。電信號在數字信號處理回路中通過一系列的復雜處理后，在顯示器上將紅外熱像以偽彩色圖像或灰度圖像的形式呈現被測物體的溫度分布情況。詳見圖2。

2? ? 影響測溫結果因素

測溫過程中的多種因素都將對測量結果產生影響。因此，作為運維人員有必要了解紅外熱像儀內工作原理、測量方法、參數設置，通過采用較優的測量方法、準確的參數設定及對結果的后期分析修正獲得更加精確的溫度數值。本文將以FLIR P640紅外熱像儀測量換流閥TFM板均壓電阻為例，選取不同條件下的7個測溫點作為樣本，討論物體發射率、測量環境、大氣條件、測量距離、測量角度等因素對測溫精度的影響。

2.1 物體的發射率

物體散發的紅外輻射功率與相同條件下理想的黑體輻射功率之比，即為輻射率。

式中：PL—物體在單位時間內紅外輻射的功率;

PK—黑體在單位時間內紅外輻射的功率。

物體的輻射率由表面材質、顏色、表面粗糙度及表明處理工藝所決定，一般從0.1至0.95不等。表面粗糙或被氧化的金屬表面比相同材質的光滑金屬表面相比，輻射率要高的多。例如，表面拋光的銅輻射率為0.02，而表面氧化變黑的銅輻射率為0.78。而非金屬材料，其輻射率一般在0.85至0.95左右，并且受材料表面狀態影響小。這也是一般使用非金屬材料作為參照物來標定輻射率的原因[4]。詳見表1。

不同材料或相同材料的不同表面狀態下的發射率變化很大，因此我們在測量設備前應該根據被測物體物理特性的不同，按照儀器說明書所附的物體輻射率對照表，正確地按照被測物體設定相對應的輻射率，以提高測量精度。詳見圖3。

圖3中TMF板卡均壓電阻為測溫目標，劃分7個測溫區域，考察7個區域內的最高溫度。在短時間內，分別將輻射率設置成0.7、0.8、0.9、1.0，拍攝紅外照片，分析測溫結果如下。詳見表2、圖4。

可見，測溫結果符合史蒂芬-波爾茲曼定律，溫度值與輻射率呈線性關系。

為準確地獲得物體的輻射率，可通過查表的方法，亦可使用絕緣膠帶進行標定。

標定方法：

①在被測物體上放置一批黑色絕緣膠帶;

②將被測物體的溫度至少加熱至高于室溫20K，加熱必須相當均勻;

③聚焦并自動調整照相機，凍結照相機中的圖像;

④將測溫儀的輻射率設置為絕緣膠帶的輻射率（通常是0.97）;

⑤記下絕緣膠帶溫度;

⑥調節輻射率至被標記物體的溫度值與調節前的絕緣膠帶表面溫度一致，此時的輻射率即為物體的輻射率。

2.2 測量環境

測量環境對測溫結果的影響因素主要是光照和風速。當測量室外物體時，反射和漫反射的太陽光會疊加在被測電力設備的表面，導致測溫結果偏大。室內白熾燈等照明熱源也會產生類似的影響。傍晚、陰天進行測量和場地內的熄燈測溫都是簡單實用的解決方案。

當被測物體處于風力較大的環境時，快速的流動空氣將顯著增大散熱系數，使測量溫度偏小。風力影響可按照以下的經驗修正公式修正：

式中：T1—在風速F1下的溫升，K;

T2—在風速F2下的溫升，K。

2.3 大氣條件

大氣作為熱輻射的傳遞介質，主要影響體現在以下方面。一是大氣分子的吸收作用，如遍布在空氣中的水蒸氣、二氧化碳、臭氧等都能吸收紅外輻射;二是懸浮粒子的衰減作用，如塵埃、霧氣等;三是分子及懸浮微粒的散射作用。

2.4 測量距離

由前述可知，大氣會吸收、衰減、散射紅外輻射。當測量距離越大時，紅外輻射的強度越低。同時，在紅外熱像儀像素有限、焦距固定的前提下，隨著距離的增加，同一被測物的投射到傳感器上的面積縮小，使其輸出的信號質量下降，影響測溫精度。詳見圖5。

以測量換流閥TFM板均壓電阻為例，我們在其余測試條件不變的情況下，分別在3米、8米、12米拍攝紅外照片，分析測溫結果如下。詳見表3、圖6。

隨著測溫距離的增加，因大氣條件引起的紅外輻射能量衰減越嚴重，使測量溫度值下降，大大影響了測溫精度。因此為測得物體準確的溫度，應盡量靠近被測物體，避免紅外輻射衰減及像場減小引起的測量誤差。

2.5 測量角度

輻射的空間分布定律-朗伯余弦定律，所謂朗伯余弦定律，即黑體在任意方向上的輻射強度與觀測方向相對于輻射表面法線夾角的余弦成正比。詳見圖7。

此定律表明，黑體輻射在表面法線方向的輻射最強。因此，實際進行紅外測溫時，應盡可能選擇在被測表面法線方向進行，如果在與法線成θ角方向檢測，則接收到的紅外輻射信號將減弱成法線方向最大值的倍數。

但針對TMF板均壓電阻等均勻發熱的圓柱形物體，在平視情況下，測溫方向均與表面垂直，角度對測溫結果的影響不大。詳見圖8、表4。

3? ? 結語

針對上述所列的影響紅外測溫結果的因素，我們應根據以往缺陷經驗及發熱缺陷形成原理，列出易產生熱缺陷的設備與部位，根據設備材料及表面狀態，通過查表或標定的方式確定表面的輻射率，在測試過程中設置準確的輻射率，以提高測溫的準確度[5-6]。

為減少測量環境的影響，對于室外設備測溫，宜選擇在陰天或傍晚進行。對于室內設備，宜采取關燈等措施，減小其他高危輻射源的影響。對于高反射性的設備表明，可采取適當的遮擋或調整角度，避開反射背景輻射對測溫的干擾。同時，應避免在大風、大霧、雨雪等不利天氣條件下開展紅外測溫。

測溫距離，在符合相應安全距離的情況下，應盡量縮小。并盡可能選擇在被測表面法線方向進行測溫[7]。

作為電力設備一線運維人員，我們只有在充分了解設備工作原理，掌握科學的使用方法的前提下，才能充分發揮設備與作用，提高測量精度，進而提高換流站運維水平。

參考文獻

[1] （美）E.M.斯帕羅R.D.塞斯.顧傳保[M].輻射傳熱.北京：高等教育出版社，1982：384.

[2] 朱麟章.高溫測量[M].北京：科學出版社，1991：649.

[3] 程玉蘭.紅外診斷現場實用技術[M].北京：機械工業出版社，2002：289.

[4] 唐忠，楊春旭，崔昊楊，等.電氣設備紅外測溫影響因數及溫度修正[J].上海電力學院學報，2010，26（5）：415-417.

[5] 高小明.影響紅外熱像儀測量精度的因素分析[J].華電技術，2008（11）：4-7.

[6] 鄭子偉.紅外測溫儀概述[J].計量與測試技術，2006（10）：22-23.

[7] 王晨，施景壘，陶加貴，等.紅外測溫診斷影響因素分析[J].電力安全技術，2015，17（6）：48-51.