紅外矩陣測溫器在電力系統中的應用和設計

李小力

（東部機場集團南京祿口機場，江蘇 南京 210006）

0 引 言

大部分企業對電氣設備溫度的監控并不重視，只在巡視過程中才有些了解，沒有對電氣設備日常運行中的溫度進行監控，沒有預警系統，只有電氣設備出故障了才去維修。這樣不僅耽誤生產，還使得電氣設備的故障擴大化，大大增加維修費用。因此，必須要將狀態維修引入日常運行過程中，自動記錄電氣設備的溫度值，計算設備的溫升，超過閾值自動報警，提早發現電氣設備的故障。在電氣設備故障沒有擴大化前，其維修費用較低。本文探討電氣設備溫升的日常運行監控，稱之為對電氣設備的熱監控。

1 紅外矩陣溫度監控測量特點

溫度的測量方法主要包括有接觸式測溫法和非接觸式測溫法。在非接觸式測溫法中，利用紅外線來測量溫度使用的最多。它遵循黑體輻射的定理，感應物體的熱輻射，將感應值轉換成電信號，放大處理后，經過轉換、標定，實時顯示出來[1]。紅外測溫又分為單點測量溫度和矩陣測量溫度。單點測量溫度是指每次只能測量一個點的溫度，缺點是測量面積小，得到的信息量少，不能全面反映被測設備的溫度狀態。紅外矩陣測溫可以解決單點測溫的缺點，感應面積比較大，測量出設備的最高溫、平均溫、最低溫以及對應的溫度區間，較為全面地了解設備的溫度狀態。其缺點是傳感器制作工藝復雜，價格比單點的傳感器貴了許多。

2 電氣設備現狀與所需應用

東部機場集團南京祿口國際機場供電科自機場通航以來，人員沒有增加，但是所管轄的范圍卻增加了不少。隨著管轄范圍增加的同時，管轄范圍內設備也大大增多。機場通航到現在已經過了多年，管轄范圍內有些設備的電器絕緣材料逐漸老化，容易發生火災，必須通過使用一些手段來了解設備的運行狀態。例如，增加巡視次數來查看設備等，這些方法都要大量增加工作人員，還需用自動化和智能化手段來監控重要設備與重要負荷[2]。其中，增加熱監控就是一個重要的自動化手段。

3 紅外矩陣溫度監視器設計

目前，在市場上沒有這樣的自動化、智能化設備，只能靠自己來設計，使設備符合單位需要的功能。由于是自己設計，自己完全掌握核心技術，成本比較低，價格是紅外成像儀的1/20。

本文的紅外矩陣測溫監測器采用模塊化設計，結構緊湊，便于集成。一個測溫模塊可以同時測量多個點的紅外線溫度，將所測試的溫度傳輸給無線/有線模塊，讓連接的計算機監控設備上的溫度數據，如溫度異常，報警裝置會發出警報來提醒值班人員[3]。各種紅外測溫器比較如表1所示。

表1 各種紅外測溫器比較

其中，數值上傳是指將測量出來的溫度值傳輸給計算機。無線傳輸是指傳輸數據的形式，用無線比較方便。區域溫度顯示是指設備上不同的區域有不同的溫度值，必須將這些溫度值實時顯示出來。睡眠節能的原理為溫度傳感器工作時候用的電流相對比較大，不測量的時候可以關閉，工作時開啟，從而達到節能的目的[4]。

紅外矩陣測溫器主要由紅外矩陣傳感器、單片機、電源、串口電路、無線模塊以及休眠電路等組成，如圖1所示。

圖1 紅外矩陣測溫器結構圖

產品配件的選型需要考慮價格因素、安全因素、質量因素以及易用性因素等。電路設計時要考慮電源、PCB布局中的干擾、可靠性、可測試性、功耗、信號完整性等，所設計的紅外矩陣測溫器PCB板如圖2所示。

圖2 設計紅外矩陣測溫器PCB板

最終決定選用型號為AMG8833的紅外矩陣傳感器，這是一種8×8的紅外熱傳感器陣列。當連接到單片機時，它將通過I2C返回64個獨立紅外溫度讀數的數組。溫度和位置同時讀出，處理器為單片機，單片機的型號為ATMEG328。用這種AVR單片機來控制，有“看門狗”系統不死機[5]。開啟睡眠方式時，工作電流是微安級別，耗能少，24 h監控采集數據，不耗電。易用性能力特強，有非常多的庫可以使用。無線模塊為2.4G DRF1609H ZigBee物聯網模塊，體積小，編程性能好，保密性能強，電源可以用標準的模塊電源，通用性能好，價格便宜，又具有輸出多電壓小電流帶短路保護功能[6]。

經過調試，已經實現了設計的全部功能。通過量產3塊電路板，進一步測試系統穩定性。焊接完成的紅外矩陣測溫器如圖3所示，串口模塊具有1個485串口，傳輸協議要采用工業控制標準MODBUS協議，兼容性好，不易出錯。

圖3 焊接完成的紅外矩陣測溫器

有些工作場所的設備不方便安裝電源線。紅外矩陣測溫器在設計電路和編程過程中用了睡眠節能技術，可以用電池來工作。睡眠時電路工作電流達到納安級別，一塊電池可以正常工作3年[7]。圖4為安裝電池的紅外矩陣測溫器，其能耗非常低，同時安裝電池也非常方便。

圖4 安裝電池的紅外矩陣測溫器

由于外殼開模費用昂貴，紅外矩陣測溫器沒有設計外殼，故采用通用的外殼，價格非常低。使用通用外殼的紅外矩陣測溫器如圖5所示。由于通用外殼安裝孔比較多，可以隨意安裝到需要測溫的設備上。

圖5 使用通用外殼的紅外矩陣測溫器

紅外矩陣測溫系統如圖6所示，將配置好的紅外矩陣測溫器安裝在需要測溫的電氣設備里，利用有線或者無線傳輸溫度值。測溫系統由多個紅外矩陣測溫檢測器和計算機構成，利用工業組態軟件在計算機上顯示數值。設置好溫升值，當數值達到設定值時，畫面彈出報警信息，喇叭發出警報聲[8]。再將溫度數值寫入數據庫，這樣紅外矩陣測溫系統即可正常工作。

圖6 紅外矩陣測溫系統

4 結 論

經過實驗和觀察可知，自制紅外矩陣測溫器達到了設計要求，可以準確地將電氣設備的溫度和區域信息提供給技術人員，為以后的狀態維修提供一個重要的數據。