基于熱成像原理的工業設備缺陷監測設計

任 杰，潘 碩，盧禮兵，劉士全

（中國電子科技集團公司第58 研究所，江蘇 無錫）

引言

目前熱成像技術不斷發展成熟與日益完善，利用紅外狀態監測和診斷技術能夠遠距離、不接觸、不取樣、不觸體，又具有準確、快速、直觀、實時地對電氣設備大多數故障進行在線監測和診斷，因此備受國內外重視,并得到快速發展。紅外成像技術在檢測電氣設備的熱故障的應用,對提高電氣設備的可靠性與有效性，提高運行經濟效益，降低維修成本都有很重要的意義，是目前在預知檢修領域中一種很好的手段[1]。

紅外熱像儀顯示的熱圖像清晰、直觀，測得的溫度數據準確，不但可以準確地判斷出電力系統中潛伏的過熱隱患，以便合理安排檢修，大幅度降低維修費用，大大降低故障率，保障電力系統安全運行，而且還可以節省大量的人力物力，提高系統運行的可靠性。通過紅外成像技術在絕緣子串熱故障、電纜紅外成像故障、開關內部熱故障、電流互感器內部熱故障等實際的應用，驗證了紅外診斷各種方法的正確性。

1 熱成像原理介紹

1.1 黑體概念與熱成像定律

任何東西，只要其有溫度，都會對外輻射光波，光波的波長與溫度有關聯，通常已知常溫下的東西其輻射的光波波長就是紅外波長范圍。現引入黑體這一概念，它是指對一切輻射都可以百分之百吸收的物體。而實際情況是，物體對輻射的波長除吸收以外，還會產生反射現象。

任何物體，如果其本身溫度高于開爾文零度（絕對零度，273.15 ℃），都會對外輻射，稱為紅外輻射，計算公式可以看出表面發射的輻射功率與溫度的四次方成比例關系。只要有溫度這一因素存在，紅外定律都是成像的依據。根據波耳滋慢律，能量計算公式為

式中，W- 輻射的紅外功率；ε- 發射百分率；δ- 波耳滋慢常數；A- 物體的表面積；T- 物體的溫度。

1.2 熱成像設備

熱成像設備可分為光學機械掃描熱成像相機和非光學機械掃描成像相機。

以光學機械掃描熱成像相機為例說明熱成像設備的工作機理[2]，見圖1。

圖1 光學機械熱熱像相機的框圖

光學框架由根據視場大小和圖像質量要求的各種紅外光學透鏡組成。它集中了被測物體的輻射熱能量。探測儀器可以實時的得到物體表面一部分的溫度。只要儀器的采集時間足夠迅速，他就會立即產生與接收到的溫度成正相關的電流參數發射出去。一般，當能夠采集獲取的范圍低至零點幾弧度時候，能夠以此面積的數倍去呈現物體的視野，對被測物進行光學機械掃描。本質做法是，將物體在X 軸和Y 軸分為很多等面積的小單元，設備可以對物體的表面依次按小單元進行掃描，形成一連串的小電流信號，按時間上可形成時域上電流幅值。再經過處理和軟件算法后，被轉化成實際的圖片成像，最終在電腦上顯示熱成像[3]。

非光學機械掃描成像相機，對焦刻度的熱成像設備是最新一代光學產品，在產品圖像處理的指標上遠遠好于光學機械掃描相機設備，可以在不考慮成本的應用領域里代替前者的使用。其所具備的關鍵技術是該設備由集成電路組成。可以集中的獲取被測物體的完整結構，使獲取到的清晰度更真實，且集成電路架構在體積和重量上也有優勢，性能方面有自動對焦功能，圖片實時保存功能，實時處理并且實時的儲存，儲存容量越來越大。

1.3 熱成像故障分析及其原理

當工業現場儀器存在事故了，其主要的表現形式溫度高于正常閾值，并且在有效范圍內產生電場，對外發射相應溫度所對應的熱量。通過前面提到的檢測設備，可以把故障現場的圖片傳輸到工業級電腦上，圖片直接體現了現場的能量分布和時間的關系，分析出故障的地點和故障的受損程度[4]。根據現場圖片，可以找尋到現場的溫度最高的位置地點，從而得到急需解決的故障位置。

還有一種方法，是利用現場儀器配套的電腦，在獲取到溫度濕度參數后，可以直接分析出現場其他位置的溫濕度值，從而及時在其他位置發出預警，避免故障帶來的影響的蔓延，提前將故障帶來的損失降到最低。

2 工業機器故障的判定標準

2.1 成像源

工業現場的各個設備在施工時，工作電壓、工作電流，由此衍生出3 種發熱。

(1) 自身發熱，按照定律計算，當負載流過電流時本身就會發熱，產生熱量。即電流型負載發熱電阻損耗發熱。

(2) 自身寄生損耗，設備除了自身阻抗之外，還有包裹的絕緣介質，除了有效阻抗的熱源以外，絕緣介質在變化的電場作用下，其極化的方向也在不斷變化，在電場作用下產生寄生損耗，從而產生熱量[5]。此過程的熱量功率計算方式為

式中，U- 絕緣體上的電壓；ω- 變化角弧度；C- 等效電容；tgφ- 絕緣體正切值。

(3) 內芯發熱，當導電線圈在磁場回路中加以電壓時，由于鐵芯本身具備的線圈特性，會產生熱量損失進而產生能量。

2.2 失效判定

失效的類型可分為內部因素和外部因素。

外部熱故障以局部過熱的形態向其周圍輻射紅外線。例如導電回路的裸露接頭、連接件和觸頭，因接觸不良造成過度發熱。其紅外熱像圖呈現出以故障點為中心的熱像分布[6]。故從熱像圖可直觀地判斷是否存在熱故障，由溫度分布可準確地確定故障部位。

內部因素是其內部長時間的處于熱輻射，且輻射的能量持續穩定，與內部相連接的介質都會發射出能量，以導熱良好的介質為例，其可將此能量積累聚合，并轉發至外殼，從而改變周邊其他設備的熱量分布數值。因此通過外部檢測到的熱成像試驗數據也能判定出工業現場哪些機器存在內部損傷。

2.3 判定依據

外部因素發生的損傷，其判定標準[7]見表1。

表1 外部損傷判定標準（損傷點與常溫差）（單位：℃）

內部因素損傷，可以按GB/T12013-1998 中的相關規定來判定外，還可根據“溫差法”和“文檔羅列法”來指出。它是兩個機器情況(銘牌、安置地、周邊溫度、周邊濕度、熱工況等)一致或基本一致的兩個相鄰的故障點之間的溫度差值與最高溫度的百分占比[8]。

溫差判定法是根據同種機器的所處溫度差異，來作為判據從而篩查出故障發生點。檢查同一種類型的機器，它的熱成像能量分布，包括比較濕度、溫度差、能量分布等幾個參數，以此來判定機器發生故障的前兆。此過程被稱為文檔羅列。

3 熱成像原理在機器外部損傷的判定

3.1 電纜熱故障的判定

圖2 顯示了某設備電纜的熱成像圖片，損傷判定的依據是各電纜發生最惡劣的情況，不是看每個電纜的熱溫度變化情況。因為最惡劣和常溫正常的溫度差值進行檢測，差值很小，且距離等因素的影響，溫度差值不會超過一定溫度閾值[9]。

圖2 劣質電纜的熱成像

3.2 閥門熱成像故障的判定

閥門發生故障經常可分為接觸不良和內部連接不良，其故障時顯著的特征是不良接觸的表面會過熱，可以用上述提到的溫差法來作為依據，發生故障的位置，也可以用同種閥門銘牌的不同位置上的溫升測量法，來判定故障與否。圖3 作為過熱的圖像，可以判定閥門接觸不良位置。

圖3 電纜端子發生超溫的熱成像

3.3 螺絲熱成像故障的判定

螺絲位置的能量分布，取決于接觸位置和螺母采用溫差法和文檔羅列法相結合的判定，當發生溫度故障時，由螺絲與眾螺絲的溫度能量差異來判定出故障位置。圖4 是工業現場電網的安裝螺絲，把相同類型的螺絲羅列，熱成像拍照，可以直接找到溫度差值在超出閾值的故障位置。圖4 是工業現場螺絲位置的熱成像。

圖4 工業電網螺絲位置故障的成像

4 結論

使用成熟的熱成像技術對工業現場的機器及其零件進行實時監測，對故障進行預警以便于及時維護，可以提高機器的使用壽命，增加工作效率，降低人工維護的壓力，其技術具有很好的實用價值。本文依次介紹了在工業電纜、工業閥門、工業螺絲安裝的故障判定，顯示了熱成像技術的應用可行性，故障能甄別出來顯示了該成像技術的實用價值。