新型便攜式實時紅外在線測溫裝置研制

王 龍， 吳勇進， 王 芳， 陳家和， 陳佳慧， 楊 鍵

（國網浙江省電力有限公司三門縣供電公司，浙江臺州 317100）

0 引言

目前，國外紅外測溫裝置售價在12萬～14萬元之間，國產紅外測溫裝置在6 萬～7 萬元之間[1]。而本項目研制的新型便攜式實時紅外在線測溫裝置具有如下優勢：售價2 萬元左右，造價便宜；測量范圍廣、測溫速度快、準確度高、靈敏度高、使用方便，可以批量制造，大量配置；在滿足平常巡視測溫的同時還可以通過在軟件上進行個性化定制；針對配電設備可以直接生成測溫報表，降低了繁瑣的記錄流程，降低了工作人員的勞動工作強度，提高工作效率。

1 裝置概述

新型便攜式實時紅外在線測溫裝置的紅外測溫模塊通過第一數字與控制總線雙向通訊連接中央處理單元，通訊模塊上還連接有Wi-Fi 天線，中央處理單元通過第三數字與控制總線、電源管理模塊雙向通訊連接；該設備可以與絕緣桿相連，對一些測量難度較高的設備（如變壓器上下樁頭、分段分支開關上下樁頭等）具有較好的測溫效果，電源管理模塊通過第四數字與控制總線、電池、充電管理模塊雙向通訊連接。最終向手持端傳輸加密的數字信號并在移動終端上生成溫度測量結果。手持端包括手機、掌機等具有Wi-Fi 通訊功能的便攜式手持設備，可實現溫度測量結果的傳輸。

2 設計與實現

2.1 設計方案

2.1.1 高壓隔離

常見的處理高壓隔離方法包含空間隔離和借助光纖隔離[2]。本研究采用紅外光線進行信號傳送，不僅結構簡單，抗干擾能力強，且隔離十分徹底，穩定性較高。

2.1.2 抗干擾措施

由于高壓線路和設備運行在高電壓、大電流環境下，即便是短暫的電磁暫態過程，也會造成強力的電磁干擾，影響到電子系統對信號的處理效果。基于此，為了能夠切實有效地消除負面影響，研制過程中主要采取了軟、硬件綜合應用的方案。軟件應用中，充分發揮數字編碼、解碼技術等功能，結合濾波技術的應用，能夠及時發現異常信號，并且將其剔除；硬件方面則采用金屬屏蔽措施，加強各級濾波，達到消除高頻負面影響的目的。除此之外，還根據觸頭溫度變化緩慢的特點，通過多次采集信號，第一時間排除異常數據，使數據真實完整。因而，整個設備的抗干擾能力大幅增強，監測數據的穩定性較高。

2.1.3 熱穩定性問題

外部溫度變化較大，而紅外測溫裝置是在室外使用的，所以對檢測器的要求較高，其必須要具備良好的熱穩定性。在實際的使用過程中，檢測器應當和設備高溫區之間存在較長的距離，將其安裝在導電回路溫度較低處，進而降低其耐高溫的要求。本研究選用熱穩定性較好的元器件，可以進行溫度補償，使系統的熱穩定性進一步提升。

2.1.4 數據可視化問題

可視化數據有助于幫助工作人員發現設備故障的細節所在，降低故障誤判率，最大程度上排除人為干擾[3]，使紅外測溫能夠更好地服務于配網配電設備狀態檢測和工況分析。在滿足平常巡視測溫的同時還可以通過在軟件上進行個性化定制，降低工作人員的工作強度，提高工作效率。

2.2 方案實施

2.2.1 紅外探測原理

紅外輻射的探測原理是將被測量設備的輻射能源轉換為可以測量的形式，進而獲得檢測結果。例如，可以將被檢測設備的熱效應通過熱點轉換的方式，獲得該設備的紅外輻射強弱程度；也可以采用紅外輻射的光電效應，引發電性質的變化，用來測量設備的紅外輻射強弱。如此，將紅外輻射的信號功率進行轉換，就可以得到可直接進行處理的電信號，將其傳輸到相關設備中，形成二維熱圖像，能夠讓人們直觀地看到溫度場的分布以及具體的數值。整個過程由紅外探測器完成，其結構如圖1所示。

圖1 紅外測量設備結構

紅外熱像儀可以將某個設備表面的溫度變化動態化地呈現出來，這也是該設備的一項優勢。熱像儀本身包括了圖像處理系統，在實際的測溫過程中，其分辨率較高，且耗時較短，在信息的采集、處理等方面都有著顯著的優勢。即使它的結構較為復雜、成本較高、功耗較大，但應用依然較為普遍。熱像儀的工作原理主要是將被檢測物體的表面溫度，應用紅外輻射信號的形式將其轉換，而后呈現在探測器上，再將其轉換為微信號，放大器放大后送至端顯示器。圖2 所示為紅外熱像儀的結構框圖。

圖2 紅外熱像儀的結構框圖

2.2.2 無線信號傳輸裝置

在線移動式遠紅外測溫裝置中包含紅外探頭數據反饋單元、中繼器和數據終端，將紅外探頭和被檢測的設備連接起來，被檢測的設備一一和上述三項內容對比，以此能夠有效降低工作人員的巡視難度，使設備監控不存在任何一處死角，并為后續的設備狀態檢修等活動提供參考。如果設備出現故障，則系統會報警，提高了變電站監控的數字化水平。將64個紅外熱點的推送，以及處理電路統一封裝在一個裝置中，能進一步擴大測量范圍，從而更加快速地測量出某物體表面的溫度。圖3所示為裝置結構框圖。

圖3 裝置結構框圖

2.2.3 具體操作

操作人員手動切換任意站點的攝像機，也可以依據事先定義的順序進行自動切換。操作人員在遠處手動操作任意測溫儀，對需要檢測的設備進行紅外檢測，依托測溫儀發出的激光點，在圖4的監控畫面中可以實時呈現。操作人員還可以調節鏡頭的變倍等，更加清晰地看到細節。

圖4 監控畫面

2.3 設備溫度的存儲

對于運行設備的溫度可以實時展開測量，并將得到的數據存儲到云平臺數據庫中，如此不僅有助于分析設備故障，為其診斷和處理方案提供有利數據，還能追溯歷史運行狀態。要想分析設備溫度的去向，就必須要分析設備的歷史溫度數據，工作人員可以將設備的運行狀態用曲線呈現出來，直觀形象地了解其規律，看到其中存在的異常問題，合理判斷設備運行情況，得出結論。

3 關鍵技術

第一，實現無人值守測溫，對變電站內重要電氣設備超溫問題實時監測；采用遠紅外測溫裝置實現對溫度狀態進行報警，能夠清楚地知道每個電氣設備溫度的狀態。

第二是實現測溫設備的可移動，方便現場架設。

第三是實現溫度采集數據通過無線傳輸至數據終端。

第四是通過數據分析實現設備故障預測。

第五是體積小巧，成本低，便于推廣。

4 技術要點總結

在手機APP 中，用戶可以查看、整理、搜索、下載和共享上傳的圖像。可以查看從熱像儀上傳的所有圖像。可以在圖像中查看測量功能、閱讀備注、放大查看更多詳細信息，以及在熱圖像和可見光圖像之間切換按文件夾進行整理在熱像儀中創建的文件夾也將在APP 中創建。保存在熱像儀文件夾中的圖像將上傳APP 庫中的相應文件夾。可以選擇一個或多個圖像以下載到用戶的計算機，例如熱成像軟件中分析和創建報告共享結果；可以通過生成共享鏈接，與同事和客戶共享結果可以共享單個圖像和整個文件夾。共享鏈接可以受密碼保護也可以為其設置到期日期。

5 技術展望

本次研制設計充分發揮了紅外測溫功能，并依托遠程圖像監控系統等，能夠動態化地了解變電站的圖象信息、熱狀態，有助于第一時間采取針對性的應急措施，達到了“所見即所測”的目標。在該系統中，包含了兩項功能，即圖像存儲和溫度曲線顯示，使該設備的智能性得到提升，還能夠合理及時地判斷設備是否出現故障。紅外檢測工作的開展簡便，還能實現遠程、在線檢測，應用價值較高，能幫助企業單位獲得更高的收益。在該系統中，工作人員還可以依據激光瞄準發射區，呈現在圖像監控畫面上的光斑，對設備溫度等進行檢測，并存儲相關圖像信息。此外，工作人員還可以用曲線的方式選擇一個階段的溫度測量結果，進而切實有效地提高故障檢測效率，減少紅外檢測工作量。