【正文】 8176。m， 屬于長波段，正如第 2 章所論述的，長波段適合低溫范圍的測(cè)熱像儀 RJ45網(wǎng)口 模擬視頻輸出口 恒溫模塊 3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 碩士論文 18 量。2 ℃ ， 而 測(cè)量波長范圍為 8181。該款熱像儀的主要參數(shù)如表 所示 。 從圖 中 標(biāo)注 還可以看到的一個(gè)接口 是 模擬視頻信號(hào)輸出接口， 該接口可用于傳輸實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)流， 由于本系統(tǒng)未使用到實(shí)時(shí)視頻流，該接口并未使用到。 圖 護(hù)罩內(nèi)部結(jié)構(gòu) 除了提供一般的防塵、防水以及遮陽功能之外，如圖 所示，在護(hù)罩的尾部裝有加熱和散熱裝置， 其 能夠?qū)崟r(shí) 檢 測(cè)護(hù)罩內(nèi)的溫度 ，并利用這些裝置使得熱像儀能夠在其所允許的 極限溫度下工作。 從防護(hù)等級(jí)可以看出， 本護(hù)罩是嚴(yán)格防水防塵的，能夠保證外界環(huán)境不對(duì)熱像儀造成損害。本系統(tǒng)所配護(hù)罩 防護(hù) 等級(jí) 為 IP66。 圖 系統(tǒng)主要硬件 電源模塊 變電站能夠提供 220V 的交流 電源 ，本系統(tǒng)采用的研祥工業(yè)計(jì)算機(jī) 工作電源是 220V交流電，而紅 外熱像儀、護(hù)罩以及云臺(tái)所使用 的電源是 24V 的交流電，所以需要采用一個(gè)小型的變壓器將 220V 的交流電轉(zhuǎn)換為 24V 的交流電，最終這個(gè) 變壓器是 安裝 在一個(gè)電源箱 當(dāng)中 ，成為本系統(tǒng)的電源控制模塊。 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的 硬件實(shí)現(xiàn) 本監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)的硬件主要是 由研祥 IPC810B 特種 工業(yè)控制 計(jì)算機(jī)、雅安 D3030 室外云臺(tái)、大立 S680DM60 熱像儀 、 護(hù)罩 等 組成，每個(gè)硬件都是 根據(jù) 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境需要 選購 的 ， 并力求 使其具有較高的性價(jià)比 ，從而減少項(xiàng)目成本，利于本項(xiàng)目今后在電力系統(tǒng)中進(jìn)行推廣。變電站監(jiān)控室的工 業(yè) 控 制計(jì)算機(jī) 利用 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件接收 數(shù)據(jù) ，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)報(bào)警判斷并顯示出最終結(jié)果，將 處理 結(jié)果 存儲(chǔ) 到本地計(jì)算機(jī)， 最后 再將采集的信息 上傳至 供電局檢修中心的 PC 機(jī) 。 變 壓 器工 控 機(jī)熱 像 儀電 力 系 統(tǒng) 用 戶信 號(hào) 線紅外輻射紅外輻射電 力 專 網(wǎng)安 裝 現(xiàn) 場(chǎng)變 電 站 控 制 室 供 電 局 檢 修 中 心 圖 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖 本系統(tǒng)的前端 采集模塊利用紅外熱像儀獲得電力設(shè)備的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)， 熱 像儀通過3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 碩士論文 16 自帶的傳輸介質(zhì) 將溫度數(shù)據(jù) 發(fā)送至變電站監(jiān)控室 的 工 業(yè) 控 制計(jì)算機(jī) 。 在線監(jiān)測(cè) 系統(tǒng) 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [17][29] 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，以 紅外 熱像儀為采集核心，以 高性能 工控機(jī)為處理核心， 利用 基于 TCP/IP 協(xié)議 的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，構(gòu)成功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單的 電力變壓器過熱故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 《 中國人民共和國 電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)帶電設(shè)備紅外診斷規(guī)范 》 于 1999 年 8 月 2日首次發(fā)布，經(jīng)過接近 10 年的探索，國家發(fā)改委于 20xx 年 6 月 4 日發(fā)布了 該 標(biāo)準(zhǔn)的修訂版，修訂之后的標(biāo)準(zhǔn)更加全面，標(biāo)志著我國電力設(shè)備紅外診斷技術(shù) 日漸 成熟。碩士論文 基于紅外測(cè)溫技術(shù)的電力變壓器 過熱故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā) 15 3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 90%以上的電力設(shè)備發(fā)生故障時(shí)都有明顯的熱源部位 ， 本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是 通過紅外熱像儀來監(jiān)測(cè) 電力變壓器運(yùn)行時(shí) 的幾個(gè) 主要潛在故障點(diǎn) 的 溫度 ，利用采集的溫度 對(duì) 設(shè)備的運(yùn)行狀況 加以判斷 。 在此基礎(chǔ)上介紹了熱像儀的主要技術(shù)性能參數(shù)，分析了影響熱像儀測(cè)溫準(zhǔn)確性的 因素，并根據(jù)選購熱像儀時(shí)需要注意的 原則 ，在性價(jià)比盡可能高的情況下選擇本系統(tǒng)所需的熱像儀的 型號(hào) 。本系統(tǒng)采用的膨脹螺釘最大能承受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過熱像儀和云臺(tái)等的重量， 杜絕 意外的 發(fā) 生，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。 圖 為本系統(tǒng)熱像儀在變電站的安裝圖片，整個(gè)2 紅外熱像儀的選擇和使用 碩士論文 14 云臺(tái)、護(hù)罩、熱像儀 安裝 在支架上，通過 4 根膨脹螺釘固定在墻 壁上。 護(hù)罩具有防水、防塵、遮陽等功能，使得熱像儀能夠不受外界環(huán)境的影響進(jìn)行精確測(cè)溫 。 圖 S680DM60 熱像儀 現(xiàn)場(chǎng)安裝 最終 本 系統(tǒng) 的熱像儀決定采用浙江大立科技股份有限公司生產(chǎn)的非制冷焦平面熱像儀 S680DM60，并為該熱像儀配 置 云臺(tái)和護(hù)罩 。 經(jīng)過 現(xiàn)場(chǎng) 實(shí)地考察和研究之后，為了使熱像儀的測(cè)溫精確度達(dá)到最佳， 決定將 熱像儀安裝在變壓站監(jiān)控室旁邊的房檐上，距離變壓器三米左右，但近距離測(cè)量 有可能 使得熱像儀無法通過調(diào)焦獲得 能夠 包 含 整個(gè) 變壓器 的視場(chǎng) ，所以本系統(tǒng)需為熱像儀配置云臺(tái)，通過云臺(tái)設(shè)置多個(gè)預(yù)置位， 將 變壓器 分成幾個(gè)部分進(jìn)行 巡檢 。 在選擇時(shí)應(yīng)從如下幾個(gè)方面加以綜合考慮： 1)首先明確要解決的實(shí)際問題和測(cè)量需要，如被測(cè)目標(biāo)的環(huán)境、大小、測(cè)量距離以及儀器測(cè)溫范圍、測(cè)溫精度、響應(yīng)時(shí)間等； 2)將 測(cè)量要求和所要解決的問題和現(xiàn)有的儀器型號(hào)進(jìn)行比對(duì)，選出滿足要求的型號(hào)，在此基礎(chǔ)上再選出性價(jià)比 較 高的幾款； 3)對(duì)供應(yīng)商的技術(shù)實(shí)力和信譽(yù)、售后服務(wù)和技術(shù)培訓(xùn)等方面進(jìn)行必要的考察和了解 ， 這是非常重要的一點(diǎn)， 因?yàn)?選擇口碑較好的供應(yīng)商進(jìn)行合作比較有保障。 當(dāng)被測(cè)設(shè)備處于太陽光的輻射下時(shí)，由于太陽光的反射和漫反射的波長區(qū)域與紅外熱像儀的測(cè)溫波長區(qū)域相近，會(huì)使得測(cè)出的被測(cè)目標(biāo)的溫度比實(shí)際的溫度偏高，從而引起誤報(bào)警；而風(fēng)力的影響則相反，由于受到風(fēng)速對(duì)流冷卻的影響，會(huì)使被測(cè)設(shè)備熱缺陷處的溫度降低，測(cè)得的溫度比實(shí)際溫度偏低，存在安全隱患，所以紅外診斷測(cè)溫一般選擇在夜間或者無風(fēng)的陰天進(jìn)行。為了減小上兩種因素的 影響，紅外診斷應(yīng)該選擇在無雨、無霧、無塵、空氣清新的環(huán)境條件下進(jìn)行。 若要進(jìn)行絕對(duì)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量，就必須事先知道被測(cè)物體的輻射率， 一般儀器說明書中都有常見材料輻射率對(duì)照表 ， 測(cè)溫時(shí)應(yīng)將 熱像儀 的 輻射率值調(diào)到與 表中 被測(cè)目標(biāo)輻射率一致或接近， 否則測(cè)量值將與實(shí)際值存在較大的誤差；若對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行紅外診斷時(shí)，可采用比較法來消除不能精確設(shè)定輻射率所帶來的影響，即相鄰部位的橫向比較和本身不同部位的縱向比較，只需求出相對(duì)溫升，不必精確知道被測(cè)設(shè)備的輻射率。物體輻射率的大小與物體的材料、粗糙度、顏色、厚度等有關(guān)，紅外熱像儀從物體上接收到 的 輻射能量的大小與該物體的輻射率成正比。 1) 輻射率的影響 在紅外熱像儀測(cè)溫過程中，輻射率的標(biāo)定是非常重 要的 。 影響紅外熱像儀測(cè)溫的因素及相關(guān)對(duì)策 [26][27][28] 影響紅外測(cè)溫的因素很多，如大氣、測(cè)試背景、物體輻射率、距離系數(shù)、相鄰設(shè)備輻射和工作波長區(qū)間范圍 等等 ， 其中有些因素是必然存在的，也是不可避免的 。 2 紅外熱像儀的選擇和使用 碩士論文 12 5) 響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間表示紅外熱像儀對(duì)被測(cè)目標(biāo)溫度變化的反應(yīng)速度 ， 是從 溫度 開始變化到 顯示值穩(wěn)定所需的時(shí)間。 紅外熱像儀工作時(shí)，只能測(cè)定被測(cè)目標(biāo)表面 上確定面積的平均溫度。 K 越大 ，紅外熱像儀的分辨率越高 。高精度意味著高成本，所以用戶在選擇的時(shí)候只要 能夠滿足基本要求即可 ， 無需盲目追求高精度。2%，當(dāng)測(cè)溫范圍上限為 100℃ 時(shí)，儀器的最大測(cè)量誤差為177。 3) 測(cè)溫精度 測(cè)溫精度是指黑體溫度的測(cè)量值與其真實(shí)值之間的最大誤差，通常以測(cè)溫范圍的上限的百分?jǐn)?shù)加以表示。 2) 工作波長 工作波長是根據(jù)紅外熱像儀的測(cè)溫范圍所選擇的紅外輻射波段，因?yàn)槿绻麩嵯駜x工作在合適的工作波段內(nèi)，能使被測(cè)物體有較高的輻射率和較低的透射率 、 反射率，提高測(cè)溫精度。 如果測(cè)溫范圍過寬，儀器動(dòng)態(tài)范圍越大，不但增加了儀器的成本，而且導(dǎo)致測(cè)溫精度下降。 1) 測(cè)溫范圍 測(cè)溫范圍是紅外熱像儀能夠測(cè)量的溫度上限和溫度下限，目前紅外熱像儀 總 的測(cè)溫范圍 能到達(dá) 50℃ 到 3000℃ 。 圖 紅外熱像儀系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) 紅外熱像儀的工作原理 其實(shí) 與人的眼睛看物體原理相近，人眼是將光線匯聚到視網(wǎng)膜上，視網(wǎng)膜再將信號(hào)傳送到大腦，產(chǎn)生明暗的區(qū)別；而熱像儀是通過一組透鏡將物體發(fā)射的紅外輻射匯聚到探測(cè)器上，探測(cè) 器被匯聚到的 輻射 光線照射便產(chǎn)生 電 信號(hào)，然后電 信號(hào)被傳到后面的 處理 電路， 從而 計(jì)算出物體的溫度 分布 。由于被檢測(cè)的對(duì)象、測(cè)量范圍和使用場(chǎng)合不同，紅外熱像儀的外觀設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同，但基本結(jié)構(gòu)大體相似 。 紅外熱像儀的 系統(tǒng)組成 [9][22][23] 單個(gè) 紅外探測(cè)器是如何 將被測(cè) 物體上單位區(qū)域 映射到最終熱像上的一個(gè) 包含溫度信息的 像素點(diǎn) 的 。對(duì)于黑體， ? 恒為 1，如果其溫度也為 T ，通過同一個(gè)熱像儀成像得到的圖像同一像素點(diǎn)灰度值對(duì)應(yīng)的電壓值為 式 ()： 1 ()U kk F T? () 由式 ()和式 ()可得式 ()： UU ??? () 根據(jù)紅外熱像儀測(cè)得的實(shí)際物體的 U? 加上物體的發(fā)射率 ? ，通過式 ()可以得到相同溫度下的黑體成像灰度值 U 。 而在一定范圍內(nèi)，對(duì)于常見材料， ()??即發(fā)射率為一個(gè)常數(shù)，記為 ? ，因此可將 sU 表示為 式 ()： 215 ( ) ( ) ( )sU k T f T R d k F T??? ? ? ? ???? () 在一定的波長范圍內(nèi)， ()FT 只與黑體的溫度有關(guān)， k 是個(gè)常數(shù)，只與系統(tǒng)增益有關(guān)。 在理想情況下，目標(biāo)物體的任意成像點(diǎn)對(duì)應(yīng)于熱像儀探測(cè)器所輸出的 圖像信號(hào)幅度sU ， sU 與下述因素有關(guān) ，可表示 為式 ()： 215 ( ) ( ) ( ) ( )sabTU f T R d??? ? ? ? ? ? ? ??? ? () 由 節(jié)分析可知，21 5 1() ( ) ( 1 )cTcfT b Te ?? ?? ?為物體光譜輻射的通量密度； 12~??為熱像儀工作波長范圍； ? 為熱像儀的瞬時(shí)視場(chǎng)角； b 為玻爾茲曼常數(shù)； T 為被測(cè)物體的溫度； ()??為被測(cè)物體的發(fā)射率； ()a??為大氣透過率； ()R? 為熱像儀的總光譜響應(yīng)。 由于物體的發(fā)射率是已知，所以可以通過相碩士論文 基于紅外測(cè)溫技術(shù)的電力變壓器過熱故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā) 9 關(guān)處理將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。 紅外熱像儀測(cè)溫時(shí)采用逐點(diǎn)分析的方式，把物體一個(gè) 局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個(gè)探測(cè)器上 。在對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，紅外熱像越亮的地方，就是紅外輻射越強(qiáng)的地方，也是溫度最高的地方。 只要當(dāng)物體溫度有較小變化時(shí)，就將會(huì)引起其輻射功率很大變化。 因此， 該定律 由 普朗克輻射定律對(duì)波長積分得到 [20]： ? ? 40 0M T M d T? ?????? () 式 ()中 ? 稱為斯蒂芬 —玻耳茲曼常數(shù)。 2 紅外熱像儀的選擇和使用 碩士論文 8 圖 不同溫度下的黑體光譜輻射度 3) 輻射能量隨溫度的變化率，短波處比長波處大，即短波處工作的 熱像儀 相對(duì)信噪比高 (靈敏度高 )， 抗干擾性強(qiáng)， 熱像 儀應(yīng)盡量選擇 其 工作 波長 在峰值波長處，特別是低溫小目標(biāo)的情況下，這一點(diǎn)顯得尤為重要 [19]。 2) 隨著溫度升高，輻射峰值向短波方向移動(dòng)。 從圖 中曲線可以看出： 1) 溫度越高 ，物體的輻射能力越強(qiáng)。 自然界中并不存在黑體，黑體是為了研究紅外輻射的規(guī)律而提出的一種理想化的模型，它吸收所有的紅外輻射，沒有能量的反射和透射，其表面的發(fā)射率為 1，而黑體輻射定 律揭示了黑體輻射能量在不同溫度下按波長的分布規(guī)律，其數(shù)學(xué) 表達(dá)式 為 式 ()： 2511cTcM e? ????? () 式 ()中： M? 為黑體光譜輻射通量密度； 1c ， 2c 為輻射常數(shù)； ?為光譜輻射的波長；T為黑體的絕對(duì)溫度。 其輻射能包括 各種波長，其中波長范圍在 m? ~1000m?之間的稱為紅外線。 因此， 了解紅外熱像儀的工作原理、技術(shù)指標(biāo)、工作條件、 如何 操作和維修 等是用戶正確選擇和使用熱像儀的基礎(chǔ)，本章的主要內(nèi) 容 就是對(duì)上述問題加以研究