红外辐射测温技术在煤矿高压电器检测中的应用

王兴举,黄宗建,李进曌

（1.河南工业职业技术学院建筑环境设备工程系,473000;2.河南中光学集团有限公司,473000）

红外辐射测温技术在煤矿高压电器检测中的应用

王兴举1,黄宗建1,李进曌2

（1.河南工业职业技术学院建筑环境设备工程系,473000;2.河南中光学集团有限公司,473000）

红外辐射测温技术具备了实时、便捷以及非破坏性等特点，广泛用于电器产品温度的检测中，特别是煤矿高压电器设备由于复杂的运行施工环境，常规手段很难准确的测量温度的变化，而红外辐射测温能够迅速准确的对煤矿高压电器进行测量。本文主要从红外辐射测温技术在煤矿高压电器温度的测量方面出发，重点研究了红外辐射测温的形成机理、测试手段以及需要注意的测试技巧，为生产实际过程中提供一个可靠的理论依据。

红外辐射；煤矿高压电器；普朗克定律

红外辐射测温技术主要是通过红外辐射装置产生红外线，并经过介质传递到被测物体的表面或内部，通过像成型原理来进行电器设备的测温。根据物体本身特性的不同，产生红外辐射的特征也不相同，测量成像后得到的温度场也就体现了电器的温度特性。红外辐射测温技术已经发展成为现代煤矿企业光电子技术应用的一个主要组成部分，并在煤矿高温电器的温度检测中发挥着不可替代的作用。

1 红外辐射测温原理

对于所有高压热力学绝对零度的物体，根据物质分子的不同的热运动形式，都可发射出本体所特有的各种辐射电磁波。而对于理想条件下的黑体作为辐射源，其中的物体温度与发射波长与光谱的辐射度符合物理学的普朗克辐射定律,即

由上式以及图1，可以得出以下结论：

(1)辐射能量随着温度的升高而增加。

(2)辐射峰随着温度的升高而向波长较短的方向运动。其变化规律符合维恩位移定律。

(4)相对于长波长区来讲，随着温度的升高，短波长区的辐射能量增加的速率要快，因此可以得到，短波长相对于长波长来讲，灵敏度要高。红外辐射应用的原理就是在相关对应波长范围内实现对测量物辐射能量的测量，再进行能量的转化，形成对应的温度场。

上述理论都是基于黑体为研究对象，在实际过程中，测量体与黑体之间还是有一定的区别，包括测量物的投射率、吸收率等参数方面。实际中的辐射能入射到测量物的表面需要经过三个过程：入射能量的吸收、能量的发射以及能量的透射。

图1 不同温度下黑体光谱辐射图

2 红外辐射的检测

2.1红外热像仪的结构组成

根据对红外测温原理分析,对测量物体的温度场的测量，实际就是对测量物体的红外辐射能量的测量。而目前较为常用的测温仪器主要是红外热像仪。

红外热像仪主要有信号输入系统、探测器、信号处理系统以及输出系统构成。根据红外辐射的物理特性，使用热像仪内部布置的光学系统将测量唔的红外辐射能量聚集到连接的探测器上，并通过信号转换装置与信号放大装置，将能量信号转化为电信号并进行放大处理，最后通过输出信号装置将被测物的温度场显示在终端上。

被测物进入测试系统后，首先由红外光学系统对被测物的整个表面进行信息扫描，并记录相关的热量参数，将相关参数转化为对应的热处理图像并输入红外探测器中，此时，红外探测器对热处理信号进行能量转化成对应的电信号，并送入到信号的处理电路进行参数处理，最后送入到显示器屏幕上形成相关的红外热像图，形成的热像图与被测物的表面温度分布一一对应。

2.2红外探测器的选择

在煤矿红外辐射测温技术中,探测器作为进行温度探测的核心部件，起着至关重要的作用，红外辐射探测器主要由敏感元件、红外辐射输入口、透镜、滤光片等结构共同组成，主要是实现红外辐射能向光电能的转化功能。

由于煤矿井下恶劣的生产环境，对于探测器敏感元件的选取也极为重要，目前经常使用的主要包括光子探测器以及热探测器两类。基于煤矿电器设备高温检测对于响应速度的要求不是特别高，因而热探测器相对来讲在煤矿高温电器设备的温度检测的应用更为广泛。对于热探测器来讲，煤矿高温电器设备使用的是热释电器件以及热电堆为主要元件，热释电器的响应速度快、居里点较高、但输入的入射参数需要进行预先调制处理，提高了机械部件的可操作性。而热电堆元件不需要进行调制与偏压处理，且所需用电量也较小，稳定性高，但元件的参数响应较慢。因而，煤矿高压电器的测温控制大都采用热电堆为测量元件的红外薄膜。

2.3红外辐射波长

进行煤矿高压电器设备的辐射能量需要通过大气的传播作用才能进入的测温一起中，因此，需要进行探测器接收波段的调试工作，当大气中能够投过3个红外时，即1.2-2.4um、3.1-5.2um、8.6-12.8um.但煤矿由于特殊的工作环境，红外辐射收到煤矿粉尘、可燃气体、颗粒的作用而发生散射、折射想想。造成光强的削弱，降低了温度测量的准确性。

2.4光学系统与镀膜

光学系统对于煤矿高温电器设备的红外测温技术起到了重要的能量传输作用，光学系统将所收集的红外辐射能量传递到探测器上。光学系统主要分为光纤式光学系统、反射式光学系统、透射式光学系统。目前矿井高温电器设备都采用的是透射式光学系统,透镜不仅能够进行光线的传输作用，同时具备防尘作用。透镜多数采用的是的锗单晶材料,由图3-1中锗红外透射曲线可以看出，锗的投射范围保持在4-15um之间。而煤矿高温电器的光传播长度远远超过这个范围，因此，需要在锗单晶透镜上进行增透膜的镀层处理。进行镀层后的锗单晶透镜将原本只能进行50%的透射率提高到了85%以上，而更加高效的增透膜的透过率可以达到惊人的98%,这样就大大提高了光学系统的使用性能。同时，为了确保光学系统能够在恶劣的煤矿环境下高速有效的运行，可以采用金刚石材料的增透膜进行处理，有效的保障了光学系统的耐腐蚀性、耐磨性。提高了系统的稳定性。

图2 锗红外透射曲线

3 使用红外热像仪时的注意事项

根据煤矿实际的生产环境和煤矿电器设备的运行状况，在使用红外辐射测温设备时要需要注意以下几个 方面。

3.1测温范围的确定

热像仪的温度范围的测量是衡量一起性能的一个重要标准。不同型号不同规格的热像仪都具有自身设定的测温范围。因此，在煤矿高压电器的实际测量过程中，要根据被测量物体的实际温度范围来进行热像仪的选择。仪器的测温范围既不应该过窄，也不能过宽，把握合理适用的原则。

3.2被测量目标的尺寸确定

红外热像仪的可以依据设计原理不同分为单色测温仪和双色测温仪。采用单色测温仪进行温度的测量过程中,被测量物的表面积应该全部充满热像仪的视线。若是目标的尺寸较小，则被测物的背景辐射就会对热像仪器的测温数据进行干扰，造成很严重的测量误差。相反，目标尺寸选择过大，就避免了被测量目标背景红外辐射的影响因素。

3.3光学分辨率的确定

热像仪的光学分辨率主要由被测物与热像仪的距离和测量产生的光斑直径之比来进行确定，若热像仪受到煤矿生产环境的限制需要装备在远离被测物的一端，而同时要进行较小被测物的测量工作时，则应该选择分辨率较高的光学热像仪。

3.4波长范围的确定

热像仪的波长取决于被测物的发射率以及表面特性。对于具有高反射率的被测物来讲,具备较低的发射率变化，因而，在高温区对测量材料的波长选择主要集中在0.18-1.0um之间。其他低温区可以进行不同波长的选择。在实际使用过程中，由于某些材料对于一定范围的波长呈透明状态，热像仪的红外能量可以直接投过被测物，因此，此种材料可选择1.0um、22um、和3.9um的较短波长。

4 结语

红外辐射测温技术作为新兴的一门高科技测量技术，在煤矿行业中发展与应用越来越广泛。基于红外辐射对煤矿高温电器的温度场检测，能够迅速、可靠的得到需要的结果，进行事先对电器故障的快速确定与解决工作。当然，红外辐射测温技术在煤矿井下的使用由于起步相对较晚，因此在今后的工作研究过程中，还需要进行大量的研究工作，包括对于温度、风速、湿度等因素进行综合研究的过程等。只有这样，才能保证我国煤矿企业的安全高效的发展。

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Infrared radiation thermometry techniques in the coal high voltage electrical detection

Wang Xingju1,Huang Zongjian1,Li Jinzhao2
(1.Department of Architectural Environment Equipment Engineering Henan Polytechnic Institute 473000;2.Henan Costar Group Co., Ltd，473000)

Infrared radiation thermometry techniques have real-time,convenient and non-destructive,which is widely used in electrical products,temperature detection,especially in high-voltage electrical equipment due to coal mining complex run construction environment,conventional means is difficult to accurately measure the temperature changes,and infrared radiation thermometry can quickly and accurately measure high voltage electrical coal mines.This article from the infrared radiation thermometry in the coal high voltage electrical temperature measurement standpoint,focusing on the formation mechanism of the infrared radiation thermometry,testing methods and testing techniques to note,as the actual production process to provide a reliable theoretical basis.

infrared radiation;mine high voltage electrical;Planck's law