在线式接触网红外测温装置测温误差分析

周 吉



在线式接触网红外测温装置测温误差分析

周 吉

结合在线式接触网红外测温装置的工作原理和特点，通过实际测试数据验证了测温距离和锗窗口透过率对测温误差的影响，提出测温误差矫正补偿方法，以提高供电检测精确度，从而指导铁路供电设备的检修维护，提高设备运行质量。

接触网测温；误差分析；矫正补偿

0 引言

电气化铁路牵引供电系统由牵引变电所、接触网、电力机车3部分构成。牵引变电所将来自国家电网的110 kV、220 kV高电压降为27.5 kV，并以单相电的形式输送至接触网为电力机车供电；接触网是架设在铁路线路上空，向电力机车供给电能的一种特殊形式的输电线路；而电力机车则依靠自身携带的受电弓与接触网滑动摩擦接触获取接触网输送的电能作为能量，由机车上的牵引电机驱动机车行进。

在线式接触网红外测温装置（以下简称测温装置）安装在电力机车上，实现对接触网关键零部件进行实时温度测量，并对高温异常缺陷进行自动检测监测。该装置采用红外相机对接触网实现全天候、全工况、非接触式温度测量，具有远距离、不停电、不接触、直观、快速、安全、应用范围广等优点[3]。研究该红外测温装置的测温误差影响因素，并进行针对性矫正补偿，可全面提高接触网温度测量的准确性，有利于指导铁路供电设备检修维护，提高设备运行的可靠性。

1 测温装置的工作原理

自然界中的任何物体，只要温度高于绝对零度（-273 ℃），就会以电磁波的形式向外辐射能量。当物体的温度在1 000 ℃以下时，热辐射最强的是红外辐射。高压电气设备发生故障时，会向外辐射一定的红外热量[2]，因此利用红外相机（红外热像仪）对铁路接触网进行温度测量从而达到检测故障的目的是可行的[11]。

测温装置主要由护罩、红外锗窗口、红外相机等构成。其典型应用是安装在电力机车的车顶（图1），随着列车的运行，实现对铁路沿线接触网区域的实时温度测量，并对其中的典型高温异常缺陷进行自动监测报警。接触网设备诸如接触线、吊弦线夹、绝缘子、锚段、分段绝缘器等向周围环境辐射能量，能量通过空气传输，穿过红外锗玻璃，进入红外相机内部。之后，该部分辐射的能量被红外探测器（sensor）接收，通过光电（热电）转换，能量信号转换为电信号，经过A/D采样量化以及必要的滤波处理，转换为温度数据，最终以红外图片的形式输出。测温装置的工作原理[5，6]如图2所示。

2 测温误差影响因素分析

由物体发出的红外辐射在穿过大气到达红外相机测量系统时会发生衰减，其衰减主要来自气体分子（二氧化碳、硫化物、氮氧化合物、水蒸气等）和各种微粒（尘埃、雨、雪等）的吸收和散射[2]，气体分子吸收辐射，微粒散射辐射。衰减使得物体发出的红外辐射无法全部进入到测温装置，被测物体与测温装置之间的距离越远，辐射衰减越严重，测温装置的测温误差越大。

图1 在线式接触网红外测温装置示意图

图2 测温装置工作原理

为验证测温距离对测温精度的影响，采用经国家计量单位校准的黑体作为标准热源，测温装置位于不同距离的工作位置时，采集黑体靶面中心测量的平均温度值。另外，为了使红外相机能够准确聚焦、清晰成像，测温装置根据不同测温距离，适配相应焦距的镜头。采集的测试数据如表1所示。由表1数据可以看出，测温距离越长，温度误差越大。

从图2中不难发现，物体辐射的热量在进入到相机之前，必须透过护罩外的红外锗材料光学窗口。红外锗窗口作为一种光学玻璃器件，在红外辐射透过的同时，必然会发生散射、折射甚至吸收部分能量[4，7]。因此，锗窗口的透过率会影响测温装置的测温精度[8，9]。为了验证锗窗口透过率对测温精度的影响，选择使用年限不同的几种锗窗口安装在测温装置护罩上，并在5 m远工作位置处放置黑体进行测温对比测试，测试结果如表2所示。由表2可知，使用年限越长的锗窗口，测温误差越大。

表1 不同测温距离对测温结果的影响 ℃

表2 不同使用年限的锗窗口测温结果对比 ℃

3 测温装置误差矫正补偿

根据上一节的描述和相关试验数据不难发现，影响测温装置测温误差的因素为被测目标与测温装置的距离及锗窗口透过率。因此，接触网上被测目标的真实温度可以表示为

=0+(1) +(2) （1）

式中，0为相机实际测量的温度；(1)为对测温距离造成误差的补偿；(2)为对锗窗口透过率造成误差的补偿。

针对不同工作距离引起的测温误差，根据表1统计测温装置在不同工作距离下的测温误差，绘制得到图3所示的二维折线图。

图3 不同距离的测温误差

显然，测温距离不同造成的测温误差，其补偿矫正(1)可用一个线性函数表示，即

(1) =+（2）

不同测温距离对应的测温补偿矫正函数的参数略有区别，根据表1和图3中对应的数据，利用函数拟合可以给出5～11 m测温距离内的和这2个参数的取值，如表3所示。实际测温矫正补偿过程中，根据该表格查找测温装置工作距离对应的参数即可。根据测温装置的实际应用，不存在测温工作距离低于5 m或超过11 m的情况。如果在实际应用过程中，受到电力机车车顶安装空间等因素的限制，测温装置的实际工作距离无法在表3中查找到，则需要利用分段线性插值的方法进行计算，即

式中，D和D+1代表测温装置实际工作距离处于表3的上下区间范围，k和k+1表示上下区间对应的距离误差补偿参数。

针对锗窗口透过率引起的测温误差，根据表2统计测温装置配置不同使用年限的锗窗口所引起的测温误差，得到图4所示的二维折线图。

表3 测温距离误差矫正补偿参数

图4 不同使用年限的锗窗口测温误差

根据表2和图4中的相关数据，不难发现锗窗口透过率引起的测温误差可以表示为

(2) = (1-)（5）

其中，红外锗窗口透过率定义为

式中，1为未使用锗窗口遮挡的情况下，红外相机测量的黑体温度；2为使用锗窗口遮挡情况下，红外相机测量的黑体温度。

对表2所使用的几种锗窗口的透过率进行测量，结果见表4。

表4 锗窗口透过率对比分析

综合以上计算式，被测目标的真实温度可表示为

综上所述，对测温装置测温结果进行温度矫正的步骤如下：

（1）根据测温装置的工作距离，参考表3选取相应的距离矫正系数和；

（2）测量锗窗口透过率，计算方法见式（6）；

（3）将相应的参数代入式（7），计算得到被测目标的真实温度值。

为了验证以上温度矫正补偿方法的实际效果，随机选取了测温距离分别为5、7、9、11 m，锗窗口使用年限在0～5年之间的测温装置，其进行温度矫正之后的测温结果如表5所示。由表5数据可知，经过矫正补偿后的测温结果其误差值大大降低，不同距离的测温最大误差值均在2 ℃以下，满足《车载接触网运行状态检测装置（3C）暂行技术条件》和《接触网供电设备地面监测装置（6C）暂行技术条件》中测温精度±2 ℃的相关要求。

表5 经过矫正补偿的测温结果 ℃

4 结语

本文根据在线式接触网红外测温装置的应用场景和工作原理，分析并试验了测温装置误差主要影响因素为测温距离和锗窗口透过率。结合接触网红外测温装置的实际应用情况，通过相关分析，给出测温装置的温度矫正补偿计算方法，并对矫正补偿效果进行测试。测试结果表明，该温度矫正补偿方法实用有效，可提高测温的精确度。

[1] 杨志鹏，张文轩，盛良，等. 6C系统红外热成像测温装置测温性能评定方法研究[J].铁道技术监督，2017（12）：8-11.

[2] 罗军川. 电气设备红外诊断实用教程[M]. 北京：中国电力出版社，2013.

[3] 陈忠源，王博，党乐，等. 浅析红外测温技术在电网系统的应用[J].电气技术，2017，18（8）：97-100.

[4] 李操. 测温红外热像仪测温精度与外界环境影响到关系研究[D].长春理工大学，2008.

[5] 邱巍巍. 红外测温技术应用于变电站图像监控系统的研究[D].华北电力大学，2006.

[6] 晏敏，彭楚武，颜永红，等. 红外测温原理及误差分析[J]. 湖南大学学报（自科版），2004，31（5）：110-112.

[7] 周立杰. 红外测温中辐亮度的非线性校正[D].西安工业大学，2007.

[8] 范书彦. 红外辐射测温精度与误差分析[D]. 长春理工大学，2006.

[9] 李云红，孙晓刚，杨幸芳，等. 红外热像仪测温精度的理论分析[J]. 西安工程科技学院学报，2007，21（5）：635-639.

[10] 官上洪，王毕艺，赵万利，等. 红外热像仪测温精度分析[J]. 光电技术应用，2012（3）：85-88.

[11] 李鹏程. 基于红外测温技术的变电设备缺陷诊断分析[D]. 华北电力大学，2014.

[12] 孙丽. 距离对红外热像仪测温精度的影响研究[D].长春理工大学，2008.

[13] Thermal Infrared Characterization of Ground Target And Backgrounds; P.A.Jacobs; SPIE Optical Engineering Press; 1996.

[14] 中华人民共和国发展和改革委员会. DL/T 664-2008 带电设备红外诊断应用规范[S]. 北京：中国电力出版社，2008.

With connection to the working principles and characteristics of online OCS infrared temperature measurement device, and with analyzing the influences to the temperature measurement error caused by the distance for temperature measurement and window of transmittance of germanium on the basis of practical tested data, the corrective and compensative method for temperature measurement is put forward so as to improve the power supply inspection accuracy, guide the inspection and maintenance of railway power supply equipment and improve the equipment operation quality.

Temperature measurement of OCS; analysis of error; correction and compensation

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.013

U226.8

B

1007-936X(2018)05-0047-04

2018-03-26

周 吉.中国铁路太原局集团有限公司供电处，工程师。