浅谈一种关于开关柜红外测温的方法

罗文清 蔡嗣焜 黄永州 陈小鑫 吴鹤雯

【摘 要】开关柜作为电力系统重要的供电设备，其运行稳定性直接影响电力系统的正常运行，而其常因内部触头发热导致开关柜爆炸。本文利用物体表面向外辐射的红外能量，将红外能量转换为温度信号，实现对开关柜温度的监测。在红外测温技术研究的基础上，对开关柜红外测量方法进行了探究，并给出了矩阵式红外测温仪的设计过程以及红外探测器、数据信号处理的设计方法，对所产生的温度误差进行了原因分析，并提出了改进措施。

【关键词】红外测温；开关柜；云台；探头；

一、红外测温的基本原理

红外测温的原理是利用红外技术及相关领域的理论，即任何物体高于绝对零度时都会向外界辐射红外线，其波长为0.76到1000微米。从规律上来看，红外线与普通光线一样，都是客观存在的，具有电磁波性质。由于红外辐射随波长与温度的变化有一定的规律，因此可以利用物体辐射的红外线测量物体的表面温度，根据物体发出的红外辐射能量，利用红外透镜实现能量的聚焦，并将这些能量汇集到探测器上，由探测器将信号转为模拟信号，经过放大，滤波处理之后，得到与物体辐射强度成一定关系的温度信号，再通过数字信号输出完成温度检测。

二、矩阵式红外测温仪的总体设计

该测温装置采用红外测温探头，基本软硬件架构由数模转换电路、人机交互、温度判断逻辑及Zigbee收发电路组成，所获取的数据通过Flash、RAM芯片存储起来，便于后期数据查询与调取。在硬件设备上，CT取电装置是电源模块的核心装置，通过取电保护电路来满足装置供电系统的稳定安全运行。硬件架构图如图1所示。

矩阵式测温仪是集合微电子、光学、精密机械、温度测量、数据处理等技术为一体的现代科学技术，在温度定标时采用替代法，能够克服当前市场上红外测温仪辐射率的修正问题。而本文所设计的新型红外测温仪能够效仿非制冷红外热像仪，探头结构将测温仪探头矩阵化，其探頭矩阵元可以根据用户需求来确定，探头矩阵元数远小于传统红外热像仪。另外，还可选择普通半导体光学材料加工成矩阵式探测器，这样可以大大降低成本。图2给出了矩阵式红外测温探头的基本结构，由光学系统、探测器阵列、模拟放大电路、模数转换单元与信号输出编码构成。

从性能指标上来看，该矩阵式红外测温仪的核心部位是矩阵红外探头。其作用是将接收到的红外辐射能量转为模拟信号。模拟信号经过放大倍率后再转换为数字信号，利用软件对数据进行处理、运算，最后生成可以反映物体表面温度分布情况的温度阵列表，通过算法进一步确定测量区域温度，平均温度等信息，具体的测温范围可由0到500℃，响应时间为5毫秒。红外探测器探头的性能参数经过修正后，测试合格才可以投入使用，调整好光路后，将矩阵式探侧器放在合适位置，调节调压变压器，改变白炽灯温度，利用灵敏度较高的台式电流表测量其电流变化，通过测试可以得到测试电流与所得实际温度值呈线性关系，具体数据如图3所示。

三、红外测温仪信号处理的相关设计

数字信号处理系统是红外测温系统中的重要组成部分，数字信号处理部分是该测温仪的软件部分。红外辐射温度探测器可以输出数字信号，该数字信号处理系统包括前置放大、主放大、滤波、多路传输等部分，在单片机的控制下有序完成信号采集工作。从系统软件上，可以通过数据处理以及上位机进行温度显示，而数据处理系统所完成的功能包括放大、滤波、中断服务、串口通信、信号采集等，上位机温度测量界面的显示则由VC++编程来实现，用户界面采用菜单和对话框的交互界面来完成。相比之下，数据处理系统是通过硬件来实现的，需要软件编程对系统进行命令控制，然后才能完成数据的采集，转换和处理，由于c语言是一种可读性强，可移植性较好的编程语言，运行维护简便，利用c语言对单片机编程可实现数据信号转换。通过完成单片机编程，能够对数据采集系统模块发出命令，控制模块执行功能。在单片机控制下，通过转换器将模拟信号转换为数字信号，使采集到的信号存于单片机中，在数据处理的过程中由矩阵式探测器经过滤波和放大后，通过采集模块将模拟信号转为数字信号并输出，在单片机控制下将温度信号储存于指定位置。当数据采集完成后，通过串口通信显示在上位机上。具体的程序流程如下图4所示。

上电完毕后主控制程序进行初始化，读取外部设置参数，自检正常后匹配Zigbee参数，进入测温模式。完成所有信号采集之后，在单片机中进行数据处理，将处理好的数据储存于Flash中，通过串口信号将数据显示到上位机的指定模块，以实现对温度的处理和显示。I/O数据采集包括选择采集通道、数据采样控制和数据读取。数据处理是从AD转换器收集数据后并处理，再将数字转化为可通过串口通信传输的形式。由于这部分数据量较大，因此需要将数据先储存在RAM中，再存储到Flash芯片内，再通过Zigbee或者串口传输到上位机中。

四、误差分析

图5与图6给出了本次试验中的温度测量信息与不同温度下的温度误差。由于无法在完全理想的状态下进行红外测温系统设计，因而很难避免测量误差，考虑温度测量并非对物体表面直接进行测量，而是通过物体发出的辐射能来获取数据。根据现有研究结果，物体的周围环境因素，测量距离，发射率等原因都会导致其产生误差。基于理论分析，我们认为该系统产生的误差来源主要是由于探测器灵敏度，稳定性及探测率等因素。不同探测器之间存在一定的测量误差，硬件系统在设计时由于各部分测量精度不一致，也会产生误差。根据上述误差产生的原因分析，为了能够提升系统测量精度，减小误差，可以在设计的各个阶段都进行完整的性能测试，以提高整体测量精度。在设计系统硬件部分时需要进行硬件匹配，考虑添加相应的温度补偿电路，来减少误差。

小结

本文针对矩阵式红外测温仪的设计进行总体阐述，在基本理论上进行详细分析，给出其探测器信号处理的具体设计方案，在数据信号系统设计时发现，探测器及信号设计处理部分是系统的核心部分，探测器性能直接影响系统的整体性能，而信号系统设计会影响最终的测量精度。由于受到多种因素的影响，一定程度上影响测量数据的精度，需今后研究学者进一步分析设计开关柜的红外测温信号处理系统，以提升整个测温性能。

参考文献：

[1]姜荣霞.10kV封闭式开关柜在线红外测温方法的应用[J].电工技术，2011（6）：1-1.

[2]黄雨燕.浅析红外测温技术在变电运行中的应用[J].中国新技术新产品，2016（20）：44-45.

[3]邹小勇.应用于数字化MNS低压开关柜的红外测温模块设计[J].机电技术，2018（2）：40-41.

作者简介：

罗文清：男，1991年出生，电力工程助理工程师，主要研究方向：变电设备检修与监测。

（作者单位：国网福建省电力有限公司漳州供电公司）