红外热像仪测温精度的影响因素

蒋张威

摘要：红外热像仪在换流站内广泛应用，具有不接触、不停运、不取样、不解体的“四不”优点。本文以FLIR P640红外热像仪测量换流阀TFM板均压电阻为例，充分结合理论分析和测温实例，分析了发射率、测试环境、大气条件、测量距离、测量角度等对红外测温的影响，对提高红外测温精确度及现场故障分析具有积极意义。

关键词：红外热像仪;红外测温;热辐射

中图分类号：TP79          文献标识码：A

电气设备红外测温技术对换流站电气设备的安全运行具有重要的意义。电气设备产生故障的物理机制涉及电、磁、热、力等方面，但大多数故障可通过温度为具体表象呈现出来，因此温度是检测电力设备运行是否正常的一个非常重要的参数。通过对设备发热情况的分析，可及时发现缺陷，防止恶化。

相比于常规的感温贴纸、热电偶等接触式测温，红外热像仪测温有不接触、不停运、不取样、不解体的“四不”优势。因此，红外测温技术在换流站中得到了广泛应用。换流站内电机、轴承、变压器、母线、板卡等关键敏感设备的日常巡检等均离不开红外热像仪。红外热像仪使用简单方便，但仍有多种因素影响测量结果的准确性[1]。

1    红外测温的原理及仪器构成

1.1 黑体辐射

当物体表面温度高于绝对零度就会发射出红外辐射，被测物表面的温度将直接影响其红外辐射能量的强弱及能量按波长的分布。因此，我们可以通过测量物体的红外辐射，得到物体的表面温度及分布情况。

对于理想的辐射源—黑体而言，辐射能量与温度的关系符合普朗克定律，即：

式中：Pb（λT）—波长为λ，热力学温度为T时黑体单位面积红外辐射功率，W/（cm2·μm）;

C1—第一辐射常数，C1=37145W/（cm2·μm） ;

C2—第二辐射常数，C2=1.4388cm·K;

此公式可得出如下曲线。

从图1中曲线可以看到，伴随着物体温度的上升，辐射能量增强，这是红外辐射理论的出发点，也是红外热像仪的根本设计依据[2]。

同时，根据史蒂芬-波尔兹曼定律，物体红外辐射的总功率与温度的关系为：

P=εδT4

式中：P—物体红外辐射的功率，W·m-2;

T—物体的热力学温度，K;

ε—物体表面红外发射率;

δ—史蒂芬-波尔兹曼常数，5.67×10-8W/（m2·K4）。

根据史蒂芬-波尔兹曼定律，不难发现，物体红外辐射的能量水平和其热力学温度的四次方及物体的表面辐射率成正比。温度越高，红外辐射越强，物体温度的细微改变将显著影响物体红外辐射强度。因此可以通过测量物体的红外辐射，得到物体的表面温度值。

1.2 红外热像仪的组成

不同生产厂家、不同型号的红外热像仪因适用场景不同，外观设计及内部构成也不同，但其主体结构大同小异，主要部件由光学成像系统、红外辐射传感器、数字信号处理回路和显示器等组成。其中的光学系统主要决定了测温仪视场的范围的大小[3]。

根据上述原理，红外热像仪利用其自身所具有的光学系统，汇聚其视场内的辐射能量，通过一定的光谱过滤后获得红外辐射并将被测物体的红外辐射分布情况聚焦在红外传感器上，在传感器上将红外辐射能量大小及分布转换为相应的电信号。电信号在数字信号处理回路中通过一系列的复杂处理后，在显示器上将红外热像以伪彩色图像或灰度图像的形式呈现被测物体的温度分布情况。详见图2。

2    影响测温结果因素

测温过程中的多种因素都将对测量结果产生影响。因此，作为运维人员有必要了解红外热像仪内工作原理、测量方法、参数设置，通过采用较优的测量方法、准确的参数设定及对结果的后期分析修正获得更加精确的温度数值。本文将以FLIR P640红外热像仪测量换流阀TFM板均压电阻为例，选取不同条件下的7个测温点作为样本，讨论物体发射率、测量环境、大气条件、测量距离、测量角度等因素对测温精度的影响。

2.1 物体的发射率

物体散发的红外辐射功率与相同条件下理想的黑体辐射功率之比，即为辐射率。

式中：PL—物体在单位时间内红外辐射的功率;

PK—黑体在单位时间内红外辐射的功率。

物体的辐射率由表面材质、颜色、表面粗糙度及表明处理工艺所决定，一般从0.1至0.95不等。表面粗糙或被氧化的金属表面比相同材质的光滑金属表面相比，辐射率要高的多。例如，表面抛光的铜輻射率为0.02，而表面氧化变黑的铜辐射率为0.78。而非金属材料，其辐射率一般在0.85至0.95左右，并且受材料表面状态影响小。这也是一般使用非金属材料作为参照物来标定辐射率的原因[4]。详见表1。

不同材料或相同材料的不同表面状态下的发射率变化很大，因此我们在测量设备前应该根据被测物体物理特性的不同，按照仪器说明书所附的物体辐射率对照表，正确地按照被测物体设定相对应的辐射率，以提高测量精度。详见图3。

图3中TMF板卡均压电阻为测温目标，划分7个测温区域，考察7个区域内的最高温度。在短时间内，分别将辐射率设置成0.7、0.8、0.9、1.0，拍摄红外照片，分析测温结果如下。详见表2、图4。

可见，测温结果符合史蒂芬-波尔兹曼定律，温度值与辐射率呈线性关系。

为准确地获得物体的辐射率，可通过查表的方法，亦可使用绝缘胶带进行标定。

标定方法：

①在被测物体上放置一批黑色绝缘胶带;

②将被测物体的温度至少加热至高于室温20K，加热必须相当均匀;

③聚焦并自动调整照相机，冻结照相机中的图像;

④将测温仪的辐射率设置为绝缘胶带的辐射率（通常是0.97）;

⑤记下绝缘胶带温度;

⑥调节辐射率至被标记物体的温度值与调节前的绝缘胶带表面温度一致，此时的辐射率即为物体的辐射率。

2.2 测量环境

测量环境对测温结果的影响因素主要是光照和风速。当测量室外物体时，反射和漫反射的太阳光会叠加在被测电力设备的表面，导致测温结果偏大。室内白炽灯等照明热源也会产生类似的影响。傍晚、阴天进行测量和场地内的熄灯测温都是简单实用的解决方案。

当被测物体处于风力较大的环境时，快速的流动空气将显著增大散热系数，使测量温度偏小。风力影响可按照以下的经验修正公式修正：

式中：T1—在风速F1下的温升，K;

T2—在风速F2下的温升，K。

2.3 大气条件

大气作为热辐射的传递介质，主要影响体现在以下方面。一是大气分子的吸收作用，如遍布在空气中的水蒸气、二氧化碳、臭氧等都能吸收红外辐射;二是悬浮粒子的衰减作用，如尘埃、雾气等;三是分子及悬浮微粒的散射作用。

2.4 测量距离

由前述可知，大气会吸收、衰减、散射红外辐射。当测量距离越大时，红外辐射的强度越低。同时，在红外热像仪像素有限、焦距固定的前提下，随着距离的增加，同一被测物的投射到传感器上的面积缩小，使其输出的信号质量下降，影响测温精度。详见图5。

以测量换流阀TFM板均压电阻为例，我们在其余测试条件不变的情况下，分别在3米、8米、12米拍摄红外照片，分析测温结果如下。详见表3、图6。

随着测温距离的增加，因大气条件引起的红外辐射能量衰减越严重，使测量温度值下降，大大影响了测温精度。因此为测得物体准确的温度，应尽量靠近被测物体，避免红外辐射衰减及像场减小引起的测量误差。

2.5 测量角度

辐射的空间分布定律-朗伯余弦定律，所谓朗伯余弦定律，即黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比。详见图7。

此定律表明，黑体辐射在表面法线方向的辐射最强。因此，实际进行红外测温时，应尽可能选择在被测表面法线方向进行，如果在与法线成θ角方向检测，则接收到的红外辐射信号将减弱成法线方向最大值的倍数。

但针对TMF板均压电阻等均匀发热的圆柱形物体，在平视情况下，测温方向均与表面垂直，角度对测温结果的影响不大。详见图8、表4。

3    结语

针对上述所列的影响红外测温结果的因素，我们应根据以往缺陷经验及发热缺陷形成原理，列出易产生热缺陷的设备与部位，根据设备材料及表面状态，通过查表或标定的方式确定表面的辐射率，在测试过程中设置准确的辐射率，以提高测温的准确度[5-6]。

为减少测量环境的影响，对于室外设备测温，宜选择在阴天或傍晚进行。对于室内设备，宜采取关灯等措施，减小其他高危辐射源的影响。对于高反射性的设备表明，可采取适当的遮挡或调整角度，避开反射背景辐射对测温的干扰。同时，应避免在大风、大雾、雨雪等不利天气条件下开展红外测温。

测温距离，在符合相应安全距离的情况下，应尽量缩小。并尽可能选择在被测表面法线方向进行测温[7]。

作为电力设备一线运维人员，我们只有在充分了解设备工作原理，掌握科学的使用方法的前提下，才能充分发挥设备与作用，提高测量精度，进而提高换流站运维水平。

参考文献

[1] （美）E.M.斯帕罗R.D.塞斯.顾传保[M].辐射传热.北京：高等教育出版社，1982：384.

[2] 朱麟章.高温测量[M].北京：科学出版社，1991：649.

[3] 程玉兰.红外诊断现场实用技术[M].北京：机械工业出版社，2002：289.

[4] 唐忠，杨春旭，崔昊杨，等.电气设备红外测温影响因数及温度修正[J].上海电力学院学报，2010，26（5）：415-417.

[5] 高小明.影响红外热像仪测量精度的因素分析[J].华电技术，2008（11）：4-7.

[6] 郑子伟.红外测温仪概述[J].计量与测试技术，2006（10）：22-23.

[7] 王晨，施景壘，陶加贵，等.红外测温诊断影响因素分析[J].电力安全技术，2015，17（6）：48-51.