基于单片机控制的红外温度在线监测

发表时间:2016/6/14   来源:《电气试验》2016年6期   作者:郭珂,李宁,龙孟姣,刘航
[导读] 通过传感器的测量和单片机的控制,修正测温结果,为红外诊断设备故障提供了重要的参数信息,提高了电力设备运行的可靠性。

郭珂,李宁,龙孟姣,刘航
(重庆大学电气工程学院,重庆 沙坪坝 400030)
Infrared Temperature On-line Monitoring Based on MCU Control
LI Ning,LONG Mengjiao,LIU Hang
(School of Electrical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030)
摘 要:现代电力网络中,红外测温技术是各类电气设备实时在线检测的一种重要的技术,本文分析了影响红外测温精度的主要因素,并针对室内高压开关柜的温度测量设计了温度在线监测系统,通过传感器的测量和单片机的控制,修正测温结果,为红外诊断设备故障提供了重要的参数信息,提高了电力设备运行的可靠性。
关键词:红外测温;精度;在线监测;温度修正
Abstract: In modern power grid, infrared temperature measurement technology is an important one for all kinds of electrical equipments with real-time on-line monitoring. This paper analyzes the main factors influencing infrared measuring temperature accuracy. And the paper focuses on temperature measurement for the high voltage switch cabinets while a temperature on-line monitoring system is designed. Then through the measuring of a sensor and the controlling of a single-chip microcontroller, the measuring temperature result is to be corrected. It provides a kind of important parameter information for the infrared diagnostic equipment failures. And it can improve the reliability of the electrical equipment operation.
Key words: infrared temperature measurement; accuracy; on-line measure; temperature  revision

0 引言
       红外测温技术作为电气设备在线监测与故障诊断的一种重要技术,其关键是检测数据结果的真实性和可靠性。由于现代电力系统正朝着大电网、高可靠性、高自动化水平的方面迅速发展,对电网智能化的监控水平已成为国内外高度重视的关键问题,而电网中最薄弱的环节就是众多高压电气设备本身和设备之间的联接点的发热问题。在电力系统中.高压开关柜的应用相当广泛.担负着关合及开断电力线路、保护系统安全的双重功能.而柜内导电连接处的接触特性直接影响到开关柜工作的可靠性[1]。
       高压开关柜分为户外式和户内式两种,及以下多采用户内式。本文针对户内式高压开关柜母线连接处的温升作为被测目标,设计实现了其温度在线监测系统,为其故障诊断提供必要的参数信息,这对于保证开关柜的正常运行,提高电力系统运行的可靠性和自动化程度都具有重要意义。通过实验验证,红外在线测温系统的测温精确度得到大幅度地提高。
1  红外测温原理
       红外测温仪是以黑体辐射理论为基础, 通过测量被测目标的红外辐射能量, 经黑体定标后确定被测目标的温度。根据普朗克辐射定律:
 
开关柜作为被测目标,设计实现其红外在线测温系统。
2  红外测温影响因素与误差分析
影响红外测温的因素有很多,如大气影响、测试背景影响、物体辐射率的影响、距离系数的影响、相邻设备热辐射的影响, 工作波长区域范围的影响和瞬时视场角的影响等[3]。本文根据室内高压开关柜的实际情况,着重分析发射率、环境温度、距离系数因素的影响程度,并针对各自的影响程度,综合考虑进行温度衰减修正补偿模型的建立。
2.1  发射率的影响
       物体发射率的大小与物体的材料、形状、表面粗糙度、凹凸度、氧化程度、颜色、厚度等有关[3]。因此不同物质的辐射率是不同的,在红外测温仪接收来自目标红外辐射功率相同的情况下,因目标的表面发射率不同,将会得到不同的检测结果[4]。物质的发射率可从《辐射测温中有关物体发射率的数据》中查得,但是要根据不同被测目标的表面情况做适当地修正,才能符合实际被测目标的测量结果。因此,利用红外测温时,首先需确定被测目标表面的实际发射率。

这样便产生了较大的误差,必须予以补偿修正。由此可见,发射率的选定对测量结果的精度具有重要影响。所以在用红外测温仪测温时, 对被测物体的辐射率设定应尽量准确, 并根据被测的物的形状,改变不同的检测角度和方向,以提高测温的精度。
2.2  距离系数的影响
       被测目标的尺寸和红外测温仪的光学特性决定了被测目标和测量头之间的最大距离,距离系数K对红外测温的精确度有很大的影响,K 越大,光学分辨力越高。为了避免引起测量误差,被测目标应尽量充满探测头的视场,并有一定的盈余,故距离系数K的选定也很重要。因此为确保测量精度,应保持被测点始终小于被测物体或至少与被测目标相同尺寸,进行红外测温时,除需要满足电力设备安全距离的要求以外, 还要满足测温仪器本身要求, 角度也要相对固定,这样才能保证测温的准确可靠性和较好的可比性。本次研究所用红外测温仪IS-500V距离系数K为30:1,测量距离在允许范围之内。
2.3  环境温度的影响
       被测目标所处的背景环境温度对测温结果也有较大的影响,例如太阳光,会引起被测目标周围环境温度的变化,而且太阳光的反射和漫反射波长为3 ~ 14μm,与在线式红外仪测温仪工作波段8 ~ 13μm有部分重合,因此太阳光辐射的部分能量也会进入红外测温仪的视场范围内,从而引起测温误差。本次研究对象针对室内高压开关柜,因此避免了太阳光所引起的测量误差。
3  在线温度监测系统
       高压开关柜在线测温系统的设计原理是通过目标位置校准,利用红外测温仪测量被测目标的初始温度,同时通过温度传感器、湿度传感器测量环境的温度、湿度,并通过单片机的程序控制,修正被测目标的辐射率,综合影响因素,补偿衰减部分,最终通过显示器显示被测目标的表面真实温度值,当温度超过其安全运行的要求时,自动进行报警,采取相关的安全措施。其结构框图如图1所示:
   


图1 高压开关柜温度在线监测系统框图
红外测温实验测量的环境条件选择为:室内且无灯光、被测目标周围无其他温度较明显的物体干扰。首先确定被测目标的辐射率:由于近距离时被测目标的红外测温受其他因素影响较小,因此根据发射率的误差分析中


 

由理论分析并结合实验验证可知,在一定的距离范围内,红外测温仪测得温度与被测目标表面温度较为接近;如果不加以温度补偿,则当超过一定的距离并随着距离的增大,二者之间误差越来越大,这就要求实际远距离测量中必须利用补偿模型来修正由于大气衰减以及环境的影响。通过修正补偿模型,能够很好地补偿室内高压开关柜远距离测温的精度,为其安全运行提高可靠的温度数据,提高电力系统运行的可靠性和自动化程度。
4 讨论
       可根据红外在线测温系统的历史测量数据,并实时绘制温度曲线与历史曲线进行对比,实时反映被测目标的表面发热情况。当对多台高压开关柜进行监测时,可将各个高压开关柜的实时温度进行横向比较,以及对某一开关柜的温度监测值进行纵向比较对每一个高压开关柜的温度检测值进行纵向比较,当某一开关柜出现异常时,其温度值的变化速率会突变,从而判断开关柜是否存在故障隐患。
参考文献:
[1]张艳,田竞,叶逢春,路灿,基于红外传感器的高压开关柜温度实时监测网络的研制,高压电器[J],2005,4
[2]余怀之.红外光学材料[M].北京:国防工业出版社,2007,1
[3]张爱全. 影响红外测温的主要因素及对策[J],光机电信息,1999,10(16)
[4]崔雨,李鸿.红外测温仪的原理与实际应用指南[J],自动化与仪表仪器,2009,6(146)
[5]E.M.斯·帕罗.R.D.塞斯.辐射传热.北京:高等教育出版社,1982 
[6] Electro-Optics Handbook, RCA(Commercial Engineering), New York:Harrison,1974,Chapter7.

[基金项目]:重庆大学国家大学生创新性实验项目(编号1210611025)

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