晨怡热管 >> 资料积累 >> 辅助知识 >> 红外测温仪在电气防火安全检测中的应用

红外测温仪在电气防火安全检测中的应用

晨怡热管 http://nx8.net/news/42/ 2006-10-2 1:29:42
日期:2006-7-13 9:56:24 来源:来自网络 查看:[大 中 小] 作者:不详 热度:

摘要:简明介绍了现代红外线测温仪的原理、性能,及在电气防火安全检测中的实际应用。

  关键词:现代红外技术;检测方法;电气火灾隐患分析

    在我国电力高速发展的形势下,供电部门的管理仅限于用电单位的高压部分;而低压配电设备、线路等一般皆由用电单位负责管理维护。事实上,由于管理体制不顺、技术力量不足,这方面仍存在着严重的火灾隐患,致使电气火灾多年来居高不下。

    20世纪90年代中期,北京市消防局将红外测温技术应用于电气火灾安全检测工作中,并取得了显著的成效。据统计,这几年北京市电气火灾所占的比例有逐年下降之势(90年代末30%左右降至200023)。目前,全国有不少省市也都逐步地采用红外测温仪检测电气火灾隐患。与此同时,我们也发现了一些问题,如许多企业的电气防火检测人员,由于不熟悉红外测温仪的基本原理及性能,故在用红外测温仪检测过程中,其仪器选择、测温程序、操作方法等都欠正确,检测出的温度误差很大,致使火灾隐患分析和判断有误。下面,笔者仅对现代红外测温仪的原理、性能、检测方法及火灾隐患的分析判断作一介绍,供同行参考。

    电气防火安全检测,当前常用的现代红外仪器有红外点温仪、红外热电视、红外热像仪。

    按显示和功能来分:

    (1)定量测量:红外点温仪;

    (2)定性成像:红外热电视;

    (3)定性成像和定量测量:高性能红外线热电视、红外热成像仪。

1  红外点温仪(红外测温仪)

11  红外点温仪原理

    自然界中凡是绝对温度高于0 K的物体都会产生红外辐射,物体的红外辐射特性、辐射能量的大小及其按波长的分布等,与物体的表面温度有着十分密切的关系。通过被测物体红外辐射能量的测量,能准确地确定物体的表面温度,这就是红外测温的基本原理。

    红外点温仪是以被测目标的红外辐射能量与温度

1  红外点温仪原理图

 

 

 

    在工作时,被测目标的红外辐射能量经仪器透镜会聚,并通过红外滤光片进入红外探测器,探测器将辐射能量转变成电能信号,再经放大器放大,电子电路处理,由以液晶显示器显示出被测物体的表面温度。本仪器功能属于不接触、非扫描的红外辐射测温装置。

12  红外点温仪的主要技术性能

121  距离系数

    距离系数是指测定目标的距离与被测定目标的直径之比。

  KL=L/Ф

  KL——距离系数;

  L——距离(m)

  Ф——目标直径(mm)

    红外点温仪的距离系数越大,表明性能越高,允许被测目标越小。一般用的是可调焦距的距离系数,用数字表示,如:50160175l10013001等。

    距离系数的选择:

    用红外点温仪测温时应明确三个涵义:

    (1)仪器所显示的温度是光学目标范围的表面平均温度;

    (2)被测物体必须充满视场(即光学目标范围),这样测出温度误差小。也就是说“仪器具有足够的距离系数”;

(3)当被测物体不能充满视场,此时仪器除接受物体的辐射能,还接受了来自背景的辐射能量,所以仪表显示的值不完全是被测物体的真实温度,测时误差较大,这也是说“仪器距离系数不足”。用红外点温仪测温时,应注意允许的测量距离(或调焦范围)

测量远距离小目标的温度,应选用距离系数较大的红外测温仪,如选用4001的红外点温仪,可测10m远的目标。只有在测近距离、较大目标物体的温度时,选用距离系数小的红外点温仪。电气防火检测一般是在室内,测试低压供电系统的温度,选用1001601两种距离系数的红外点温仪,即可满足测试的要求。

    122  工作波长与测温范围

红外辐射是波长在0.761000μm之间的一种电磁波,按波长范围分为近红外、中红外、远红外、极远红外。红外辐射波长在电磁波连续频谱中的位置,处于无线电波与可见光之间的区域。峰值波长与温度关系,见表10   

   1  峰值波长与温度关系

 

 

从上表可以看出,物体表面红外线辐射的波长与物体表面分布的温度成反比的关系,温度越高,波长越短;温度越低,波长越长。根据红外辐射这一特性,选择红外点温仪的工作波段。正确选择工作波段区域是至关重要的,被测量物体必须在工作波段区域内有较高的辐射率,较低的透射率和反射率。

电气防火检测测温范围一般在0℃~900℃,且在室内操作,建议选用工作波长814μm812μm。可不选择过宽的测温范围,它不仅价格高,而且还会增加测温的误差。

123  发射率(辐射率)与测温精度

 因为不同材料(甚至同样材料不同状态)的辐射率是不同的。例如,轻度氧化铝的辐射率的近似值为0.10.2;而强氧化铝的辐射率是0.30.4。测温时应根据被测目标材料调整发射率,以减少测试误差。红外点温仪的精度通常是以测温范围上限值的百分数来表示的。例如±1%的精度,当测温范围上限为600℃时。该测温范围内可能存在的误差是±6℃。但这个误差不完全代表现场应用时可能出现的误差,其中发射率的调整就是一个重要的影响因素。

当然造成测温误差还有其他原因,如正确的测试距离、角度;在无尘、无烟、无水蒸气的环境中进行检测,可将误差降为最小。

124  响应时间

 响应时间是指被测目标进入并充满视场后,到温度显示值稳定的时间。这一技术指标各厂家有可能规定不一样,有的达到稳定值的99%的时间,也有的规定为95%、90%或者甚至是63.2%的时间。测温度响应时间不可过慢,但也不可过快。响应时间过慢,测温时间过长;但太快了,现场操作人员反而不能读出温度值。一般在600ms左右即可。

125  红外点温仪瞄准方式

 红外点温仪的瞄准方式有光学聚焦瞄准定位和激光器瞄准定位两种。

    (1)光学聚焦瞄准

 光学聚焦瞄准是基于望远镜的原理寻找被测目标。测温时,将仪器目镜中心线“+”与被测目标的中心重合,以测量目标物体的局部温度。

    (2)激光定位瞄准

 激光定位瞄准是以半导体发射的激光红点代表仪器光学目标中心。测温时将激光红点发射在被测物体目标上,代替人工瞄准。这里应提醒一点,不能单以激光红点所能发射到的距离来测温,测温距离应由仪器本身的距离系数来决定。

2  红外热成像

21  红外热电视

211  原理

 红外热电视是利用热电效应(又称热释电效应)原理制成的热成像扫描装置。将被测目标物体表面的红外辐射转变成视频信号。图2是其原理图:

    2  红外热电视原理图

 

 

 红外热电视的信号电流大小与目标温度变化律dTdt成正比。也就是说没有变化就不能建立热像,或者说对准目标不动时,热像很快消失,所以红外热电视要进行调制才能达到建立图像。调制方法有以下三种:

    (1)平移调制——平移调制的工作方式是将被测目标与仪器之间作相对运动。因此,平移调制热电视工作时,要不停地摇动仪器才能建立图像和保持图像。由于不停的摇动,影响测温度准确度、定位,同时图像有拖尾,造成图像失真,清晰度不高;

    (2)斩波调制——斩波调制是采用周期性斩断入射的被测目标红外辐射的方法,在仪器内增加由电动机驱动的调制盘。其图像稳定、清晰、无拖尾、无失真、测温准确、定位方便,无论是技术性能还是实用性都比较先进。其不足是机械调制及同步跟踪的技术比较复杂,易出故障,价格高;

    (3)瞬变调制——瞬变调制的工作方式是将电子快门用于照相的方式,利用瞬间拍摄的一幅被测目标的热像。其特点是将图像定格,即可测量图像上任一点的温度。图像稳定,无拖尾,测温准确度高。其缺点是不能连续地跟踪,不能连续地拍摄图像。

212  红外热电视的主要性能(电气防火检测所选用的指标) 

    (1)工作波段——指红外热电视波长响应范围,例812μm(814μm)

    (2)最小可变温差——指红外电视对温度的辨别能力,例0.5(1)

    (3)聚焦范围——(或观察距离)是对红外物镜的要求。例0.5m100m

    (4)空间分辨率——空间分辨率主要取决于调制传递函数。热电视系统的调制传递函数是物镜(透镜)、摄像管、视频电路和显像管等各项调制函数的乘积。所以整机的空间分辨率是个综合参数,一般要大于或等于200电视线才能满足测温要求。

22红外热像仪

    红外热像仪一般分为光机扫描成像系统和非扫描成像系统两种。

 光机扫描成像系统——是采用单元或多元光电导或光伏红外探测器。用单元探测器时速度慢(主要是帧幅响应的时间不够快),多元阵列探测器可以做成高速实时热成像。

 非扫描成像的热像仪——焦平面热成像。这是新一代热成像装置。焦平面热成像的探测器是由单片集成电路组成,被测目标的整个视野,被聚焦在成万个性能可靠的全电子化的焦平面集成电路上。从而克服了机械扫描的复杂性和不可靠性,并且图像更加清晰,使  用更加方便,仪器非常小巧轻便(因为不需要制冷)。同时,它还是具有自动调焦、图像冻结、连续放大、点温、线温、等温和语音注释图像功能等功能。其仪器可以用 pc卡,存储容量很大。

  221  红外热像仪工作原理,见图3

    3  光机扫描成像系统原理图

 

 

 

 光学成像扫描系统——工作原理是从左到右,从上到下对目标依次扫描探测,将目标分成一个个像元,并将分解的被测物体的热像性质、程度和位置的像元一次摄入,在小于0.2s的时间内转换成不同明亮的、连续逼真的图像,送人红外探测器。

 红外探测器——是红外辐射能量转换器,进行光电转换,产生与目标变化相对应的信号电流,送入电子放大系统处理、放大。

 信号处理与转换——将目标和电信号转换为标准的视频信号或可记录信号。

 显示记录——将被测目标的信号显示出来,显示有黑白和彩色。需要说明的是色彩并不是被测目标的自然色彩。因为红外辐射是看不见的热线,所谓色彩是热像图中同一信号电平的模拟,是采用了等密度分层的“伪色彩”处理。同步——解决被测目标和显示是同一个信号的功能。

222  红外热像仪主要技术性能

    (1)工作波段——电气防火检测工作选用的是814μm(812μm)

    (2)视场——视光学系统视场角的简称。一般是α×β矩形视场。

    (3)空间分辨率——将黑白相间的矩形条纹标准测试图案,用目视的方法从荧光屏上所能分出的每mm黑白线对数,即以线对/mm(1 pmm)表示,或换算成角秒、毫弧度表示。例12º×12º等。

    (4)温度分辨率——简单的定义是指仪器可使观察者能从背景中精确地分辨出目标辐射的最小温差ΔT。还有一个定义是当信号与噪声之比等于1时的目标与背景之间的温差(称为噪声等效温差,排除了操作人员的主观因素)

    (5)帧频——帧频是指热像仪每秒产生完整图像的画面数,单位为Hz。根据热像仪的帧频可分为快扫描和慢扫描两大类,选型时应注意,帧频在20Hz以上才好使用。 

    (6)探测器类型——是指热像仪使用的是属于何类型红外线器件。

3  过热型电气火灾隐患的检测方法及分析

 在几年来的检测工作中,我们发现,致使电气火灾多年来居高不下的原因很多,其中过热型电气火灾隐患居首位,现将其检测方法和火灾隐患分析做一介绍。

31  过热型火灾隐患的检测方法

 因为电气设备温度与电压、电流的大小有密切关系,检测过热型火灾隐患,是采用红外热成像仪、红外点温仪及检测电流、电压、电工仪表配合使用的。红外热电视与红外点温仪配合使用即可满足电气防火检测工作的要求(或是红外热像仪和红外点温仪配套使用)。如果是根据仪器技术水平分开档次,最高档的是焦平面热像仪,其次是光电扫描热像仪、斩波式热电视、红外点温仪。

 在电气防火检测时,首先做好检测的整体方案。被测单位用电负荷率在30%以上,运行时间在30 min以上,因为在这样的条件下检测,火灾隐患比较容易分析和准确判断。

311  红外热像仪检测方法

    检测准备:

 为了提高测量准确度,检测前应该根据被测目标的温度状况设置热像仪的温度范围,然后调整热像仪焦距,以便获得清晰的目标热像。

    检测方法:

 用红外热电视(或红外热像仪)对电气设备、电缆、电线、用电器等进行全面扫描式检测,发现有高温部位,再用红外点温仪定量测试准确温度。因红外测温都是表面温度,需要进一步分析、判断高温隐患的具体原因(或内部温度高的原因),所以要摄取热像图,经计算机软件对热像图的温度场分布情况进行分析,间接判断高温隐患所在的部位及其原因(平移型热电视无此功能)

312  红外点温仪测量方法

    检测准备:

    (1)发射率(辐射率)的选择

将红外点温仪的测温发射率选择在被测物体发射率(根据该仪器说明书中给定的发射率近似值),以减少测温误差。

    (2)选择测环境温度的参照物 

如果被测物体是金属物质,环境温度的参照物也应是金属材料。因为不同材料在同样环境中温升是不一样,所以,环境温度参照物质应与被测物体物质相同,方可用比较方法分析判断过热型火灾隐患。

    (3)给红外点温仪键入环境温度、相对温度和测量距离等需要补偿的参数,选择好测试温度的范围,待用。

    (4)红外点温仪使用时应处于“热稳定状态”。仪器使用时,应先将其在现场环境中放置一定的时间,以克服仪器本身与环境温度产生热交换而使机体内"to值”不稳定。如果“to值”不稳定,测温误差比较大。

 即使在测温过程中,测完温度特别高的目标后,再测温度比较低的目标,其仪器亦必须放置一段时间。一般塑壳仪器放置30 min左右,金属壳仪器约放置10min左右,使“to值”稳定,减少测温误差。

    检测方法:

 检测同一目标时,应从不同的角度进行检测,找出最高温度部位(因为测试角度有时受到现场条件限制,不能满足测试角在30℃左右,如果测试角大于45℃,测试误差比较大)

 在检测所有的物体时,各个检测目标检测的角度、距离、所用的检测仪器都应保持一致,这样在分析判断过热型电气火灾隐患时才有可比性。   

32  过热型火灾隐患的分析

 采用红外测温仪检测过热型电气火灾隐患,最重要的一环是对检测结果的分析和判断,科学的分析和准确的判断是电检技术工作成效的本质体现。分析判断的主要依据是现行的国家、行业标准和规范。可是有些情况下,电气设备、线路、用电器等温度并不很高,并没有超过标准规范中规定的限制值,但它也可能是引起火灾的危险隐患。例如:线路中的接点接触不良,接触电阻比较大,尤其是在负荷率比较小时,温升只有几度。当回路短路时,因回路电阻较大,短路电流达不到保护设定值,而使短路保护失去保护作用,造成短路火灾。这种情况分析是比较复杂的,应认真仔细分析,方可确定火灾隐患。

 电气设备在正常运行中也有温升,主要是电流效应和电压效应引起的发热,而大多数火灾隐患是逐步发生和发展的,经过一段恶性循环过程,它的温升与负荷率、电压、环境温度、运行时间和通风散热等因素有密切关系,所以现场检测出的温度值应通过有一定技术水平的人员分析,以确定火灾隐患部位。下面介绍几种分析方法。

321  相对温差

 电气设备状况基本相同,负荷电流较小的情况下,分析接点、闸刀接触是否良好,采用相对温差来分析比较方便、准确。

  相对温差是两个被测点之间的温升之差与较高热点升温的比值

式中:t1——被测物体相对高温部位温升(K)

    t2——被测物体相对低温部位温升(K)

    Kc——相对温差。

  相对温差与负荷电流无关,与被测材料发射率无关,它反映的是被测物体电阻值的变化。相对温差(百分数)越大,接触点的接触电阻就越大,可能是引起火灾的隐患。

322  温升与负荷率的关系

  现场检测时,电气系统负荷率较低,即使有隐患,也很难从检测温度上分析判断,只有换算为额定负荷情况下的温度理论值,间接分析火灾隐患。

  换算公式如下

 

式中:K2——额定负荷时温升;

    K1——实测电流时的温升;

    Ie——额定负荷电流;

    I实测——实测电流。

323  电气设备温度与散热的关系

 电导体所产生的热量向周围传递、散发,其散热效率与材料的热阻系数有关。例如:铜的热阻系数是0 .27·10-2TΩm;橡胶的热阻系数是5 TΩm,所以金属材料的发热、热传递与热扩散要比绝缘材料快得多,它们都有发热和散热的热稳定。

    例如金属导体接头的发热和散热曲线,见图4

   4  金属导体接头的发热和散热曲线

 

 

 

 当温度在A点处,从曲线上看,随着温度的变化,散热量大于发热量,导体的温度会稳定在A点附近,如果温度继续上升到B点,此处散热量小于发热量,温度会再继续上升,出现高温。因此在分析电气设备升温时应考虑通风散热状况。

  4  结束语

 应用于电气防火检测工作中的高科技仪器,不只是现代红外技术,还有超声波探测仪、谐波功率分析仪等。就其检测程序、方法、电气火灾隐患分析判断和分类等许多课题都有必要进一步研究。我们认为,全国应建立统一的检测技术规程,建立统一的火灾隐患判断方法和分类的标准;另外,在市场竞争中,检测中介企业也应有相应的管理法规,以使新的高科技技术在防火工作中得以进一步推广,使多年来经济损失最大、人员伤亡最多的电气火灾得以遏制。

  参考文献:

  [1]  欧阳杰.红外电子技术.北京:北京理工大学出版社. 1994

[2]  DB 11652000,北京市电气防火检测技术规范.

责任编辑: banye 参与评论
本站地图|热管配套|企业邮局|产品说明

Copyright © 1996-2010 China Harbin DawnHappy Heat Pipe Technology Co., Ltd.
哈尔滨晨怡热管技术有限公司   电话:0451-82589558 82589508 82589538   传真:0451-82552085 技术支持:13704813968
地址:哈尔滨市南岗区南通大街256号  邮编:150001  电子信箱:heatpipe@yahoo.cn   heat-pipe@hotmail.com heat.pipe@yahoo.com.cn 
本站永久域名:http://china-heatpipe.net     http://heatpipe.net.cn    http://rg.nx8.net     http://nx8.net  
中华人民共和国信息产业部ICP/IP地址信息备案:黑ICP备07500228  哈尔滨市公安局国际联网备案登记:哈公网监备23010002001165

Powered By: KingCMS 3.0 Beta