红外测温的发展趋势

红外测温的发展趋势

.提高红外测温准确性的方法
在现场进行设备红外检测和故障诊断时，往往受到一系列主客观因素的限制，以致影响检测故障的准确性和诊断的可靠性。因此，为了提高故障检测与诊断效果，除了正确运用分析处理方法以外，还必须对影响检测结果的各种因素，有充分的估计和预想。采取相应的对策和技术方法，使各种不利因素的影响降低到最小程度。
1.1测温准确性
设备故障红外诊断最核心的问题，是要求准确地获得被测设备的温度分布或故障相关部位温度值与温升值。这个温度信息不仅是判断设备有无故障的依据，也是判断故障属性、位置、严重程度的客观依据。因此，对被测设备故障相关部位温度的计算与合理修正，将是提高检测设备表面温度准确性的关键环节。然而在现场进行设备红外检测时，由于检测条件和环境的影响变化，可能导致同一设备因检测条件不同，而得到不同的结果。因此，为了提高红外检测的准确度，必须对现场检测过程中或对检测结果的分析处理中，采取相应的对策与措施或选择良好的检测条件，或对检测现场结果进行合理的修正。如作业人员的组织培训，计划的制定，受检对象的选择，检测仪器的准备，检测位置的选择或设定等等。
1.2运行状态的影响与对策
电气设备故障无论是电流效应引起的发热故障(导电回路故障)，发热功率与负荷电流值的平方成正比。电压效应引起的发热故障(绝缘介质故障)，发热功率与运行电压的平方成正比。因此，设备的工作电压和负荷电流的大小，将直接影响到红外检测与故障诊断的效果。泄漏电流的增大，能造成高压设备部分电压不均匀。如果没有加载运行或者负荷很低，则会使设备故障发热不明显，即使存在较严重的故障，也不可能因特征性热异常的形式暴露出来。只有当设备在额定电压下运行，而且负荷越大时，发热及温升才越严重，故障点的特征性热异常也暴露得越明显。因此在进行红外检测时，为了能够取得可靠的检测效果，要尽量保证设备在额定电压和满负荷下运行，即使不能做到连续满负荷运行，也应编制一个运行方案，以便在检测前和检测过程中，能让设备满负荷运行一段时间(如4～6h)，使设备故障部位有足够的发热时间，并保证其表面达到稳定温升。
由于电气设备故障红外诊断时，故障判断标准往往是以设备在额定电流时的温升为依据，因此当检测时实际运行电流小于额定电流时，应该是现场实际测量的设备故障点温升换算为额定电流的温升。其计算公式如下：
δθ=(in/i1)kδθ1
式中in—设备额定电流；
  i1—设备实际运行电流；
δθ—额定电流in时设备内载流导体故障点温升，℃；
   δθ1—在实际运行电流i1时设备内部载流导体故障点温升，℃；    
k—设备内部导电回路温升常数。
1.3设备表面发射率的影响与对策
任何红外测量仪器都是通过测量电气设备表面红外辐射功率，来获得设备温度信息的。并且在红外诊断仪器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。也就是说，相同辐射功率，发射率越低，就会显示越高的温度。因物体表面发射率主要决定于材料性质和表面状态(如表面氧化情况，涂层材料，粗糙程度及污秽状态等)。因此为了应用红外热像仪器准确地测量电气设备温度，必须要知道受检目标的发射率值，并将该值作为计算温度的重要参数输入计算机或者调整红外测量仪的ε修正值，以便对所测量的温度输出值进行发射率修正。消除发射率对检测结果影响的另外两种对策措施是：当使用红外热像仪进行测量时，要对发射进行修正，查出被测设备部件表面的发射率值进行发射率修正，从而获得可靠的测温结果，提高检测的可靠性；对于红外检测的故障频发设备部件，为使检测结果具有良好的可比性，可以运用敷涂适当漆料的方法来增大和稳定其发射率值，以便获得被测设备表面的真实温度。
1.4大气衰减的影响与对策
由于受检电气设备表面红外辐射能量，是经大气传输到红外检测仪器里的，这就会受到大气组合中的水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳等气体分子的吸收衰减和空气中悬浮微粒的散射而衰减，设备辐射能量传输的衰减随着检测仪器到被测设备之间的距离，降低了被测设备辐射的透过率，所以其衰减是随距离的增大而增加，降低受检设备故障部位与正常部位的辐射对比度，也会因为红外仪器接收到的目标能量减少，使得仪器显示出来的温度低于被测故障点的实际温度值，从而造成漏检或误诊断。尤其对于检测温升较低的设备故障时，这是很不利的。由此可见检测距离增大，大气组合的影响将会越来越大。而且又要获得目标温度准确性，必须采取如下对策：尽量选择在环境大气比较干燥、洁净的时节进行检测；在不影响安全的条件下尽可能缩短检测距离，还要对温度测量结果进行合理的距离修正，以便测得实际温度值。
1.5气象条件的影响
 不良的气象环境主要是指雨、雪、雾及大风力等，都会对设备温度检测带来不利的影响，往往会给出虚假的故障现象。为了克服气象条件的影响，在无雨、无雾、无风和环境温度较稳定的夜晚进行检测(注：在小雨天气可以对瓷瓶拄的爬电即污秽处检查，有着很好的观察效果)，还要采取正确的诊断方法。
1.6环境及背景辐射的影响与对策
特别是在进行户外电力设备红外检测时，检测仪器接收的红外辐射除了包括受检设备相应部位自身发射的辐射以外，还会包括设备其他部位和背景的反射，以及直接射入太阳辐射。这些辐射都将对设备待测部位的温度造成干扰，对故障检测带来误差。例如：在晴朗的白天进行测量时，特别是在运行的主变附近，被阳光照射的大面积墙壁及其他高温物体辐射，可使测量结果产生较大的温升。太阳辐射可引起设备有15度左右的附加温升，因此太阳辐射及受检设备周围的其他高温物体辐射，不仅可以改变设备故障点的温度分布，影响故障部位的热特征，甚至可以显示虚弱的目标热像图而造成漏检。为了减少环境与背景辐射的影响，应采取如下对策措施：
1.6.1对户外电气设备的现场红外检测，尽可能选择在阴天或者在日落左右傍晚无光照时间进行。这样可以防止直接入射、反射和散射的太阳辐射影响，对户内设备可以采用关掉照明灯，以及要避开其他的辐射影响。
1.6.2对于高反射的设备表面，应该采取适当措施来减少对太阳辐射及周围高温物体辐射的影响。或者改变检测角度，找到能避开反射的最佳角度进行检测。
1.6.3为减少太阳辐射及周围高温背景的辐射影响，可在检测时采取适当的遮挡措施，或者在红外热像仪器上加装适当的红外滤光片，以便滤除太阳及其他背景辐射。
1.6.4选择参数适宜的仪器和检测距离进行检测，使受检测的设备部位充满仪器视场，从而减少背景辐射的干扰。通常要求目标的最小几何尺度与测量仪器构成的视场角，应该不小于热像仪瞬时视场的3～5倍。
2.提高故障判别与诊断可靠性的技术方法
电气设备的带电体工作状态是否正常，特别是外部裸露部分的故障，只要消除了上述各种影响因素，经过合理修正，得到故障点的温度，参照国标gb763—90(交流高压电器在长期工作时的发热)及电力部出版的《红外热像检测电力设备故障导则》来判别最高允许温度和允许温升，是不难做出故障严重程度的诊断。但是，温度的测量受到很多因素的影响，特别是对于电气设备的内部故障而言，要想根据gb763—90进行判别，是比较困难的，而且还会引起误判。为了提高红外诊断的准确性，还要运用以下判别方法，可以获得可靠准确的诊断结论。
2.1热像特征判别法
 所有电气设备，在无任何内外部故障情况下，即可得到正常运行状态下的表面热分布或红外热像特征图。一旦电气设备出现内部或外部故障，则故障经内部构件和介质进行热传递，或其他形式热交换，改变设备表面故障部位的稳定温升或温度分布。因此通过辨认现场摄制的设备红外热像图，只要发现热像特征存在异常变化，均可判定设备内部已出现故障，并根据热场分布变化的特点及温升值的大小，还可以对内部故障的属性、故障位置及严重程度做出准确的诊断。如在瓷瓶串热像中，一旦出现缺口似的热像，则表明相应位置的瓷瓶已成为零值绝缘子，而低值瓷瓶和污秽瓷瓶也可以通过热像图来区别进行鉴别。
2.2相间互比判断法
 因为高压电力设备绝大部分都是三相运行的，而且在正常情况下，作用于每一相的相电压或通过三相电路与导线的电流大致相同。换言之，每一相电路或导线相同部位的正常稳定温升应该一样。因此同组设备三相之间具有可比性，同类设备在同一时间，同一地点和同一电源作用下也相互可比。因为三相相同部位同时出现一样故障的概率是很小的，基于这种原因，诊断时可以对三相之间相同部位的温升进行横向比较。若某电气设备a、b、c三相中任意两相之间相同部位存在超过10℃左右的温差，则可以把该部位温度较高的一相初步诊断为出现故障。
2.3同相比较判别法
 电气设备一相中流过的负荷电流相同，如果同一相不同部位之间出现明显温差，则往往表明温升较高处存在异常或缺陷。例如在高压输电线路中的连接件，如果与连接件一米以外的同相导线温度相比有明显温升，则表明该连接件连接不良。同样，高压电缆本体部分存在的缺陷，也可以用同相不同部位的温升进行比较诊断。
2.4历史状态变化判别法
 如果在新电气设备刚刚投入运行时，就将其正常运行状态下各部位温度分布的热图数据储存下来，那么在进行新的故障检测与诊断时，就可以把原来已经存档的设备热像数据调出，作为比较的依据，并根据新检测到的热像图数据与已经存档的同一设备以往热像图数据之间的差异，则可以对两者之间在何处出现变化和变化程度做出准确的诊断。但是为了弥补历次红外检测时记录的热像数据条件的不同(如运行条件，检测条件，环境条件)，应保障基本条件外，还应对影响检测结果最主要的因素做标准化处理。例如，每次检测结果都换算成设定的距离，风速(不大于三级)的条件下对环境的温升，则可相对改善不同时期检测结果的可比性，从而提高比较诊断的可靠程度。如对于高压套管而言，凡发现有较大面积分布性过热，而且与上一次检测相比，瓷套口三相温差变化达0.5℃以上者，可视为接头有异常发热，应加强监视，缩短检测周期，当与上次检测相比，三相温差超过1℃时，应尽早安排停电试验、查明原因，若变化更大，则可判定为存在故障。
2.5发热机理判别法
 在电气设备故障红外诊断时，有时会遇到不同属性故障具有相同外部热像特征，例如35kv及以上等级油浸(浇注)电流互感器的绝缘故障和铁心故障的热像特征，都是以上部油面为中心整体发热热像图，因此单凭热像特征无法鉴别这两种属性不同的内部故障，上例发热机理是属电压效应发热，发热功率与电压平方成正比，与负荷电流无关，所以只要改变负荷就能判定是铁心故障还是绝缘故障(另一种发热机理是电流效应发热)。类似这种情况，在其他电气设备内部故障诊断时也会出现。
3.设备检测的组织与管理程序
红外监测技术是对绝缘监督手段的补充和完善。40多年来，在电力系统中将《电力设备预防性试验规程》作为绝缘监督工作的主要依据，预防性试验是电气设备运行和维护中的一个重要环节，是保证电力系统安全运行的有效手段之一。而红外监测则可以在预试前后进行设备诊断，无疑是对预试结果的验证，同时预试前发现的设备热故障则为检修提供了依据。红外诊断技术正在应用发展，随着《导则》的实施，带电设备红外诊断将成为电力系统运行中成熟的一项监测技术。
 建立完善的电气设备状态检修技术管理制度，实现电气设备的状态检修，提高电网的安全稳定、经济运行能力，是电力系统检修方式的重大改革。由前所述，红外诊断技术具有强大的生命力，为此，提出如下建议：
3.1提高认识，积极推广红外诊断技术
 多年来，红外诊断技术推广应用不够，一方面是红外技术的发展，特别是仪器本身的水平不能适应电力生产的需要，比较滞后；另一方面是价格偏高。目前，红外诊断技术已成为绝缘监督的重要手段，需要从车间到管理部门全面提高认识，积极推动。特别是对基建项目，目前已有相关规定可以配置仪器仪表，因此，应利用这些有利条件在基建或技改中、科技立项中增加这方面的投入，进行红外诊断状态检修的试点工作。
3.2红外诊断仪器的配置模式
 红外诊断仪器的配置模式涉及到认识、条件、规模等因素，有一个发展过程。从全国来看，主要有3种模式：
3.2.1红外测温仪模式，其中有：专责人配置模式；各专业班组配置模式。
 3.2.2以中低档热成像仪检测为主的模式：一个单位只配热成像仪，由专人负责；专人配置热成像仪，班组有少量红外测温仪。
3.2.3热成像仪与红外测温仪相配合的模式：各运行车间或其红外测温专业班组配置高档、中档红外热像仪（例如pm－250）或红外热电视（例如dl－500e、dl－600e）1～2台；各变电站、开闭站、线路运行班配置红外测温仪，例如pm－30，whd4015。
实践证明，各运行车间或其红外测温专业班组配置高档、中档红外热像仪（例如pm－250）或红外热电视（例如dl－500e、dl－600e）1～2台；各变电站、开闭站、线路运行班配置红外测温仪模式是红外诊断的发展趋势。
3.3学习贯彻《导则》
 弄清《导则》规定的基本概念，如：相对温差、绝对值、环温参考值以及缺陷判断等，明确监测范围，用《导则》指导红外诊断工作；修订本单位红外监测制度。
3.4开展红外普测工作
红外诊断作为状态检修的一种设备诊断手段，从目前看应做到：
 3.4.1每季普测一次（红外热像）；变电站根据情况每天重点测，每月进行一次红外测温。
 3.4.2红外监测与预防性试验相结合，摸索规律，积累经验。重点是小四器、变压器、断路器的内部热故障检测与判断，此外线路绝缘子（含合成绝缘子）及小车柜开关，gis组合电器等，红外监测需要攻关。
 3.4.3红外普测应坚持2～3年做为一个长周期，通过测试，提出各种电气设备状态检修的标准，并可对《导则》进行补充、完善。
3.5建立红外监测数据库、热像图谱库
3.5.1按各运行车间或其红外测温专业班组配置高档、中档红外热像仪（例如美国福禄克FLUKE Ti30,HIOKI 3460）或红外热电视（例如dl－500e、dl－600e）1～2台；各变电站、开闭站、线路运行班配置红外测温仪模式的需要，尚应配置专用笔记本电脑，彩色打印机以及数码相机。
 3.5.2应正确使用红外诊断仪器，合理选择辐射系数。
 3.5.3整理录入大量的红外测温数据（含各变电站、班组数据及车间数据），每季做出技术报告及分析。
 3.5.4建立红外图谱库，每季做出典型红外图谱报告并分析。
4.结论
红外诊断技术是一种非常有效的在线监测手段。它不但可以通过在线监测发现缺陷，而且还能与其它试验方法相结合，对故障进行定位，给检修带来很大方便。
 目前红外在线诊断技术还在经验发展阶段。这就要红外诊断工作者对各种设备内部故障特性，图谱的研究和实践的积累，来不断地丰富我们的经验，提高诊断判定和定性的准确性，积累经验来提高诊断准确性。提高设备利用率和生产率，降低设备维修的费用，实现设备状态预知维修，为设备的安全运行生产奠定技术基础。
无线测温系统设计

目前，很多场合的测温系统采用的还是有线测温设备，由温度传感器、分线器、测温机和监控机等组成，各部件之间采用电缆连接进行数据传输。这种系统布线复杂、维护困难、成本高，可采用无线方案解决这些问题。无线测温系统是一种集温度信号采集、大容量存储、无线射频发送、LED（或LCD）动态显示、控制与通信等功能于一体的新型系统。

本文从低功耗、小体积、使用简单等方面考虑，基于射频SoC CC2430和数字温度传感器DS18B20设计了一个无线测温系统，整个系统由多个无线节点和1个基站组成。无线节点工作在各个测温地点，进行温度数据采集和无线发送。基站与多个节点进行无线通信，并通过数码管将数据显示出来，同时可以通过RS-232串口将数据发送给PC。
1、CC2430是TI/ChipconAs公司最新推出的符合2.4G IEEE802.15.4标准的射频收发器.利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250 kbit/s可以实现多点对多点的快速组网。CC2430的主要性能参数如下：

　　 (1)工作频带范围：2.400～2.483 5 GHz；　　(2)采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式；

　　(3)数据速率达250 kbit/s码片速率达2 MChip/s；

　　(4)采用o-QPSK调制方式；

　　(5)超低电流消耗（RX:19.7mA,TX:17.4mA）高接收灵敏度（-99 dBm）；

　　(6)抗邻频道干扰能力强(39 dB)；

　　(7)内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器　采用低电压供电(2.1～3.6V)；

　　(8)输出功率编程可控；

　　(9)IEEE802.15.4 ＭＡＣ层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bit CRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护(CTR,CBC－MAC,CCM)；

　　(10)与控制微处理器的接口配置容易(4总线SPI接口)；

　　(11)采用QLP-48封装，外形尺寸只有７×７ｍｍ。CC2430只需要极少的外围元器件，其典型应用电路 如图２所示。它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入／输出匹配电路和微控制器接口电路3个部分。

　　芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，有晶振1为基于CC2430芯片的ZigBee在智能交通系统中的应用 32 MHz, 晶振2为32.768 kHz。 射频输入／输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为60 Ω，同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。
CC2430可以通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式　并实现读／写缓存数据　读／写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射／接收缓存器。注意：在SPI总接口上进行的地址和数据传输大多是MSB优先的。

　　CC2420片内有33个16比特状态设置寄存器,在每个寄存器的读／写周期中,SI总线上共有24比特数据,分别为:1比特RAM／寄存器选择位(0:寄存器，1:RAM),1比特读／写控制位(0:写，1:读),6比特地址选择位、16比特数据位。在数据传输过程中CSn必须始终保持低电平。另外,通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计,通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟／定时信息的输入。这些接口必须与微处理器的相应管脚相连来实现系统射频功能的控制与管理。CC2430先将要传输的数据流进行变换,每个字节被分组为两个符号,每个符号包括4个比特LSB优先传输。每个被分组的符号用32码片的伪随机序列表示,共有16个不同的32码片伪随机序列。经过DSSS扩频变换后,码片速率达到2Mchips/s，此码片序列再经过 O-QPSK调制,每个码片被调制为半个周期的正弦波。码片流通过I/Q通道交替传输,两通道延时为半个码片周期。

　　CC2430为IEEE802.15.4的数据帧格式提供硬件支持。其MAC层的帧格式为　头帧＋数据帧＋校验帧；PHY层的帧格式为,同步帧＋PHY头帧＋MAC帧,帧头序列的长度可以通过寄存器的设置来改变。可以采用16位CRC校验来提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入 RAM中的128字节的缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。

2、DS18B20概述

DS18B20是美国DALLAS公司的“单总线”数字温度传感器，它具有结构简单、体积小、功耗低、无须外接元件、用户可自行设定预警上下限温度等特点。“单总线”结构独特而且经济，采用一根I/O数据线既可供电又可传输数据，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

3引脚封装的DS18B20形如一只三极管，其内部结构如图2所示。主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非易失性的温度报警触发器和配置寄存器。此外，还有电源检测模块、存储和控制逻辑器、中间结果缓存器和8位循环冗余校验码（CRC）发生器。

ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，可以看作该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。DS18B20内部的RAM由9个字节的高速缓存器和E2PROM组成，数据先写入高速缓存器，经校验后再传送给 E2PROM。通过DS18B20功能命令对RAM进行操作。

DS18B20的测量温度范围为-55℃～125℃,在-10℃～85℃范围内，精度为0.5℃，可编程设定9～12位的分辨率，默认值为12位，转换12位温度信号所需时间为750ms（最大）。检测温度由2字节组成，字节1的高5位S代表符号位，字节0的低4位是小数部分，中间7位是整数部分。

3、无线测温系统组成及硬件设计

无线测温系统主要可分为基站和无线节点两大部分。每套系统一般只有1个基站，包括微控制器及射频收发单元、显示单元、报警单元、电源模块及接口单元，主要硬件连接。

接口单元是为了方便射频模块和PC的通信，通常可采用RS-232接口、USB接口、以太网接口等，其中，RS-232接口是目前PC与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。本文使用RS-232接口，采用MAX3221芯片实现RS-232电平与TTL电平之间的转换。MAX3221是MAXIM 公司生产的一种RS-232接口芯片，使用单一电源电压供电，电源电压在3.0～5.5V范围内都可以正常工作。

基站接收到数据后，将温度信息通过数码管（或液晶显示屏）显示出来，根据需要，还可以通过RS-232接口与PC进行通信。为简化系统，本设计直接用CC2430的I0口驱动数码管，但是I0口不具备数据保持能力，需要外接一定大小的上拉电阻，显示方法采用扫描法。采用一个蜂鸣器作为报警装置，当温度超过设定范围时，鸣叫报警。射频天线采用单鞭天线。

无线节点分布在温度采集点，由数字温度传感器DS18B20、射频CC2430、天线及电池组成。在实际应用中，可以有多个无线节点，它们与基站之间通过射频进行无线通信。DS18B20有寄生电源和外部电源两种供电方式，本文采用外部供电方式，VDD引脚直接连接外部电源。DS18B20在空闲时，其D1脚由上拉电阻置为高电平。无线节点的天线根据实际需要可选用单鞭天线,陶瓷天线或PCB印制天线
基于CC2430和DS18B20的无线测温系统工作原理及ZigBee网络

　　 在系统中的工作架构无线温度信号控制系统的管理模式就是集中管理，分级控制，充分利用现有设施，按实际现状先进行单个用户的自适应协调，然后是主干线的协调控制，实现分布式协调的分级控制，最终达到区域控制的系统最优。　　
4、基于CC2430和DS18B20的无线测温的系统，系统具有以下几个特点：

　　 (1)整个控制系统的各个模块具有高集成度、高可靠性和低功耗、低成本、体积小等优点，维护保养十分方便，只需更换相应节点即可，避免了传统控制线路本身带来许多麻烦，从而大大减少了设备购置成本，建设安装成本和系统维护成本。

　　（2）卓越的物理性能，整个网络所使用的无线频率是国际通用的免费频段(2.4~2.48 GHz ISM)， 传输的方式是抗干扰能力强的直序扩频方式（DSSS），特别适合在干扰较大的环境中使用。
　　（3）网络的自组织、自愈能力强，ZigBee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；ZigBee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。

　　通过系统的设计和对于CC2430芯片的使用，感觉到ZigBee无线温度传感网络应用前景非常广阔，CC2430芯片是真