可移动自动红外热成像测温无线传输初探

    俞赐湖

    

    

    摘要：文章通过对已发现发热设备进行红外热成像测温，开发无线传输设备与手机终端软件，将所测温度传输至远程手机控制终端，为变电运行人员跟踪电气设备发热提供依据，防范设备因发热造成停电，提高供电可靠性。

    关键词：红外热成像；无线传输；远程在线监控

    0 引言

    温度作为衡量电气设备是否正常运行的一项重要技术参数，如何对异常温度进行实时跟踪，是保证电气设备正常运行的关键之一。电气设备经过长期满载或超载运行，一旦设备发生故障，故障电流急剧增大，可能增加到正常水平的十几倍甚至上百倍，同时产生的热量与电流平方成正比，故障电流对电气设备或设备接头将产生极大危害，严重威胁电网的安全运行。电网的运行经验表明，当导体或设备的温度超过一定范围时，将加速设备的绝缘材料老化，缩短设备的使用寿命，严重时将使接头熔化断裂，中断电力供应，影响客户用电，给人民造成财产损失。那么如何在经济性和实用性相结合的基础上，对发热点进行自动测温并实时跟踪成为迫切需要解决的问题。

    本文通过人工巡检测温发现设备发热点，通过在发热设备点附近的地面安装红外成像测温仪，这样测温仪安装无需停电和具有可移动性，采用无线传输的测温方式，对发热设备所测的温度等信息通过无线网络定时发送至相关技术人员及调度员进行分析，信息更加及时，采集频率更高，可以让相关人员更好的根据发热设备的最新发热程度及时做出相应的处理，第一时间消除电网中存在的安全隐患。远程无线控制测温仪的测温方式，在提高整体工作效率的同时可以带来运维成本的下降，特别是可节约大量人员和车辆到现场进行滚动测温，节约了成本，缓解了人员不足等问题。

    1 通用测温方式比较

    目前电力系统在对电气设备的温度检测方面，主要有红外线点测温，红外热成像测温，分布式光纤测温，传感器无线测温等各种测温方式，其中红外线点测温和红外线热成像测温需花费大量人力；远程红外线热成像测温系统需花大量资金；分布式光纤测温的光纤价格较高，使用过程中容易受折、易断，不易于安装在电气设备的开关柜内；传感器无线测温需停电安装或事先安装测温传感器等一系列缺点，因此，研究一款可移动自动红外成像测温的无线传输，具有无需停电安装测温传感器的优点，是最适合对于热成像测温后发现的发热设备的温度跟踪，通过无线传输到远程终端，从远程终端可控制红外热成像测温仪进行测温或红外热成像测温仪对发热点进行定时测温。它既可以方便的移动测温仪器，又无需停电安装测温传感器、无需投入大量的资金进行网点改造，具有很高的经济性、实用性。

    2 理论依据

    红外热成像测温的理论依据。理论上只要物体温度高于热力学零度，物体就会向外辐射电磁波，这些电磁波携带的能量，其中波长范围在0.76pm～1000pm之间的属于红外光波，红外光波具有很强的温度效应，携带温度信息，这正是辐射测温技术研究的出发点。红外测温技术的物理学理论基础是普朗克定律，该定律揭示了在不同温度下不同波段的黑体辐射能量分布规律。黑体的最大特征就是所发射的辐射能和所吸收的辐射能相同，也就是说如果物体吸收能力强则其辐射能力就强，如果辐射能力弱则其吸收能力就弱。

    P（λ，T）=ξστ4

    其中P（λ，T）表示物体的单色辐射度，ξ为灰体。

    所测物体的温度T=P（λ，T）=ξστ1/4

    正是红外测温的理论基础。而热成像就是在红外测温的理论基础上，应用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应，从而可进一步计算出温度值。

    3 确定红外线热成像测温仪

    通常在变电站的测温需考虑用电设备的温度范围、相对尺寸、测温仪与目标设备距离、环境因素等对测温影响，以正确选择红外线热成像测温仪。

    （1）分析用电设备的温度范围，确定测温仪芯片。根据黑体辐射定律，在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化，因此测温时应尽量选用短波较好。变电站母线材质为铜芯或铝芯，其发热的范围有所不同，但基本在-10℃+210℃之间，范围较小，精度要求在±50℃，因此现场测温仪cpu功能要求较简单，采用普通的测温芯片即可完全满足。

    （2）根据用电设备的相对尺寸，确定测温方式。由于变电站存在烟雾、尘埃、阻挡，而比色测温方式对辐射能量有衰减时，都不对测量结果产生重大影响，因此比色测温仪是最佳选择。

    （3）根据测温距离，确定测温仪光学分辨率。距离系数由D：S之比确定，由于必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，因此我们就必须增大D：S比值。因此，为了能在接近和远离焦点的距离上准确测温，被测目标尺寸应大于焦点处光斑尺寸，需要选择可变焦的测温仪。

    （4）考虑环境因素，调整算法。因为强光、强风及大雨均可能影响测量结果，这是无法在测温仪进行分辨和处理的，因此在上线前，需对后台软件进行差值补偿算法调整，算法调整主要为非均匀矫正，伪彩色图像处理及面源黑体的实际实验数据测定。

    因此红外线成像测温仪应选择具有普通单CPU、能实现比色测温技术、可变焦功能的红外成像测温仪，通过后台算法对数据矫正调整测量误差。

    4 开发通信模块传输协议

    在变电站目前大部分均有光纤通道，部分变电站无网络通道需采用无线传输模式。为了实现各通道的传输需要通信DTU来完成这些工作，目前DTU可实现wifi，lan及3G的同时传输，内部采用TCP协议，可使用工业MODBUS作为基础交换协议，完成所有的通信。

    5 开发主站软件

    主站软件包括了与DTU进行通信数据交换的子程序及基于J2EE构架的主站系统，主站系统功能如下：

    记录成像仪安装地点，成像仪种类，现场环境数据，测温历史数据，供电脑客户端浏览器查询历史数据。可通过客户端手机手动与成像仪进行通信，远程控制和启动成像仪工作，存储成像仪实时数据及接受发送成像仪的通信数据，将现场调焦和数据校验的要求发送到成像仪。

    6 开发终端软件

    目前手机客户端存在多种平台，作为研究用，在安卓开发基于安卓5.0的客户端软件，ios及windows采用基于jquery3和ext3结合的html5界面设计。目前手机端仅做查询及报警用，基于安卓的可以采用推送消息的方式进行报警，基于ios和Nwin的可以采用短信加链接的方式进行推送。

    7 实验结果与分析

    为了对本文所提出可移动自动红外热成像测温无线传输测量的可靠性和准确性进行实验研究，采取在实际220kY变电站安装调试一台红外热成像测温仪，并对发热点进行测温后无线传输至手机终端，通过与手工现场对发热设备测温数据进行对比验证。

    本文的移动式红外热成像可以实现远距离区域测温，选取5分钟为一个周期，为了更有效的展现温度变化，选定在夏季20点开始，60分钟的测量，经测量结果如下。

    7.1 现场手持测量结果（见表1）

    7.2 可移动红外热成像无线传输测量结果（见表2）

    7.3 经过叠加比较后（见图1）

    经比较无线测温结果与在现场手持测温仪点测对比温度区间变化较大，但是波动范围不超过实际变压器运行温度范围，也就是环境温度的+20范围内，因此可以作为实测的数据判断变压器运行情况。

    本文主要探讨研究红外热成像测温后无线传输硬件和软件开发以及手机终端软件开发3部分内容。利用在实际220kV变电站安装调试一台红外热成像测温仪进行发热设备实际测温调试，并与手工现场实际测温进行比较，验证了所研究内容的正确性与有效性。