1、紅外測試技術理論與實踐,湖南省電力公司試驗研究院 2008.8.26,紅外輻射的發現 - 1840年 William Herschel,1800年英國的天文學家Mr.William Herschel 用分光棱鏡將太陽 光分解成從紅色到紫色的單色光，依次測量不同顏色光的熱效應。 他發現，當水銀溫度計移到紅色光邊界以外，人眼看不見任何光線 的黑暗區的時候，溫度反而比紅光區更高。反復試驗證明，在紅光 外側，確實存在一種人眼看不見的“熱線”，后來稱為“紅外 線”，也就是“紅外輻射”。,紅外線就在我們身邊！ 任何溫度高于絕對零度（-273.16K）的物體都會 發出紅外線。比如冰塊也會輻射紅外線。 不論是

2、白天還是夜晚紅外輻射都在我們的身邊。,電磁輻射頻譜圖,通常把波長大于紅色光線波長0.75m ，小于1000m的這一段電磁波稱作“紅外線” ，也常稱作“紅外輻射”,紅外線的分類,根據紅外線的波長分為： 近紅外線- 0.75m 3m； 中紅外線- 3m 6m；(中波) 遠紅外線- 6m 15m；(長波) 極遠紅外線- 15m 1000m,儀器發展Thermovision 680 Thermovision 550,點溫計,1：30點溫計,紅外檢測與診斷技術的基本原理,紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射， 自然界一切絕對溫度高與絕對零度的物體，不停地輻射出紅外線， 輻射出的紅外線帶有物體

3、的溫度特征信息， 這就是紅外技術探測物體溫度高低和溫度場分布的理論依據和客觀基礎。,風速對測溫的影響,Temperature T C,0 m/s 1 m/s 2 m/s 3 m/s 4 m/s 5 m/s,可見光波長范圍: 0.38 0.78m 紅外線波長范圍: 在0.75m 1000m,紅外線是一種電磁波(是肉眼看不見的)。波長在0.75m 1000m之間。 近紅外線 - 0.75m 3m； 中紅外線 - 3m 6m； 遠紅外線 - 6m 15m； 極遠紅外線 - 15m 1000m。 自然界任何物體只要溫度高于絕對零度(-273.16 C)就會產生電磁波(輻射能)。 不同的材料、不同的溫度

4、、不同的表面光度、不同的顏色等，所發出的紅外輻射強度都不同。,紅外線（紅外輻射）,用紅外線熱像儀來捕捉(接收)物體表面發出的紅外輻射，顯示物體表面輻射能量密度的分布情況(紅外熱成像)。 通過觀察物體的紅外熱分布圖，并測量所需位置的溫度，來判斷設備故障所在的位置及程度。 是被動的、非接觸式的檢測。,紅外檢測,紅外熱像圖和可見光圖比較,可見光圖,紅外熱圖,目標物體,大氣影響,熱像儀,熱像圖,成像過程,影響紅外線穿過大氣的主要因素,由物體所發出的紅外輻射在穿過大氣到達測量系統時會受到衰減，而衰減主要來自氣體分子(水蒸氣等)和各種微粒(塵埃、雪、冰晶等)的吸收與散射。氣體分子吸收輻射，而微粒散射輻射。

5、 水氣(6.3m); 二氧化碳, 硫和氮的氧化物等 ( 2.7m 和 15m) 大氣衰減與波長密切相關。在某些波長，幾公里的距離也只有很少的衰減，而在另一些波長，經過幾米的距離輻射就衰減得幾乎沒有什么了。,紅外線在大氣中穿透比較好的波段，通常稱為 “大氣窗口”。紅外熱成像檢測技術，就是利用了所謂的“大氣窗口”。短波窗口在15m之間，而長波窗口則是在814m之間,紅外輻射特性（規律）,輻射的光譜分布規律普朗克輻射定律,輻射功率隨溫度變化規律斯蒂芬波耳茲曼定律 輻射光譜的移動規律維恩位移定律,紅外輻射峰值波長與對應的溫度 近紅外0.76 1.5 m 35401658 中紅外1. 515 m 165

6、8-80 遠紅外15750 m -80-269 極遠紅外7501000 m -269-270 電力設備的紅外輻射位于中紅外的范圍內 我們通常所說遠紅外是對大氣窗口而言,基本輻射規律,輻射的空間分布規律朗佰余弦定律 I=I0COS 黑體輻射 紅外輻射與介質的作用,輻射率,影響物體 發射率的因數很多，如物體表面的溫度，光潔度、平整度、厚度、紅外線波長等。氧化發黑的導線接頭發射率約0.9，而拋光的表面金屬，發射率只有0.1左右。 對運行的電力設備進行紅外測溫探測，多數情況下是通過比較方法來判斷的，因此一般只需求出相對溫度值的變化或相對溫差的比值，而無需過分強調被測目標物體的紅外發射率，但若要精確測量

7、目標物體的真實溫度時，必須事先知道和了解物體的紅外發射率（或稱輻射率）的范圍。否則，測出的溫度與物體的實際溫度將有較大的誤差。,國內、外紅外熱成像技術的發展過程,焦平面、非制冷 探測器 （1997年第一代，1999年第二代， 2001年第三代，2002年第四代 ),焦平面、內循環制冷 探測器 （1994年）,國外 紅外探測技術的發展過程,進口焦平面、非制冷 探測器 國內組裝儀器（2001 年 ）,國內 紅外探測技術的發展過程,紅外熱成像系統 用途: 目標追蹤監控，多用于國防軍事領域。 功能要求: 圖像越清晰越好，發現目標的距離越遠越好。（5Km看到人游水） 紅外熱 成像 檢測 系統 用途: 以

8、工業檢測為目的，對設備進行預知性檢測或研究，包括觀察熱分布圖像、測量溫度、建立設備資料庫、分析采集的數據以判斷設備潛在故障的程度等。 功能要求: 圖像盡量清晰；溫度測量不止要準確，還要穩定，不受環境影響；現場操作簡單方便；后處理分析軟件功能強等因素均應考慮。,紅外線熱像儀按使用用途可大概分成兩大類:,紅外熱成像技術的應用,1.狀態監測,冶金,機械,化工,電力,“工業檢測用”紅外熱成像儀,1. 成像部分,2. 測溫校準系統,A.,B.,* 評估一臺工業檢測用的紅外線熱像儀的性能，這兩部分都是非常重要的，缺一不可！,工業檢測用熱像儀簡單的工作示意圖,性能良好 工作穩定 的檢測用 紅外熱像儀,自動有

9、效的 測溫校準系統,成熟先進的圖像采集系統,功能強大使用方便的后處理軟件,紅外熱像儀兩個重要參數,溫度分辨率 溫度分辨率標志著紅外成像設備整機的熱成像靈敏度，是一項極為重要的參數指標，它可以用主觀參數或客觀參數表示。 目前常用的主觀參數為最小可分辯溫差（MRTD）和最小可探測溫差（MDTD） 。它是通過觀察人員對特定的目標進行主觀判斷，以臨界顯示為標準，來確定目標與背景的最小溫差。 溫分辨率的客觀參數是噪聲等效溫差（NETD）。它是通過儀器的定量測量來計算出熱電視的溫度分辨率，從而是排除了測量過程的主觀因素。它定義為當信號與噪聲之比等于1時的目標與背景之間的溫差。,空間分辨率 熱電視的溫度分辨

10、率通常是在零空間頻率下測定的。在任意空間頻率下的溫度分辨率T（f），不僅取決于噪聲等效溫差，而且與熱電視的調制傳遞函數（MTF）有關。即T（f）=NETD/MTF 空間可探測到的最小的點 1毫弧度 10米1厘米,一、溫度 二、溫差與相對溫差 同一被測的物體的不同部位，或不同被測物體之間的溫度差值稱為溫差。 三、溫升 溫升是反映被測物體的測量溫度與周圍環境溫度之差的溫度值。 四、相對溫差 t（12）/1,測量技術,大氣傳輸,.,環境溫度的影響,測量功能,色板,灰度等級,溫度范圍,等溫線,SW、LW,輻射系數,輻射系數 消除誤差的方法 1、模擬黑體法 2、參考黑體法 3、涂料法 4、直接測定法 5

11、、接觸測溫法,測量輻射系數,紅外診斷技術在電力工業中的應用,電力設備在正常工作的時候，由于電流電壓的作用，將產生發熱。這些發熱的形成有多種多樣。 一、各種發熱形成 1. 電阻損耗 按照焦耳定律，電流通過導體存在的電阻將產生熱能，其發熱功率為P=KfI2R（W） 式中：P發熱功率（W） T電流強度（A） R電器或載流導體的直流電阻（） Kf附加損耗數,2. 介質損耗 電氣絕緣介質，由于交變電場的作用，使介質極化方向不斷改變而消耗電能并引起發熱，由此而產生的發熱功率為 P=U2ctg（W） 式中：U施加的電壓（V） 交變電壓角頻率 C介質的等值電容（F） tg介質損耗角正切值 這種發熱為電壓效應引

12、起的發熱。,3. 鐵損 當在勵磁回路上施加工作電壓時，由于鐵芯的磁滯、渦流而產生的電能損耗并形成發熱。 以上三種發熱形式，在正常運行的設備中也同樣存在，這時設備表現為正常的熱分布。若設備出現異常，這些發熱機理將加劇或表現異常，則其熱分布圖像也與正常情況不一樣。,電力設備熱故障分類, 電氣設備的外部故障 所謂高壓電氣設備的外部故障，主要是指對外界可以直接觀測到的設備部位發生的故障。其中又可以分為兩種類型： 一類是長期暴露在大氣中的各種裸露電氣接頭因接觸不良等原因引起的過熱故障。另一類則是由于表面污穢或機械力作用引起絕緣性能降低造成的過熱故障，如絕緣子劣化或嚴重污穢，引起泄漏電流增大而發熱。 這類

13、故障可以直接暴露在紅外診斷儀器的視場范圍之內，所以，檢測和診斷都比較容易，能夠做到直觀且一目了然。,（1）設備設計不合理 （2）安裝施工不嚴格，不符合工藝要求。如連接件的接觸表面未除凈氧化層及其它污垢；焊接工藝差；或緊固螺母不到位；末擰緊；或者是末加彈簧墊圈；或者是由于連接件內導體不等徑等。 （3）導線在風力舞動下或者外界引起的振動等機械力作用下，以及線路周期性過載及環境溫度的周期性變化。也會使部件周期冷縮熱脹，引起連接松馳。 （4）長期裸露在大氣環境中工作，因受雨、雪、霧有害氣體及酸、堿、鹽等腐蝕性塵埃的污染和侵蝕，造成接頭表面材料氧化等。 （5）長期運行引起彈簧老化等。, 電氣設備的內部故

14、障 所謂高壓電氣設備的內部故障，主要是指封閉在固體絕緣、油絕緣以及設備殼體內部的電氣回路故障和絕緣介質劣化引起的各種故障。 故障出現在電氣設備的內部，無法象外部故障那樣能夠從設備的外部直接檢測出來。 根據各種電氣設備的內部結構和運行狀態，依據傳熱學理論，分析傳導、對流和輻射三種熱傳遞形式沿不同傳熱路徑的貢獻（多數情況下只考慮導與對流），結合模擬試驗與大量現場檢測實例的統計分析和解體驗證，從電氣設備外部顯現的溫度分布熱像圖，分析判斷與其相關的內部故障。,（1）內部電氣連接不良或觸頭不良故障。如封閉在絕緣盒內的發電機定子線棒接頭焊接不良、各種上高壓電氣設備內部導電體連接不良、斷路器觸頭不良、高壓電

15、力電纜出現鼻端連接不良等。此類故障的發熱機制與外部故障相同，。,（2）介質損耗增大故障。各種以油作絕緣介質的高壓電氣設備，一旦出現絕緣介質劣化或進水受潮，都會因介質損耗增加而發熱。其發熱機制屬于電壓效應發熱，發熱功率可用P=U2wctg表示。,（3）絕緣老化，開裂或脫落故障。許多高壓電氣設備中的導電體絕緣材料因材質不佳或運行中老化，引起局部放電而發熱；或者因老化、開裂或脫落，引起絕緣性能劣化或進水受潮，這種故障發熱也屬于電壓效應發熱。,（4）電壓分布不均勻或泄漏電流過大性故障。,（5）渦流損耗（鐵損）增大性故障。對于由繞組線圈或磁路組成的高壓電氣設備，由于設計不合理、運行不佳和磁回路不正常引起

16、的磁滯、磁飽和與漏磁；或者由于鐵芯片間絕緣破損，造成短路時，均可引起局部發熱或鐵制箱體發熱。其發熱機制為鐵損或渦流損耗發熱。,（6）缺油故障。油浸高壓電氣設備由于漏油而造成油位低下，嚴重者可引起油面放電，并導致表面溫度分布異常。這種熱特征，除放電時引起發熱外，主要是由于設備內部油面上下介質的熱物性不同所致。,其他發熱 特殊運行方式。過負荷或電壓變化過大、單相運行等引起的故障，或者冷卻系統設計不合理與堵塞、散熱條件差等引起的故障。,紅外診斷的影響因素及對策,大氣吸收的影響 紅外輻射在傳輸過程中由于大氣的吸收作用總要受到一定的能量衰減。 大氣中的水蒸氣H2O，二氧化碳CO2，臭氧O3，氧化氮NO，

17、甲烷CH2，一“大氣窗口”的三個波長區域12，5m、35m和814m受大氣吸收的影響盡管很小，但輻射能量仍會被衰減，有選擇地吸收一定波長的紅外線 。 應在無雨無霧，空氣濕度最好低于75%的環境條件,大氣塵埃及懸浮粒子的影響 大氣中的塵埃及懸浮粒子的存在是紅外輻射在傳輸過程中能量衰減的又一個原因。這主要是由于大氣塵埃的其它懸浮粒子的散射作用的影響，使紅外線輻射偏離了原來的傳播方向而引起的。 懸浮粒子的大小與紅外輻射的波長0.7617m相近，當這種粒子的半徑在0.5880m之間時，如果相近波長區域紅外線在這樣的空間傳輸，就會嚴重影響紅外接收系統的正常工作。 應在無塵或空氣清新的環境條件下進行,風力

18、的影響 當被測的電氣設備處于室外露天運行時，在風力較大的環境下，由于受到風速的影響，存在發熱缺陷的設備的熱量會被風力加速散發，使裸露導體及接觸件的散熱條件得到改善，散熱系數增大，而使熱缺陷的設備的溫度下降,輻射率的影響 一切物體的輻射率都在大于零和小于1的范圍內，其值的大小與物體的材料、表面光潔度、氧化程度、顏色厚度等有關。,輻射率與測試方向有關， 最好保持測試角在30之內，不宜超過45。 當不得不超過45時，應對輻射率做進一步修正。,鄰近物體熱輻射的影響 當環境溫度比被測物體的表面溫度高很多或低很多時，或被測物體本身的輻射率很低時，鄰近物體的熱輻射的反射將對被測物體的測量造成影響。,太陽光輻射的影響 當被測的電氣設備處于