紅外輻射測溫技術在煤礦高壓電器檢測中的應用

王興舉,黃宗建,李進曌

（1.河南工業職業技術學院建筑環境設備工程系,473000;2.河南中光學集團有限公司,473000）

紅外輻射測溫技術在煤礦高壓電器檢測中的應用

王興舉1,黃宗建1,李進曌2

（1.河南工業職業技術學院建筑環境設備工程系,473000;2.河南中光學集團有限公司,473000）

紅外輻射測溫技術具備了實時、便捷以及非破壞性等特點，廣泛用于電器產品溫度的檢測中，特別是煤礦高壓電器設備由于復雜的運行施工環境，常規手段很難準確的測量溫度的變化，而紅外輻射測溫能夠迅速準確的對煤礦高壓電器進行測量。本文主要從紅外輻射測溫技術在煤礦高壓電器溫度的測量方面出發，重點研究了紅外輻射測溫的形成機理、測試手段以及需要注意的測試技巧，為生產實際過程中提供一個可靠的理論依據。

紅外輻射；煤礦高壓電器；普朗克定律

紅外輻射測溫技術主要是通過紅外輻射裝置產生紅外線，并經過介質傳遞到被測物體的表面或內部，通過像成型原理來進行電器設備的測溫。根據物體本身特性的不同，產生紅外輻射的特征也不相同，測量成像后得到的溫度場也就體現了電器的溫度特性。紅外輻射測溫技術已經發展成為現代煤礦企業光電子技術應用的一個主要組成部分，并在煤礦高溫電器的溫度檢測中發揮著不可替代的作用。

1 紅外輻射測溫原理

對于所有高壓熱力學絕對零度的物體，根據物質分子的不同的熱運動形式，都可發射出本體所特有的各種輻射電磁波。而對于理想條件下的黑體作為輻射源，其中的物體溫度與發射波長與光譜的輻射度符合物理學的普朗克輻射定律,即

由上式以及圖1，可以得出以下結論：

(1)輻射能量隨著溫度的升高而增加。

(2)輻射峰隨著溫度的升高而向波長較短的方向運動。其變化規律符合維恩位移定律。

(4)相對于長波長區來講，隨著溫度的升高，短波長區的輻射能量增加的速率要快，因此可以得到，短波長相對于長波長來講，靈敏度要高。紅外輻射應用的原理就是在相關對應波長范圍內實現對測量物輻射能量的測量，再進行能量的轉化，形成對應的溫度場。

上述理論都是基于黑體為研究對象，在實際過程中，測量體與黑體之間還是有一定的區別，包括測量物的投射率、吸收率等參數方面。實際中的輻射能入射到測量物的表面需要經過三個過程：入射能量的吸收、能量的發射以及能量的透射。

圖1 不同溫度下黑體光譜輻射圖

2 紅外輻射的檢測

2.1紅外熱像儀的結構組成

根據對紅外測溫原理分析,對測量物體的溫度場的測量，實際就是對測量物體的紅外輻射能量的測量。而目前較為常用的測溫儀器主要是紅外熱像儀。

紅外熱像儀主要有信號輸入系統、探測器、信號處理系統以及輸出系統構成。根據紅外輻射的物理特性，使用熱像儀內部布置的光學系統將測量唔的紅外輻射能量聚集到連接的探測器上，并通過信號轉換裝置與信號放大裝置，將能量信號轉化為電信號并進行放大處理，最后通過輸出信號裝置將被測物的溫度場顯示在終端上。

被測物進入測試系統后，首先由紅外光學系統對被測物的整個表面進行信息掃描，并記錄相關的熱量參數，將相關參數轉化為對應的熱處理圖像并輸入紅外探測器中，此時，紅外探測器對熱處理信號進行能量轉化成對應的電信號，并送入到信號的處理電路進行參數處理，最后送入到顯示器屏幕上形成相關的紅外熱像圖，形成的熱像圖與被測物的表面溫度分布一一對應。

2.2紅外探測器的選擇

在煤礦紅外輻射測溫技術中,探測器作為進行溫度探測的核心部件，起著至關重要的作用，紅外輻射探測器主要由敏感元件、紅外輻射輸入口、透鏡、濾光片等結構共同組成，主要是實現紅外輻射能向光電能的轉化功能。

由于煤礦井下惡劣的生產環境，對于探測器敏感元件的選取也極為重要，目前經常使用的主要包括光子探測器以及熱探測器兩類。基于煤礦電器設備高溫檢測對于響應速度的要求不是特別高，因而熱探測器相對來講在煤礦高溫電器設備的溫度檢測的應用更為廣泛。對于熱探測器來講，煤礦高溫電器設備使用的是熱釋電器件以及熱電堆為主要元件，熱釋電器的響應速度快、居里點較高、但輸入的入射參數需要進行預先調制處理，提高了機械部件的可操作性。而熱電堆元件不需要進行調制與偏壓處理，且所需用電量也較小，穩定性高，但元件的參數響應較慢。因而，煤礦高壓電器的測溫控制大都采用熱電堆為測量元件的紅外薄膜。

2.3紅外輻射波長

進行煤礦高壓電器設備的輻射能量需要通過大氣的傳播作用才能進入的測溫一起中，因此，需要進行探測器接收波段的調試工作，當大氣中能夠投過3個紅外時，即1.2-2.4um、3.1-5.2um、8.6-12.8um.但煤礦由于特殊的工作環境，紅外輻射收到煤礦粉塵、可燃氣體、顆粒的作用而發生散射、折射想想。造成光強的削弱，降低了溫度測量的準確性。

2.4光學系統與鍍膜

光學系統對于煤礦高溫電器設備的紅外測溫技術起到了重要的能量傳輸作用，光學系統將所收集的紅外輻射能量傳遞到探測器上。光學系統主要分為光纖式光學系統、反射式光學系統、透射式光學系統。目前礦井高溫電器設備都采用的是透射式光學系統,透鏡不僅能夠進行光線的傳輸作用，同時具備防塵作用。透鏡多數采用的是的鍺單晶材料,由圖3-1中鍺紅外透射曲線可以看出，鍺的投射范圍保持在4-15um之間。而煤礦高溫電器的光傳播長度遠遠超過這個范圍，因此，需要在鍺單晶透鏡上進行增透膜的鍍層處理。進行鍍層后的鍺單晶透鏡將原本只能進行50%的透射率提高到了85%以上，而更加高效的增透膜的透過率可以達到驚人的98%,這樣就大大提高了光學系統的使用性能。同時，為了確保光學系統能夠在惡劣的煤礦環境下高速有效的運行，可以采用金剛石材料的增透膜進行處理，有效的保障了光學系統的耐腐蝕性、耐磨性。提高了系統的穩定性。

圖2 鍺紅外透射曲線

3 使用紅外熱像儀時的注意事項

根據煤礦實際的生產環境和煤礦電器設備的運行狀況，在使用紅外輻射測溫設備時要需要注意以下幾個 方面。

3.1測溫范圍的確定

熱像儀的溫度范圍的測量是衡量一起性能的一個重要標準。不同型號不同規格的熱像儀都具有自身設定的測溫范圍。因此，在煤礦高壓電器的實際測量過程中，要根據被測量物體的實際溫度范圍來進行熱像儀的選擇。儀器的測溫范圍既不應該過窄，也不能過寬，把握合理適用的原則。

3.2被測量目標的尺寸確定

紅外熱像儀的可以依據設計原理不同分為單色測溫儀和雙色測溫儀。采用單色測溫儀進行溫度的測量過程中,被測量物的表面積應該全部充滿熱像儀的視線。若是目標的尺寸較小，則被測物的背景輻射就會對熱像儀器的測溫數據進行干擾，造成很嚴重的測量誤差。相反，目標尺寸選擇過大，就避免了被測量目標背景紅外輻射的影響因素。

3.3光學分辨率的確定

熱像儀的光學分辨率主要由被測物與熱像儀的距離和測量產生的光斑直徑之比來進行確定，若熱像儀受到煤礦生產環境的限制需要裝備在遠離被測物的一端，而同時要進行較小被測物的測量工作時，則應該選擇分辨率較高的光學熱像儀。

3.4波長范圍的確定

熱像儀的波長取決于被測物的發射率以及表面特性。對于具有高反射率的被測物來講,具備較低的發射率變化，因而，在高溫區對測量材料的波長選擇主要集中在0.18-1.0um之間。其他低溫區可以進行不同波長的選擇。在實際使用過程中，由于某些材料對于一定范圍的波長呈透明狀態，熱像儀的紅外能量可以直接投過被測物，因此，此種材料可選擇1.0um、22um、和3.9um的較短波長。

4 結語

紅外輻射測溫技術作為新興的一門高科技測量技術，在煤礦行業中發展與應用越來越廣泛。基于紅外輻射對煤礦高溫電器的溫度場檢測，能夠迅速、可靠的得到需要的結果，進行事先對電器故障的快速確定與解決工作。當然，紅外輻射測溫技術在煤礦井下的使用由于起步相對較晚，因此在今后的工作研究過程中，還需要進行大量的研究工作，包括對于溫度、風速、濕度等因素進行綜合研究的過程等。只有這樣，才能保證我國煤礦企業的安全高效的發展。

[1] 鄭兆平,曾漢生,丁翠嬌等.紅外熱成像測溫技術及其應用[J].紅外技術2003,25(1):96-98.

[2] 李穎文,易新建,何兆湘等.320*240凝視型非制冷紅外熱像儀研究[J].華中理工大學學報2000.28(11):48-50

[3] 郭呈祥.紅外測溫新技術[J].工科物理,2000,10(2):61-63.

[4] 劉志才，李志廣.紅外熱像儀圖像處理技術綜述[J].紅外技術,2000,22(6):27-32.

Infrared radiation thermometry techniques in the coal high voltage electrical detection

Wang Xingju1,Huang Zongjian1,Li Jinzhao2
(1.Department of Architectural Environment Equipment Engineering Henan Polytechnic Institute 473000;2.Henan Costar Group Co., Ltd，473000)

Infrared radiation thermometry techniques have real-time,convenient and non-destructive,which is widely used in electrical products,temperature detection,especially in high-voltage electrical equipment due to coal mining complex run construction environment,conventional means is difficult to accurately measure the temperature changes,and infrared radiation thermometry can quickly and accurately measure high voltage electrical coal mines.This article from the infrared radiation thermometry in the coal high voltage electrical temperature measurement standpoint,focusing on the formation mechanism of the infrared radiation thermometry,testing methods and testing techniques to note,as the actual production process to provide a reliable theoretical basis.

infrared radiation;mine high voltage electrical;Planck's law