艦艇機電設備的紅外熱成像監測技術*

鄭小榮　李紅江　高海林

(1.92957部隊　舟山　316000)(2.海軍工程大學電氣工程系　武漢　430033)

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艦艇機電設備的紅外熱成像監測技術*

鄭小榮1李紅江2高海林2

(1.92957部隊舟山316000)(2.海軍工程大學電氣工程系武漢430033)

紅外診斷技術是近幾年研究的熱點，可以用來判斷設備的狀態是否正常、分析故障的原因并預測故障的發展趨勢。論文闡述了紅外監測的基本原理，在對艦艇機電設備的紅外監測過程中，根據設備各種故障熱特征的不同，介紹了幾種不同的方法進行故障診斷，具有很好的工程意義。

紅外監測; 紅外診斷; 機電設備診斷

Class NumberU472.9

1　引言

紅外診斷技術是設備診斷技術的一種，它是利用紅外技術來了解和掌握設備在使用過程中的狀態，確定其整體和局部是正常或異常，早期發現故障及原因，并能預測故障發展趨勢的技術。紅外熱成像監測技術就是利用紅外熱成像儀檢測設備，然后運用紅外診斷技術對設備進行故障診斷[1～2]。

2　紅外監測的原理

2.1普朗克定律

構成物質的原子、分子都在作熱運動，并且在不時地改變其能量狀態。當物質由高能量向低能量狀態躍遷時就會輻射電磁波，它以光子的形式將能量帶走。普朗克利用光量子理論，導出了紅外輻射能與溫度、波長的關系，從而奠定了紅外監測的理論基礎，即普朗克定律。它說明單位面積的黑體在波長為λ的單位波長間隔內輻射通量Wλb與其波長和絕對溫度T的關系為

Wλb=C1λ-5(ec2/λT-1)-1W/m2

(1)

式中第一輻射常熟，C1=3.74×10-16W·m2;C2=1.44×10-2W·K。

2.2斯忒藩-波爾茲曼定律

如果將普朗克公式對波長積分，便得到輻射總功率同溫度的關系，這就是斯忒藩-波爾茲曼定律：

(2)

式中斯忒藩-波爾茲曼常數，σ=5.673×10-8W·m2·K-4。

2.3維恩位移定律

將Wλb對λ微分后，可導出黑體峰值輻射波長λm隨溫度變化的關系式為

(3)

該定律指出，絕對黑體對應的最大幅度的波長λm與絕對溫度T成反比。當溫度升高時，輻射最大值對應的波長變短，即向曲線左方移，如圖1所示。

圖1　光譜輻射通量密度對波長的分布規律

由圖1可得出如下結論：

1) 對于每一種溫度都有一條輻射曲線與之相對應；

2) 輻射曲線連續、平滑、具有單一峰值；

3) 所有曲線都不相交，且隨溫度的增高，溫度高曲線的位置都高于較低溫度相對應的曲線；

4) 當溫度升高時輻射幅度按指數規律增長；

5) 每條曲線下的面積，就是斯忒藩-波爾茲曼定律所表示的輻射強度W值。

以上結論是對黑體研究得出的，但對實際物體完全適用，只要乘以一個系數就可以了。因此物體的紅外輻射，都遵循上述規律。即：

1)任何物體只要它的溫度高于絕對零度，就有熱能轉變的熱輻射向外部發射。

2)物體溫度不同，其輻射的能量不同，且輻射波的波長也不同，但總包含著紅外輻射在內。

3　紅外檢測與紅外診斷技術

運轉中的設備，當零部件產生故障時，不論是磨損、疲勞、破裂、變形、腐蝕、剝離、滲漏、堵塞、松動、熔融、材料劣化和異常震動等，這些現象的絕大部分都和其溫度的變化相關。因此，設備的整體或局部的熱平衡也同樣要受到破壞或影響，通過熱的各種傳播方式，設備內部的熱必然逐步達到其表面，造成溫度場的變化。

利用這些紅外輻射的信息，紅外熱成像儀可以實時顯示物體的紅外熱像圖[3～5]。從紅外熱像圖中可以清楚地觀測到物體每個部位的溫度。依據紅外熱像圖提供的紅外輻射信息，結合對被診斷設備的結構原理、設計、制造、安裝、運行和維修方面的實踐知識，以及該設備及其零部件過熱失效的機理和熱力學的知識，可以判斷出設備的狀態是否正常，分析故障的原因，并預測故障的發展趨勢。

4　紅外熱成像監測技術在艦艇機電設備故障診斷中的應用

在工作實際中發現根據設備各種故障熱特征的不同，應使用不同的方法進行故障診斷。

1) 內部缺陷判別法：通過分析機器表面熱的傳導分析故障。

例如：某艦1#汽輪發電機組，在啟動時發現軸承溫度異常升高，但檢查軸承未發現異常。利用紅外熱成像儀，對汽輪發電機組的啟動過程進行實時跟蹤監測。汽輪機軸承紅外熱圖如圖2所示(圖中Sp1十字架所對的位置)，從圖中可以發現軸承的發熱，總是由靠近盤車裝置那一端溫度異常升高引起的。由此可以判斷出，汽輪發電機組在啟動時發現軸承溫度異常升高的原因，是由盤車裝置端引起的。雖然盤車裝置上有蓋板遮擋，不能觀測到其內部溫度的變化，但從啟動過程中的溫度傳導過程，仍然可以判定盤車裝置中有異常發熱。通過對盤車裝置的拆檢，發現了大量的油泥，順利排除了故障隱患。

圖2　汽輪機軸承紅外熱圖

2) 歷史數據對比法：對同一設備在不同時間檢測的熱圖數據進行對比，發現它們之間差異，可對設備缺陷隨時間的發展變化情況做出及時診斷，這對設備故障缺陷隱患的早期診斷有重要意義[6～7]。

進行實測溫度比較時，應換算到與前一次所測數據相同的條件下的溫度進行對比，以便掌握缺陷的起因和發展情況，判斷是新出現的缺陷，還是以前的缺陷或未發現的缺陷。

3) 熱力學溫升法[8～10](ΔT)：根據國標、軍標規定的各個部位允許的溫度極限值，當被測設備表面溫度達到規定的最大值時，應停止工作，進行檢查處理。例如：某艦2號工作滑油泵控制箱紅外圖如圖3所示，箱內環境溫度32℃，電阻器R1的溫度為212℃。根據熱力學溫升法、溫升為180℃故障嚴重程度為嚴重。

圖3　某艦2號工作滑油泵控制箱紅外熱圖

4) 相對溫差法：為了排除負荷及環境溫度不同時對紅外診斷結果的影響，當環境溫度低或負荷較小時設備的溫度值并沒有超過規范標準，但大量事實證明此時的溫度值并不能說明該設備沒有故障隱患。因此，對電流型設備還可以采用“相對溫差”法來判別故障隱患是否存在。“相對溫差”是指設備狀況相同或基本相同的兩個對應測點之間的溫差，與其較熱測點溫升的比值，其數學表達式為

ΔT(%)=(T1-T2)/(T1-T0)×100%

(4)

其中：T1為溫度較高點的測溫，T2為溫度較低點的測溫，T0為環境溫度。

通常判據可分為三檔，當20%≤ΔT≤80%為一般缺陷；80%≤ΔT≤95%為嚴重缺陷；ΔT≥95%為緊急缺陷。例如：某艦1號工作水泵控制箱紅外熱圖如圖4所示，環境溫度為34.3℃，正常點41.6℃，異常點53.8℃，熱力學溫升法ΔT(℃)12.2℃，可判定為無故障。可是相對溫升法ΔT(%)為63%，故障嚴重程度一般故障。

圖4　某艦1號工作水泵控制箱紅外熱圖

5) 相間比較法：絕大多數高壓電氣設備都是三相運行，在正常狀態下，作用在每一相的相電壓和電流都大致相同。因此每一相電路或導線相同部位的正常溫升應該一樣。相間比較法是指對同一設備的三相間的溫度進行比較。三相中不同相的相同設備同時出現故障幾率較小，根據相間的溫度差，可以比較容易判斷出設備是否正常。

例如：某艦卡斯坦指揮模塊開關紅外熱圖如圖5所示，電動機連接線中A相溫度42.7℃，B相溫度37.6℃，環境溫度30℃。雖然最高溫升12.7℃ 沒有達到70℃的最高允許溫升，但相間相對溫差40.16%，屬于一般缺陷，必須對接線端子進行檢查。

圖5　某艦1號制冷機海水泵啟動箱接線頭紅外熱圖

6) 同相比較法：在進行故障診斷時，對同一設備同一相，不同部位的溫度作比較，對判定故障屬性和定位也很有好處。

例如：某艦1號燃油輸送泵紅外熱圖如圖6所示，環境溫度39℃，A相導線正常點的溫度為43.6℃，異常點的溫度為55.7℃，相對溫升72%存在一般故障。

圖6　某艦1號燃油輸送泵啟動箱紅外熱圖及可見光圖

5　結語

通過以上的實例可以得出，利用紅外技術對設備進行監測，可以準確判斷出設備是否存在熱特性的異常，并能分析出故障的原因和發展趨勢。紅外技術不僅是一門前沿科學技術，而且是一門多學科的邊緣技術，因而它也是一門正在不斷發展和不斷完善的高新技術[11～12]。

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Infrared Thermal Imaging Monitoring Technology of Naval Ship Electromechanical Equipment

ZHENG Xiaorong1LI Hongjiang2GAO Hailin2

(1. No. 92957 Troops of PLA, Zhoushan316000)(2. Department of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

Infrared diagnosis technology is a hot spot in recent years. It can be used to judge whether the equipment is normal or not, to analyze the cause of failure and to predict the development trend of the fault. The basic principle of infrared monitoring is described in this paper. In the process of the infrared monitoring of the electromechanical equipment of naval ships, according to the different thermal characteristics of the equipment, several different methods of fault diagnosis are introduced, which is of great significance to the engineering.

infrared monitoring, infrared diagnosis, mechanical and electrical equipment diagnosis

2016年4月10日,

2016年5月29日

鄭小榮,男,碩士,高級工程師,研究方向：艦艇機電設備故障診斷。李紅江,男,博士,教授,研究方向：艦船電力系統生命力與可靠性。高海林,男,碩士研究生,研究方向：電力系統保護與安全運行。

U472.9

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.037