新型便攜式實(shí)時(shí)紅外在線測(cè)溫裝置研制

王 龍， 吳勇進(jìn)， 王 芳， 陳家和， 陳佳慧， 楊 鍵

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司三門縣供電公司，浙江臺(tái)州 317100）

0 引言

目前，國(guó)外紅外測(cè)溫裝置售價(jià)在12萬～14萬元之間，國(guó)產(chǎn)紅外測(cè)溫裝置在6 萬～7 萬元之間[1]。而本項(xiàng)目研制的新型便攜式實(shí)時(shí)紅外在線測(cè)溫裝置具有如下優(yōu)勢(shì)：售價(jià)2 萬元左右，造價(jià)便宜；測(cè)量范圍廣、測(cè)溫速度快、準(zhǔn)確度高、靈敏度高、使用方便，可以批量制造，大量配置；在滿足平常巡視測(cè)溫的同時(shí)還可以通過在軟件上進(jìn)行個(gè)性化定制；針對(duì)配電設(shè)備可以直接生成測(cè)溫報(bào)表，降低了繁瑣的記錄流程，降低了工作人員的勞動(dòng)工作強(qiáng)度，提高工作效率。

1 裝置概述

新型便攜式實(shí)時(shí)紅外在線測(cè)溫裝置的紅外測(cè)溫模塊通過第一數(shù)字與控制總線雙向通訊連接中央處理單元，通訊模塊上還連接有Wi-Fi 天線，中央處理單元通過第三數(shù)字與控制總線、電源管理模塊雙向通訊連接；該設(shè)備可以與絕緣桿相連，對(duì)一些測(cè)量難度較高的設(shè)備（如變壓器上下樁頭、分段分支開關(guān)上下樁頭等）具有較好的測(cè)溫效果，電源管理模塊通過第四數(shù)字與控制總線、電池、充電管理模塊雙向通訊連接。最終向手持端傳輸加密的數(shù)字信號(hào)并在移動(dòng)終端上生成溫度測(cè)量結(jié)果。手持端包括手機(jī)、掌機(jī)等具有Wi-Fi 通訊功能的便攜式手持設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量結(jié)果的傳輸。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)方案

2.1.1 高壓隔離

常見的處理高壓隔離方法包含空間隔離和借助光纖隔離[2]。本研究采用紅外光線進(jìn)行信號(hào)傳送，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，且隔離十分徹底，穩(wěn)定性較高。

2.1.2 抗干擾措施

由于高壓線路和設(shè)備運(yùn)行在高電壓、大電流環(huán)境下，即便是短暫的電磁暫態(tài)過程，也會(huì)造成強(qiáng)力的電磁干擾，影響到電子系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的處理效果。基于此，為了能夠切實(shí)有效地消除負(fù)面影響，研制過程中主要采取了軟、硬件綜合應(yīng)用的方案。軟件應(yīng)用中，充分發(fā)揮數(shù)字編碼、解碼技術(shù)等功能，結(jié)合濾波技術(shù)的應(yīng)用，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)，并且將其剔除；硬件方面則采用金屬屏蔽措施，加強(qiáng)各級(jí)濾波，達(dá)到消除高頻負(fù)面影響的目的。除此之外，還根據(jù)觸頭溫度變化緩慢的特點(diǎn)，通過多次采集信號(hào)，第一時(shí)間排除異常數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)真實(shí)完整。因而，整個(gè)設(shè)備的抗干擾能力大幅增強(qiáng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較高。

2.1.3 熱穩(wěn)定性問題

外部溫度變化較大，而紅外測(cè)溫裝置是在室外使用的，所以對(duì)檢測(cè)器的要求較高，其必須要具備良好的熱穩(wěn)定性。在實(shí)際的使用過程中，檢測(cè)器應(yīng)當(dāng)和設(shè)備高溫區(qū)之間存在較長(zhǎng)的距離，將其安裝在導(dǎo)電回路溫度較低處，進(jìn)而降低其耐高溫的要求。本研究選用熱穩(wěn)定性較好的元器件，可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性進(jìn)一步提升。

2.1.4 數(shù)據(jù)可視化問題

可視化數(shù)據(jù)有助于幫助工作人員發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障的細(xì)節(jié)所在，降低故障誤判率，最大程度上排除人為干擾[3]，使紅外測(cè)溫能夠更好地服務(wù)于配網(wǎng)配電設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)和工況分析。在滿足平常巡視測(cè)溫的同時(shí)還可以通過在軟件上進(jìn)行個(gè)性化定制，降低工作人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率。

2.2 方案實(shí)施

2.2.1 紅外探測(cè)原理

紅外輻射的探測(cè)原理是將被測(cè)量設(shè)備的輻射能源轉(zhuǎn)換為可以測(cè)量的形式，進(jìn)而獲得檢測(cè)結(jié)果。例如，可以將被檢測(cè)設(shè)備的熱效應(yīng)通過熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換的方式，獲得該設(shè)備的紅外輻射強(qiáng)弱程度；也可以采用紅外輻射的光電效應(yīng)，引發(fā)電性質(zhì)的變化，用來測(cè)量設(shè)備的紅外輻射強(qiáng)弱。如此，將紅外輻射的信號(hào)功率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以得到可直接進(jìn)行處理的電信號(hào)，將其傳輸?shù)较嚓P(guān)設(shè)備中，形成二維熱圖像，能夠讓人們直觀地看到溫度場(chǎng)的分布以及具體的數(shù)值。整個(gè)過程由紅外探測(cè)器完成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 紅外測(cè)量設(shè)備結(jié)構(gòu)

紅外熱像儀可以將某個(gè)設(shè)備表面的溫度變化動(dòng)態(tài)化地呈現(xiàn)出來，這也是該設(shè)備的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。熱像儀本身包括了圖像處理系統(tǒng)，在實(shí)際的測(cè)溫過程中，其分辨率較高，且耗時(shí)較短，在信息的采集、處理等方面都有著顯著的優(yōu)勢(shì)。即使它的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、成本較高、功耗較大，但應(yīng)用依然較為普遍。熱像儀的工作原理主要是將被檢測(cè)物體的表面溫度，應(yīng)用紅外輻射信號(hào)的形式將其轉(zhuǎn)換，而后呈現(xiàn)在探測(cè)器上，再將其轉(zhuǎn)換為微信號(hào)，放大器放大后送至端顯示器。圖2 所示為紅外熱像儀的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 紅外熱像儀的結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2 無線信號(hào)傳輸裝置

在線移動(dòng)式遠(yuǎn)紅外測(cè)溫裝置中包含紅外探頭數(shù)據(jù)反饋單元、中繼器和數(shù)據(jù)終端，將紅外探頭和被檢測(cè)的設(shè)備連接起來，被檢測(cè)的設(shè)備一一和上述三項(xiàng)內(nèi)容對(duì)比，以此能夠有效降低工作人員的巡視難度，使設(shè)備監(jiān)控不存在任何一處死角，并為后續(xù)的設(shè)備狀態(tài)檢修等活動(dòng)提供參考。如果設(shè)備出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，提高了變電站監(jiān)控的數(shù)字化水平。將64個(gè)紅外熱點(diǎn)的推送，以及處理電路統(tǒng)一封裝在一個(gè)裝置中，能進(jìn)一步擴(kuò)大測(cè)量范圍，從而更加快速地測(cè)量出某物體表面的溫度。圖3所示為裝置結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 裝置結(jié)構(gòu)框圖

2.2.3 具體操作

操作人員手動(dòng)切換任意站點(diǎn)的攝像機(jī)，也可以依據(jù)事先定義的順序進(jìn)行自動(dòng)切換。操作人員在遠(yuǎn)處手動(dòng)操作任意測(cè)溫儀，對(duì)需要檢測(cè)的設(shè)備進(jìn)行紅外檢測(cè)，依托測(cè)溫儀發(fā)出的激光點(diǎn)，在圖4的監(jiān)控畫面中可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。操作人員還可以調(diào)節(jié)鏡頭的變倍等，更加清晰地看到細(xì)節(jié)。

圖4 監(jiān)控畫面

2.3 設(shè)備溫度的存儲(chǔ)

對(duì)于運(yùn)行設(shè)備的溫度可以實(shí)時(shí)展開測(cè)量，并將得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，如此不僅有助于分析設(shè)備故障，為其診斷和處理方案提供有利數(shù)據(jù)，還能追溯歷史運(yùn)行狀態(tài)。要想分析設(shè)備溫度的去向，就必須要分析設(shè)備的歷史溫度數(shù)據(jù)，工作人員可以將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)用曲線呈現(xiàn)出來，直觀形象地了解其規(guī)律，看到其中存在的異常問題，合理判斷設(shè)備運(yùn)行情況，得出結(jié)論。

3 關(guān)鍵技術(shù)

第一，實(shí)現(xiàn)無人值守測(cè)溫，對(duì)變電站內(nèi)重要電氣設(shè)備超溫問題實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；采用遠(yuǎn)紅外測(cè)溫裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警，能夠清楚地知道每個(gè)電氣設(shè)備溫度的狀態(tài)。

第二是實(shí)現(xiàn)測(cè)溫設(shè)備的可移動(dòng)，方便現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)。

第三是實(shí)現(xiàn)溫度采集數(shù)據(jù)通過無線傳輸至數(shù)據(jù)終端。

第四是通過數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)測(cè)。

第五是體積小巧，成本低，便于推廣。

4 技術(shù)要點(diǎn)總結(jié)

在手機(jī)APP 中，用戶可以查看、整理、搜索、下載和共享上傳的圖像。可以查看從熱像儀上傳的所有圖像。可以在圖像中查看測(cè)量功能、閱讀備注、放大查看更多詳細(xì)信息，以及在熱圖像和可見光圖像之間切換按文件夾進(jìn)行整理在熱像儀中創(chuàng)建的文件夾也將在APP 中創(chuàng)建。保存在熱像儀文件夾中的圖像將上傳APP 庫(kù)中的相應(yīng)文件夾。可以選擇一個(gè)或多個(gè)圖像以下載到用戶的計(jì)算機(jī)，例如熱成像軟件中分析和創(chuàng)建報(bào)告共享結(jié)果；可以通過生成共享鏈接，與同事和客戶共享結(jié)果可以共享單個(gè)圖像和整個(gè)文件夾。共享鏈接可以受密碼保護(hù)也可以為其設(shè)置到期日期。

5 技術(shù)展望

本次研制設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了紅外測(cè)溫功能，并依托遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)等，能夠動(dòng)態(tài)化地了解變電站的圖象信息、熱狀態(tài)，有助于第一時(shí)間采取針對(duì)性的應(yīng)急措施，達(dá)到了“所見即所測(cè)”的目標(biāo)。在該系統(tǒng)中，包含了兩項(xiàng)功能，即圖像存儲(chǔ)和溫度曲線顯示，使該設(shè)備的智能性得到提升，還能夠合理及時(shí)地判斷設(shè)備是否出現(xiàn)故障。紅外檢測(cè)工作的開展簡(jiǎn)便，還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、在線檢測(cè)，應(yīng)用價(jià)值較高，能幫助企業(yè)單位獲得更高的收益。在該系統(tǒng)中，工作人員還可以依據(jù)激光瞄準(zhǔn)發(fā)射區(qū)，呈現(xiàn)在圖像監(jiān)控畫面上的光斑，對(duì)設(shè)備溫度等進(jìn)行檢測(cè)，并存儲(chǔ)相關(guān)圖像信息。此外，工作人員還可以用曲線的方式選擇一個(gè)階段的溫度測(cè)量結(jié)果，進(jìn)而切實(shí)有效地提高故障檢測(cè)效率，減少紅外檢測(cè)工作量。