紅外熱像儀期間核查方法的研究

歐陽宇佳　詹佳才　郭嘉榮　葉凱華

關鍵詞： 期間核查 測量設備 紅外熱像儀 光伏電站

中圖分類號： TN21 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2024）01-0086-04

期間核查（intermediate checks）是根據規定程序，為了確定計量標準、標準物質或其他測量儀器是否保持其原有狀態而進行的操作［1］。期間核查適用于所有檢測設備。當需要利用期間核查保持對設備性能的信心時，應制訂設備的期間核查方案并按照程序進行核查。

熱像儀是通過紅外光學系統、紅外探測器及電子處理系統，將物體表面紅外輻射轉換成可見圖像的設備。它具有測溫功能，可以定量繪出物體表面溫度的分布，能將灰度圖像進行偽彩色編碼［2］。通過查看熱圖像，可以觀察到被測目標的整體溫度分布狀況，研究目標的發熱情況，從而進行下一步工作的判斷。隨著紅外技術的不斷提升，紅外熱像儀在各個領域得到廣泛應用，如消防、安防、汽車夜視環境監測、電力、建筑、石化以及醫療等領域。

1 核查目的

隨著光伏發電應用的不斷發展，光伏電站的建設質量成為人們關注的重點。電站在長期運行過程中，灰塵、鳥糞、落葉、樹木陰影等障礙物遮擋，或者電池片本身的內部原因，都可能使光伏組件處于非正常的工作狀態而變為負載，造成周圍正常工作的電池片發生能量損失，此時出現問題的非正常電池片表面溫度就會異常升高［3］，導致組件產生熱斑效應。方陣面的輻照度高于600 W/m2，同一組件外表面電池正上方的溫度差超過20 ℃時，應視為發生熱斑［4］。在光伏電站檢測中，紅外熱像儀常用于排查發熱異常組件。通過無人機搭載的紅外熱成像儀的測試系統，能高效、準確地完成光伏電站熱斑組件的排查任務。使用紅外熱像儀拍攝的光伏電站產生熱斑效應組件的紅外照片可以看出熱斑電池片溫度超過60 ℃，較周圍正常電池片溫度高出30 ℃以上。由于外檢需要，該設備需頻繁運輸和外攜，檢測任務量較大，使用環境復雜，對設備精度要求較高，因而有必要進行設備期間核查，以保持該設備在符合計量要求的狀態下正常工作，從而保證檢測結果的可靠性。

2 實驗室常用設備期間核查方法及判定

實驗室設備期間核查方法多種多樣，可根據測量設備的實際使用情況與特點，從經濟、實用、可靠等方面綜合考慮對不同的設備采取不同的期間核查方法。針對設備準確性（或示值誤差）的期間核查，常見的有以下幾種：傳遞測量法、核查標準法、設備比對法。

2.1 傳遞測量法

傳遞測量法即使用更高準確度等級的同類測量設備或有證標準物質對測量設備直接測量來進行核查。

若更高準確度等級的同類測量設備（或計量標準）的最大允許誤差是被核查測量設備的最大允許誤差的1/3 及以下時，核查結果應滿足：

3 紅外熱像儀的期間核查

3.1 核查對象及主要參數

本次核查的對象為FLIR E95 紅外熱像儀，設備主要參數如表1 所示。由表可見，測試溫度范圍：-20～120 ℃，0～650 ℃，300～1 500 ℃，允許誤差：±2 ℃。實驗室實際使用溫度范圍：-20～120 ℃.

3.2 核查項目與核查點

3.2.1 示值誤差

紅外熱像儀的示值誤差是指熱像儀的溫度示值與被測黑體輻射源溫度的約定真值之間的差［6］。該紅外熱像儀有多個量程，絕大多數情況下，實驗室使用范圍在-20～120 ℃之間。在南方地區，夏季白天光伏電站運行時光伏組件的溫度多在30～70 ℃之間，冬天在10～50 ℃之間。結合廣東地區的實際情況以及實驗室條件，將25 ℃確定為核查點。

3.2.2 測溫一致性

在熱像儀視場內不同區域溫度測量結果的一致性，是熱像儀準確反映被測物體表面溫度分布的能力［7］。根據《熱像儀校準規范》（JJF 1187-2008）（以下簡稱JJF 1187-2008），將成像畫面分成9 個區域，采用比較中心點和區域點溫度之間的差值［8］，計算即

Φ?_n= t_i- t₅（9）

式（9）中：n 為第1～9 區域； Φ_n為測溫一致性，單位：℃；t_i為各區域的測溫讀數，單位：℃；t₅為第5 的測溫讀數，單位：℃。選定＜100 ℃的任意一點作為核查點，本次核查將25 ℃時的測溫一致性確定為核查點。

3.3 核查方法

根據JJF 1187-2008，熱像儀的校準通常采用鉑電阻溫度計、熱電偶（配相應的電測設備）或輻射溫度計作為標準器測量黑體輻射源溫度。不同于計量機構，測試機構往往不具備穩定的被測對象，既不具備標準鉑電阻溫度計，也不具備溫度穩定的黑體輻射源［8］。根據實驗室的實際情況，選用一塊光伏組件作為核查標準，使用一臺在計量有效期內、性能穩定，且僅用于實驗室內使用的日置LR8400-21 多通道溫度記錄儀作為賦值設備。LR8400-21 溫度記錄儀采用熱電偶傳感器，測量范圍為-200～800 ℃，最高分辨率0.01 ℃。根據計量證書結果顯示，溫度測量不確定度為±0.3 ℃，小于紅外熱像儀的最大允許誤差的1/3，測試精度較高，認為該設備測試結果是可信的。

3.3.1 示值誤差核查程序

（1）選擇一塊光伏組件樣品，水平放置在計量有效期內的恒溫恒濕室內，恒溫恒濕室溫度設置為25 ℃，經過足夠長時間（>4 h）恒溫使光伏組件溫度處于較穩定的狀態。選取的光伏組件應表面干凈、無污漬、無陰影遮擋，EL 測試結果顯示組件無隱裂、黑片或其他缺陷。

（2）使用日置LR8400-21 多通道溫度記錄儀測量組件背板中心溫度，使用同一探頭重復測量10 次，得到算術平均值x_s0。根據設備的校準證書對該值進行修正，得到組件的背板中心溫度x_s。

（3）設置紅外熱像儀測試參數，調整位置，使其瞄準光伏組件樣品背板中心，二者同軸，被測目標應能在顯示器上清晰成像，測量組件背板的中心溫度10 次，得到算術平均值xˉ。

3.3.2 測溫一致性核查程序

（1）選擇一塊光伏組件樣品，水平放置在計量有效期內的恒溫恒濕室內，恒溫恒濕室溫度設置為25 ℃，經過足夠長時間（>4 h）恒溫。選取的光伏組件應表面干凈、無污漬、無陰影遮擋，EL 測試結果顯示組件無隱裂、黑片或其他缺陷。

（2）將日置LR8400-21 多通道溫度記錄儀的溫度探頭貼在被測組件表面，選擇溫度探頭應參考設備校準證書，優先選取9 個測溫誤差小且一致的溫度探頭，記錄每個分布點的溫度，根據設備的校準證書對測試結果進行修正，再計算中心點溫度與其他區域的溫度的最大差值Φ_n，重復測量10 次，計算中心點與區域溫度最大溫差的絕對值的算術平均值，得到組件的測溫一致性溫差值Φ_ns。

（3）設置紅外熱像儀測試參數，調整位置，使其瞄準光伏組件樣品表面中心，二者同軸，被測目標應能在顯示器上清晰成像。拍攝光伏組件的紅外熱像圖，將成像畫面分成9 個區域，計算測溫一致性，重復測量10次，得到溫差的算術平均值Φ_nx?。

3.4 核查結果的處理

（1）若示值誤差和測溫一致性均滿足要求，即設備同時滿足δ ≤MPE = 2℃和ΔT ≤MPE =2℃時，核查結果合格。紅外熱像儀校準狀態得到保持，可以繼續使用。若核查的示值誤差接近最大允許誤差，應加大核查對象的核查頻次或其他有效措施，如（校準）以規避風險。

（2）若示值誤差和測溫一致性任意一項不滿足要求，都應立刻停止使用并查找原因；必要時重新進行校準，對設備的計量性能做進一步驗證；若影響了已出具報告結果的有效性，實驗室應采取相應的補救措施。

（3）根據表2 和表3 的核查記錄顯示，紅外熱像儀在25 ℃核查點的示值誤差δ = 0.24，測溫一致性誤差ΔT = 0.23，均滿足要求。核查結果合格，設備計量狀態得到保持，能繼續使用。

4 結語

期間核查作為核查測量儀器設備的系統漂移和考核短期穩定性的常用手段，能較好地反映設備是否處于受控狀態。紅外熱像儀是光伏電站現場測試熱斑和溫度異常組件的一種常用檢測設備，對設備的測試的精度具有一定的要求。而頻繁地外攜、運輸、戶外操作等都容易影響設備的穩定性和精度。通過定期的核查，保證設備測試結果準確可靠很有必要。本文根據實驗室檢測條件以及紅外熱像儀的實際使用場景，制定了使用恒溫的光伏組件作為測試對象，溫度采集器測試結果作為核查標準，以紅外熱像儀的示值最大允許誤差MPE 和標準對測溫一致性的技術指標作為評定依據，對該設備進行期間核查。結果表明：設備的示值誤差和測溫一致性均滿足核查要求，確認該設備在計量有效期內保持校準狀態。