带电设备红外诊断.ppt
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1、带电设备红外诊断 洛阳供电公司,前言、红外线理论及基本概念,红外线是一种电磁波(英国物理学家FW赫胥尔在1800年发现)(0.75 m 1000m),高于无线电波,位于可见光红色光带之外。,红外热像图和可见光图比较,可见光的波长范围为0.380.78 m,普通玻璃能透过可见光,但是却几乎不能透过红外线。,红外线就在我们身边!,热量或热辐射是红外线的主要来源,任何温度高于绝对零度(-273.16K)的物体都会发出红外线。比如冰块也会辐射红外线。,平时,我们是看不到红外线的,但它产生的热量 我们的神经末梢是可以感觉到的。日常生活中, 阳光、火、散热器等散发的被我们感觉到的热量 都是红外辐射。 不论
2、是白天还是夜晚红外辐射都在我们的身边。 物体的温度越高它发射红外射线就越强。,红外热像技术 红外热像技术是研究红外辐射的产生、传输、转换、探测并付诸于应用的科学技术。 热传输的方式 热传输有三种方式,分别是:传导、对流和辐射。对流通常只发生在流体介质中。 红外热成像仪 显示目标热像的过程,叫做红外热成像。而实现这个过程的设备称为红外热成像装置。,红外探测器的工作原理 A、红外探测器:能把被测物体红外辐射量的变化变成电量变化的装置。 B、红外热像仪一般是由三部分组成:红外探测头、图像处理、监视器;探测器分为光机扫描型和聚焦平面凝视型。 C、光机扫描指红外探测头由高速光学机扫描装置和低温致冷装置等
3、组成其原理:光机扫描是通过平行光束扫描技术,将进入硅窗口的被测物体表面红外辐射经红外光学器件扫描到多元探测器列阵上,该探测器列阵处于低温恒器内,一般是冷却到-186C的多元红外探测器列阵,逐点把红外辐射信号转换成电信号,经放大处理后,被测物体表面的热分布以可见光图像显示在屏幕上。,IR optics,2 dim. detector-matrix,焦平面探测器,光机扫描探测器,D、焦平面红外探测器的工作原理:是依靠探测微型辐射热量的热探测器(Microbolometer)。探测器通过吸收入射的红外辐射致使自身温度上升,从而引起探测器电阻变化,在外加电压的情况下进而产生信号电压。,整个成像技术过程
4、如下图所示:,目标物体,黑体:在任何情况下对一切波长的入射辐 射的吸收率都等于1的物体。 普朗克定律、维恩位移定律和斯蒂芬-波尔 兹曼定律对黑体的辐射作了全面地描述。,普朗克定律:描述了黑体辐射强度、温度和波长的 关系。 一个理想的辐射体所发出的电磁波功率,随波 长的分布可用PLANCK定律公式示:,光波辐射量(J),波 长(um),可以看到黑体辐射覆盖很宽的波谱,但它们 有各自不同的辐射强度最大值。最大值处的 波长可以计算出来。这公式就是著名的维恩 位移定律,表达为 max = 2898/T T:物体的绝对温度,开氏温标测量 (K) max :最大强度的波长,物体的辐射率小于1且随着波长的变
5、化而变 化。技术上为了近似处理,就引入了灰体。 灰体:辐射率不随波长变化的物体。 对于灰体,斯蒂芬-波尔兹曼公式为 W = T4 W/m2 -斯蒂芬-波尔兹曼常数,其值为5.6697x10-2W/cm2.T4 -物体表面发射率 -物体的热力学温度,自然界中没有绝对的黑体,不同的物体具有不同的辐射性能,我们需要引入辐射率()来描述这一性能。 = Wbb :黑体的辐射能量; Wobj:同温度的“普通”物体的辐射能 : 辐射率由物体自身决定,Wobj,Wbb,自然界中的物体不但自身辐射能量,同时 也接收到周围物体的辐射能量。,入射辐射 W,反射辐射 W,吸收辐射 W,透射辐射 W,吸收系数( ) 反
6、射系数( ) 透射系数( ) W = W + W + W,简化为: 1 = + + 。 1 = + ; 物体透射率=0时, 1 = + 当物体处在热平衡状态 时,辐射率等于吸收 率,即 = ,此即基尔 霍夫定律 或 = 1 - 。,影响辐射率的因素,不同的材料性质 化学成分和性质,物理性质和内部结构. 绝大多数纯金属很低,非金属较高 2. 表面状态 表面粗糙度,非金属受影响较小,金属受影 响较大 温度的影响 非金属随温度升高而减小,金属随温度升 高而减小,物体(非黑体)表面辐射特性: A、辐射率强烈的取决于其表面特性; B、高度抛光的金属表面的发射率非常小; C、所有金属表面的辐射率随温度而增
7、加; D、表面粗糙和氧化层的形成使发射率明显地增加; E、非金属表面的发射率比金属表面的发射率高得 多,一般随温度的增加而减少; F、具有有色氧化物的金属(铁、锌、铬)的发射率比有 白色氧化物的金属(钙、铝、镁)高得多。 G、涂有油漆的金属表面辐射率比没涂油漆的金属表 面会高 H、红色油漆和黄色油漆的表面辐射率比较接近 注:在检测过程中,由于辐射率对测温影响很大,因此必须选择正确的辐射系数,对于电力设备,其发射率一般在0.85-0.95之间。,气体的吸收和再辐射能力 由于物体所发出的热辐射在到达测量系统的过程中要穿过大气,因此必须考虑红外线通过大气时所受到的影响。 红外线通过大气所受到的衰减,
8、主要来自气体分子和尘埃的吸收散射。可参看下图:,红外热成像仪性能的重要参数,噪声等效温差(温度分辨率-灵敏度) 准确度 分辨频率 空间分辨率,噪声等效温差(温度分辨率-灵敏度 )NETD:用热像仪观察一个低空间频率的标靶是,当其视频信号的信噪比(S/N)为1时,观察者可以分辨的最小目标与背景之间的等效温差。(可分辨两点之间的温度差别的能力) 例如:0.08 准确度:在最大测温范围内,允许的最大温度误差,仪绝对误差货误差百分数表示。,在极佳的动态效果下(50帧/秒 ),具有相当高的热灵敏度(0.08C)。,50帧/秒,30帧/秒,视场角(Field of view) FOV是光学系统视场角的简称
9、,是一个立体角,表示以能够在光学系统成像的空间范围。视野范围水平H和垂直V宽度的大小可以表达为: H=24/3602 D (D代表目标距离) V= 18/3602 D 空间分辨率(IFOV =Instantaneous Field of View) 红外热像仪的空间分辨率是指单只敏感元经光学系统变换后投射到空间的,(也就是仪器的瞬时视场角)以毫弧度表示。 空间分辨率是红外测温仪器分辨空间尺寸能力的技术参数。,空间分辨率是红外测温仪器分辨空间尺寸能力的技术参数(仪器可分辨物体大小的能力)。以毫弧度表示。,空间分辨率 = 丌/180 x 镜头度数 像素数 3.14 /180 x 24 320 =
10、1.3 毫弧度,视场角(Field of view)与水平、垂直宽度的关系 H=24/3602 D V= 18/3602 D (D代表目标距离),有效的检测距离能达到多远? - 与仪器空间分辨率、检测目标大小、目标温度等因素有关。 例如: (24度镜头)空间分辨率为1.3毫弧度(mrad) 代表仪器在10米远可分辨出大于或等于13mm(1.3厘米)的目标,100米远可分辨出大于或等于13厘米的目标。 同理:(12度镜头)空间分辨率为0.65毫弧度(mrad) 代表仪器在10米远可分辨出大于或等于6.5mm(0.65厘米)的目标,100米远可分辨出大于或等于6.5厘米的目标。,如常见220kV线
11、路,导线LGJ2402,导线直径21.28mm22mm,一般杆塔呼称高24m。假如我们在30m测量,则要求红外仪器的毫弧度不能高于多少? 1.3毫弧度(mrad) =10m-1.3mm =30m-3.9mm 0.65毫弧度(mrad) =10m-0.65mm =30m-1.95mm 要求红外仪器空间分辨率不大于0.7弧度(mrad) 仪器标准镜头都不能实现,要加长焦镜头 美国FLIR公司P65 (价格约80万)标准镜头2418像素320240,空间分辨率为1.3毫弧度(mrad) ,要配备12 或6 镜头,焦平面探测器,标准镜头2418,像素320240,带电设备红外诊断应用规范 DL/T 6
12、64-2008,一、引用标准 :,二、 名词术语,温升temperature rise:被测设备表面温度和环境温度参照体之间温度之差。 温差 temperature difference:不同被测物或同一被测物不同部位之间的温度差。 相对温差点 relative temperature difference:两个对应测点之间的温差与其中较热点的温升之比的百分数。相对温差t可用下式求出:,二、 名词术语,1和T1发热点的温升和温度; 2和T2正常相对应点的温升和温度; T0环境参照体的温度。,二、 名词术语,环境温度参照体reference body of ambient temperature
13、:用来采集环境温度的物体叫环境温度参照体。它可能不具有当时的真实环境温度,但它具有与被测物相似的物理属性,并与被测物处在相似的环境之中。 一般检测normal measurement:适用于红外热像仪对电气设备进行大面积检测。 精确检测precise measurement:主要用于检测电压致热型和部分电流致热型设备的内部缺陷,以便对设备的故障进行精确判断。,二、 名词术语,电压致热型设备heating of eqripenmt caused by voletage:由于电压效应引起发热的设备。 电流致热型设备heating of eqripenmt caused by current :由于
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