基于热成像原理的工业设备缺陷监测设计

任 杰，潘 硕，卢礼兵，刘士全

（中国电子科技集团公司第58 研究所，江苏 无锡）

目前热成像技术不断发展成熟与日益完善，利用红外状态监测和诊断技术能够远距离、不接触、不取样、不触体，又具有准确、快速、直观、实时地对电气设备大多数故障进行在线监测和诊断，因此备受国内外重视,并得到快速发展。红外成像技术在检测电气设备的热故障的应用,对提高电气设备的可靠性与有效性，提高运行经济效益，降低维修成本都有很重要的意义，是目前在预知检修领域中一种很好的手段[1]。

红外热像仪显示的热图像清晰、直观，测得的温度数据准确，不但可以准确地判断出电力系统中潜伏的过热隐患，以便合理安排检修，大幅度降低维修费用，大大降低故障率，保障电力系统安全运行，而且还可以节省大量的人力物力，提高系统运行的可靠性。通过红外成像技术在绝缘子串热故障、电缆红外成像故障、开关内部热故障、电流互感器内部热故障等实际的应用，验证了红外诊断各种方法的正确性。

1.1 黑体概念与热成像定律

任何东西，只要其有温度，都会对外辐射光波，光波的波长与温度有关联，通常已知常温下的东西其辐射的光波波长就是红外波长范围。现引入黑体这一概念，它是指对一切辐射都可以百分之百吸收的物体。而实际情况是，物体对辐射的波长除吸收以外，还会产生反射现象。

任何物体，如果其本身温度高于开尔文零度（绝对零度，273.15 ℃），都会对外辐射，称为红外辐射，计算公式可以看出表面发射的辐射功率与温度的四次方成比例关系。只要有温度这一因素存在，红外定律都是成像的依据。根据波耳滋慢律，能量计算公式为

式中，W- 辐射的红外功率；
ε- 发射百分率；
δ- 波耳滋慢常数；
A- 物体的表面积；
T- 物体的温度。

1.2 热成像设备

热成像设备可分为光学机械扫描热成像相机和非光学机械扫描成像相机。

以光学机械扫描热成像相机为例说明热成像设备的工作机理[2]，见图1。

图1 光学机械热热像相机的框图

光学框架由根据视场大小和图像质量要求的各种红外光学透镜组成。它集中了被测物体的辐射热能量。探测仪器可以实时的得到物体表面一部分的温度。只要仪器的采集时间足够迅速，他就会立即产生与接收到的温度成正相关的电流参数发射出去。一般，当能够采集获取的范围低至零点几弧度时候，能够以此面积的数倍去呈现物体的视野，对被测物进行光学机械扫描。本质做法是，将物体在X 轴和Y 轴分为很多等面积的小单元，设备可以对物体的表面依次按小单元进行扫描，形成一连串的小电流信号，按时间上可形成时域上电流幅值。再经过处理和软件算法后，被转化成实际的图片成像，最终在电脑上显示热成像[3]。

非光学机械扫描成像相机，对焦刻度的热成像设备是最新一代光学产品，在产品图像处理的指标上远远好于光学机械扫描相机设备，可以在不考虑成本的应用领域里代替前者的使用。其所具备的关键技术是该设备由集成电路组成。可以集中的获取被测物体的完整结构，使获取到的清晰度更真实，且集成电路架构在体积和重量上也有优势，性能方面有自动对焦功能，图片实时保存功能，实时处理并且实时的储存，储存容量越来越大。

1.3 热成像故障分析及其原理

当工业现场仪器存在事故了，其主要的表现形式温度高于正常阈值，并且在有效范围内产生电场，对外发射相应温度所对应的热量。通过前面提到的检测设备，可以把故障现场的图片传输到工业级电脑上，图片直接体现了现场的能量分布和时间的关系，分析出故障的地点和故障的受损程度[4]。根据现场图片，可以找寻到现场的温度最高的位置地点，从而得到急需解决的故障位置。

还有一种方法，是利用现场仪器配套的电脑，在获取到温度湿度参数后，可以直接分析出现场其他位置的温湿度值，从而及时在其他位置发出预警，避免故障带来的影响的蔓延，提前将故障带来的损失降到最低。

2.1 成像源

工业现场的各个设备在施工时，工作电压、工作电流，由此衍生出3 种发热。

(1) 自身发热，按照定律计算，当负载流过电流时本身就会发热，产生热量。即电流型负载发热电阻损耗发热。

(2) 自身寄生损耗，设备除了自身阻抗之外，还有包裹的绝缘介质，除了有效阻抗的热源以外，绝缘介质在变化的电场作用下，其极化的方向也在不断变化，在电场作用下产生寄生损耗，从而产生热量[5]。此过程的热量功率计算方式为

式中，U- 绝缘体上的电压；
ω- 变化角弧度；
C- 等效电容；
tgφ- 绝缘体正切值。

(3) 内芯发热，当导电线圈在磁场回路中加以电压时，由于铁芯本身具备的线圈特性，会产生热量损失进而产生能量。

2.2 失效判定

失效的类型可分为内部因素和外部因素。

外部热故障以局部过热的形态向其周围辐射红外线。例如导电回路的裸露接头、连接件和触头，因接触不良造成过度发热。其红外热像图呈现出以故障点为中心的热像分布[6]。故从热像图可直观地判断是否存在热故障，由温度分布可准确地确定故障部位。

内部因素是其内部长时间的处于热辐射，且辐射的能量持续稳定，与内部相连接的介质都会发射出能量，以导热良好的介质为例，其可将此能量积累聚合，并转发至外壳，从而改变周边其他设备的热量分布数值。因此通过外部检测到的热成像试验数据也能判定出工业现场哪些机器存在内部损伤。

2.3 判定依据

外部因素发生的损伤，其判定标准[7]见表1。

表1 外部损伤判定标准（损伤点与常温差）（单位：℃）

内部因素损伤，可以按GB/T12013-1998 中的相关规定来判定外，还可根据“温差法”和“文档罗列法”来指出。它是两个机器情况(铭牌、安置地、周边温度、周边湿度、热工况等)一致或基本一致的两个相邻的故障点之间的温度差值与最高温度的百分占比[8]。

温差判定法是根据同种机器的所处温度差异，来作为判据从而筛查出故障发生点。检查同一种类型的机器，它的热成像能量分布，包括比较湿度、温度差、能量分布等几个参数，以此来判定机器发生故障的前兆。此过程被称为文档罗列。

3.1 电缆热故障的判定

图2 显示了某设备电缆的热成像图片，损伤判定的依据是各电缆发生最恶劣的情况，不是看每个电缆的热温度变化情况。因为最恶劣和常温正常的温度差值进行检测，差值很小，且距离等因素的影响，温度差值不会超过一定温度阈值[9]。

图2 劣质电缆的热成像

3.2 阀门热成像故障的判定

阀门发生故障经常可分为接触不良和内部连接不良，其故障时显著的特征是不良接触的表面会过热，可以用上述提到的温差法来作为依据，发生故障的位置，也可以用同种阀门铭牌的不同位置上的温升测量法，来判定故障与否。图3 作为过热的图像，可以判定阀门接触不良位置。

图3 电缆端子发生超温的热成像

3.3 螺丝热成像故障的判定

螺丝位置的能量分布，取决于接触位置和螺母采用温差法和文档罗列法相结合的判定，当发生温度故障时，由螺丝与众螺丝的温度能量差异来判定出故障位置。图4 是工业现场电网的安装螺丝，把相同类型的螺丝罗列，热成像拍照，可以直接找到温度差值在超出阈值的故障位置。图4 是工业现场螺丝位置的热成像。

图4 工业电网螺丝位置故障的成像

使用成熟的热成像技术对工业现场的机器及其零件进行实时监测，对故障进行预警以便于及时维护，可以提高机器的使用寿命，增加工作效率，降低人工维护的压力，其技术具有很好的实用价值。本文依次介绍了在工业电缆、工业阀门、工业螺丝安装的故障判定，显示了热成像技术的应用可行性，故障能甄别出来显示了该成像技术的实用价值。

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