红外温度检测范文

红外温度检测范文（精选8篇）

红外温度检测 第1篇

国内大型火力发电厂在锅炉出口处设计有烟温探针系统, 用来测量锅炉出口烟气温度, 防止在锅炉启动时因再热器没有蒸汽流过, 导致再热器超温而烧坏。常规烟温探针为可伸缩式, 测温元件为热电偶, 即采用接触式测温。实际使用过程中因为伸缩机构等部件, 在高温下运行常常出现故障, 如高温变形、卡涩, 导致烟温探针无法正常使用, 严重影响锅炉及机组安全, 本文中介绍红外线温度测量技术, 采用非接触式测量, 没有伸入炉膛的机械结构, 可以有效避免上述问题发生, 实现对炉膛出口温度的全过程检测, 大大提高机组运行安全性。

1 温度测量技术

炉膛烟气温度测量, 有接触式及非接触式两种测量方式。接触式测温在电站温度测量中有着广泛的应用, 如热电阻、热电偶、双金属温度计等等, 均属于接触式温度计。锅炉烟温采用热电偶, 接触式测温的特点是感温元件直接与被测介质接触, 具有响应时间快、测量精度高、使用方便、结构简单的优点, 其缺点是受被测介质冲刷, 在炉膛高温、灰粉恶劣的工作环境下测温元件保护管易磨损, 从而影响其使用寿命。非接触式测温主要包括声学法和光学法两种, 光学法又可分为辐射光谱法和激光光谱法, 红外线温度计为辐射光谱法温度检测的典型应用, 其原理是通过测定烟气中一些成分的气体光谱, 从而测定气体的温度。红外线测温装置由于没有机械传动部件, 设备维护工作量小, 可靠性高, 测量精度在±1%, 体积较常规烟温探针小, 节约空间, 安装简单, 不会出现卡涩, 变形磨损等等设备损坏故障[1]。

2 烟温探针与红外线炉膛温度计

国内大型电站设计的烟温探针一般装设在锅炉两侧出口烟气处, 每侧装设一套烟温探针, 主要用于在锅炉启动时, 检测炉膛出口出烟温度, 防止再热器管子烧坏, 也用于低负荷时烟气温度检测。烟温探针包括支撑系统、测温及控制系统、位置控制系统、冷却系统、控制柜等部分组成。烟温探针为接触式温度测量, 热电偶固定在烟温探针顶部, 探针可以将测温热电偶送入炉膛, 使热电偶在炉膛内做伸缩运动, 探针可以连续或间隙前进, 也可停留在任意位置, 超温时退出。热电偶沿炉膛宽度方向测量不同位置上温度, 将测得的温度远传至集控室, 供运行人员监视。烟温探针由于结构复杂, 机械部件多, 且探针需要在高温, 高粉尘的炉膛内伸缩运动, 在使用中容易出现热电偶故障, 行程机构卡涩, 高温变形, 探针无法伸缩等问题, 使烟温探针不能正常工作, 不利于机组安全运行。

非接触式光学法测温根据物体的辐射能量随其温度变化而变化原理制成。在自然界中, 当物体的温度高于绝对零度时, 就会不断地向四周辐射电磁波, 其中包含了波段位于0.75μm~100μm的红外线。按照普朗克辐射定律, 单位面积单位时间辐射功率和温度的四次方成正比。根据这个关系可以得出:随着温度升高, 物体的辐射能量加强, 辐射峰值向短波方向移动, 这是红外辐射理论的出发点[1]。

电站中使用的红外线炉膛温度计, 基于高温CO2光谱分析法测量温度。其原理是燃料在燃烧过程中会产生大量的CO2气体, 通过对接收高温CO2红外光谱进行分析, 即可获得温度参数。红外线炉膛温度传感器设定为CO2光谱, 当视场内CO2气体被加热到特定温度时, 传感器可以直接测量出CO2气体的温度, 也即此时炉膛内烟气温度。

红外线炉膛温度计主要由红外遥感探测器、冷却装置、安装连接件等组成。特制的红外滤色镜使其光谱反应只接受CO2特殊红外光谱段能量, 并可以屏蔽杂乱红外辐射及干扰, 保证了测量精度。红外线炉膛温度计不适合CO2浓度过低的区域, 一般要求视场内CO2浓度在10%以上。

红外线炉膛温度计采用非接触测量, 没有需要转动、活动的部件, 系统简单, 维护费用低。相比烟温探针长达5 m~10 m的行程机构, 红外线炉膛温度计体积、重量大大减少, 每个探头重量仅十几千克, 减少安装空间。测量范围120℃~1 650℃, 高温不必退出, 可以实现全过程检测烟气温度。

3 红外线温度计在电厂中的应用

国内电厂对炉膛出口处温度测量主要采用烟温探针, 重点监视锅炉点火时烟气温度, 防止再热器超温。但由于烟温探针结构性缺陷, 烟温探针高温变形后, 行走机构不能伸进、退出, 导致其不能正常运行, 许多电厂烟温探针成了摆设, 失去锅炉出口温度监视必要手段, 给锅炉启动运行带来危害。在锅炉正常运行时, 因炉膛燃烧环境特殊性, 任何直接接触式热电偶在高温、粉尘的环境下都无法长期工作, 因此无法实现全过程监控炉膛出口烟温的检测, 以致造成炉膛出口结焦、水冷壁一侧磨损、管壁超温等事故发生。

红外线温度计因采用非接触式测量技术, 避免了与炉膛内高温, 粉尘介质接触, 整个装置结构简单, 没有推进装置, 可以实现从启动到正常运行的全过程烟气温度检测, 为锅炉运行提供更详细的燃烧数据, 从而有效减少锅炉烟气超温引发的各种事故。

红外线温度计在国外从80年代起得到推广应用, 逐步取代了烟温探针, 国内电厂从近几年开始使用, 也取得良好效果。目前红外温度计代表产品有美国JNT公司的Infra-view和美国FGS公司Boiler-temp II。以JNT公司的Infra-view为例, 红外线炉膛温度计智能传感器技术参数如下:

测量精度:可达1%;

测量范围:120℃~1 650℃;

信号输出:标准4 m A~20 m A信号输出, 带HART协议;

最大负载:700Ω;

工作环境温度:121℃;

视场角:30﹕1;

反应时间:100 ms;

防护等级:NEMA 4;

探测器总长度尺寸:约60 cm。

传感器有保护冷却套及超温保护装置, 在非正常工况下保护传感器。整套装置的性能完全能满足锅炉炉膛烟气温度测量要求。

Infra-view传感器目前在国内已在70多家电厂100多套锅炉上安装使用。如深圳妈湾发电厂、大唐湖南耒阳电厂、宁夏中宁发电厂等等。各个电厂成功的应用表明, 用红外线温度计完全可以取代烟温探针。由于红外温度计设备采购价格较烟温探针要贵一倍左右, 许多电厂基于价格因素选择常规烟温探针, 但从长远使用来看, 红外温度计以其结构简单, 安装方便, 免维护, 能提供全过程监测数据的优势, 将会在电厂中得到越来越多的应用。

4 结语

随着电站机组规模增加, 对机组自动化控制水平提高, 对电厂的检测提出越来越高的要求, 红外线温度计以其简单的结构、精确的测量、稳定的工作性能, 将会在更多的电站得到越来越广泛应用。

参考文献

发电厂带电电力设备红外检测浅析 第2篇

电力设备的红外检测诊断是一项简便、快捷的设备状态在线检测技术，任何有一定温度的物体，都会以电磁波的形式向外界辐射能量。所辐射能量的大小与该物体的热力学温度的四次方成正比。利用这个原理制成的红外测温仪，具有不停电、不取样、非接触、直观、准确、灵敏度高、快速、安全、应用范围广等特点，是发、供电设备实施状态检修重要技术监督方法，是保证电力设备安全、经济运行的重要措施。本文就红外诊断的基本原理、红外诊断对象、诊断方法和设备缺陷的判断依据，对红外检测和诊断技术管理工作等方面结合实际进行探讨。

一、电力设备状态红外检测与故障诊断的基本原理

设备故障红外诊断的前提，首先是用红外方法检测到设备运行状态的变化及故障信息。

电力系统的各种电器设备中，导流回路部分存在大量接头、触头或连接件，如果由于某种原因引起导流回路连接故障，就会引起接触电阻增大，当负荷电流通过时，必然导致局部过热。如果电器设备的绝缘部分出现性能劣化或绝缘故障，将会引起绝缘介质损耗增大，在运行电压作用下也会出现过热；具有磁回路的电气设备，由于磁回路漏磁、磁饱和或铁芯片间绝缘局部短路造成铁损增大，会引起局部环流或涡流发热；还有些电气设备（如避雷器和交流输电线路绝缘瓷瓶），因故障而改变电压分布状况或增大泄露电流同样会导致设备运行中出现温度分布异常。总之，许多电力设备故障往往都以设备相关部位的温度或热状态变化为征兆表现出来。

世间万物都会发射人眼看不见的红外辐射能量，而且物体的温度越高，发射的红外辐射能量越强。红外测量通常测量到的是三种合成辐射——本身的辐射、物体表面反射的辐射、大气辐射的能量。只要运用适当的红外仪器检测电力设备运行中发射的红外辐射能量，并转换成相应的电信号，再经过专门的电信号处理系统处理，就可以获得电力设备表面的温度分布状态及其包含的设备运行状态信息。这就是电力设备运行状态红外检测的基本原理。

二、红外诊断对象

只要表面发出的红外辐射不受阻挡的设备，都属于红外诊断技术的有效监测设备，例如：旋转电机、变压器、断路器、互感器、电力电容器、避雷器、电力电缆、母线、导线、绝缘子串、组合电器、低压电器及二次回路等。

三、诊断方法和设备缺陷的判断依据

电力设备巡视是每天必须进行的一项重要工作，其方法一般为通过目测、耳听和鼻嗅等来了解设备的运行情况，其中以目测为主。但目测的方法有着很大的局限性，一些有发展性的缺陷，特别是设备内部缺陷，要等到设备发热到一定程度后才能被发现，这样不但使设备缺陷的及时发现和处理造成延误，而且可能会对运行设备造成不同程度的损坏。

1.电流致热缺陷判断

（1）三相同位置最大相间温差比较法。进行同一间隔设备相同位置接点的最大温差比较，电流致热缺陷分析和判断一般采用本方法。

（2）绝对温升判定法。当设备三相同位置接点均过热时使用本方法。

（3）以环境温度参照体温度作为基准温度与三相过热点进行比较。

选取环境参照体有困难时，可在被检测设备本间隔或其他间隔设备载流导线、导电杆上选取温度较低的部位作为环境温度参照体，以其温度作为基准温度与三相过热点进行比较。

（4）电流致热类缺陷分析中应注意的事项。影响红外分析诊断的因素有：负荷、环境温度、风速影响、其他辐射热源干扰、材料辐射系数、测试距离、仪器参数设置（最高最低温度、环境温度、辐射率）、仪器使用条件。

2.电压致热类缺陷检测与诊断

电压致热类缺陷是长时间带有额定电压的设备由于介电强度降低、绝缘劣化、电场分布不均等所导致的设备局部或整体发热。

电压致热类缺陷绝大多数是设备的内部异常发热，所对应的缺陷都是重大缺陷，是红外检测的重点。

某些致热类缺陷也纳入了电压致热类缺陷去分析和管理，如：并联电容器极板击穿后的异常发热；变压器箱壁漏磁通涡流、磁屏蔽接地不良导致的发热；变压器油路循环不倡导致的发热或主油管油循环不正常；电力行业标准中没有计列的其他缺陷性质的发热（如：机械转动部分缺陷导致的发热、非电气原因导致的设备局部温度异常等）。

在红外检测发现和认定的缺陷中，电流致热、电压致热类缺陷都是不可自愈的，而电压致热类缺陷发展形成的事故是电力变电主设备损毁的主要原因。

电压致热类缺陷检测受到影响的程度和内容有：气象条件的影响、日照辐射影响、周围光辐射影响、双节设备电场分布的影响、被拍摄设备视角的影响、仪器参数设备（最高最低温度、环境温度、辐射率）。

3.发电厂变电所设备红外检测的故障判别方法

上文提出用发热点相对环境温度的温升来判断热缺陷，并给出了对不同负荷电流下不同设备接头过热的警界温升表。当被检测点相对环境温度的温升大于表中所规定的警界温升时就认为有缺陷，并按表中的警界温升确定缺陷种类，这种方法简单、直观、实用性较强，但是在线路红外检测时存在以下不足：

（1）对于发电厂变电所设备，由于条件限制，不可能准确测量设备周围的环境温度、湿度、风速以及检测距离（一般采用地面环境温度、湿度、风速作设备的环境参数，检测距离的估计），这样所测得的发热点相对环境温度的温升存在误差，必然带来热缺陷判断的误差。

（2）对于高压设备，即使相同材料、相同环境条件，由于集肤效应和邻近效应，在相同负荷电流情况下，交流线路的发热应比直流线路的发热严重，而上文中只根据导线型号和负荷电流来规定警界温升是有局限性的。

（3）不同设备、不同材料的发热特性各不相同，在不同条件下的允许温升应各不相同，例如在有太阳辐射时，会在被检测对象上附加一定的温升，这时的警界温升显然与没有太阳辐射时是不一样的。显然，简单地采用这种方法来分析热缺陷并不方便、准确。《带电设备红外诊断技术应用导则》对电流致热型设备的热故障判别提出用相对温升判断法，该方法通过分析相对温差与接触电阻的变化关系，依据电力行业标准《电力设备预防性试验规程》(DL/T596)中对接触电阻的规定，确定了分析电流致热型设备热缺陷的相对温升来判断。这种方法从发热的内在原因出发确定判断方法，克服了一些环境因素及负荷电流等对测量结果的影响，对电力设备的红外诊断具有指导性。

四、红外检测和诊断技术管理工作

1.红外检测人员基本要求

（1）掌握紅外检测的基本原理。

（2）熟悉设备的基本结构和运行原理。

（3）掌握红外检测相关规程。

（4）掌握目前已成熟的红外检测经验和案例。

（5）积累红外检测经验。

（6）学会使用分析软件。

2.电流致热缺陷现场拍摄

（1）检查仪器参数设置。

（2）必要时记录环境气象条件。

（3）核对负荷电流和最大负荷。

（4）不热的不拍。

（5）争取有个相间同位置进行比较。

（6）热点图像单拍摄一张局部详图。

（7）角度合适，能准确反映设备发热的部位和原因。

（8）尽可能避开外辐射源的影响。

（9）记录好每张红外热像图的编号和对应设备名称。

3.电压致热类缺陷检测现场拍摄

（1）检测前，应了解设备的运行情况。

（2）红外热像仪开机后先检查仪器日期、时间、辐射系数、距离参数、温度范围设置。精确检测的辐射系数使用0.92，距离参数设置12m，现场一般不再调整。

（3）不论红外热像仪屏幕红外图像目测有无温度异常，均应拍摄红外热像图，使用软件进行红外热像图分析。

（4）应将间隔内三相设备拍摄在一张红外图像。不同间隔的单一设备拍摄应与其他间隔同类设备使用相同距离、相同角度。

（5）拍摄应去掉对红外图像分析无意义的物体，获取设备最大的整体红外热像图。

（6）三相或两相设备本体的关键部位应互相无重叠遮挡。

（7）设备本体温升、温场分布异常达到严重及以上缺陷时，应将设备异常过热的准确位置、实测温度、缺陷初步诊断结果和注意事项告知值班员，缺陷诊断初步结果应填入缺陷记录簿。初步诊断为危急缺陷的，应立即向上级汇报。

（8）新投运的变电设备应于投运的第1、3、7天连续进行精确检测，无异常后转入正常的电力设备红外检测。初始红外检测热像图应作为基础技术资料保存。

（9）新投运的变电设备精确检测发现设备本体温场分布异常时，应进行红外连续跟踪检测，根据红外诊断结果及时采取其他带电或停电检测措施。

红外诊断技术还可以在电厂其他诸多方面发挥重要作用，例如：转动机械轴系过热故障的诊断；储煤自燃隐患的诊断；锅炉堵灰的红外检测等。可以说，凡是能够表现为温度异常的各种故障，原则上都可以应用红外检测技术做出诊断，许多课题尚待进一步研究开发。

红外温度检测 第3篇

锅炉目前被广泛使用在动力、造纸、冶金和化工等领域, 锅炉炉膛工作在高温、超高压、受烟气腐蚀及冲蚀的恶劣的环境中, 极易产生高温腐蚀和磨损, 致使耐火砖剥落, 严重影响其保温效果, 导致事故发生[1]。例如, 2004年杭州钢铁集团公司的转炉作业区发生的重大炉壁穿透事故, 大量高温钢水泄漏, 造成重大的经济损失[2]。

随着科技的进步和社会的发展, 工业生产中对设备安全性和可靠性的要求也在不断提高, 同时, 由于生产事故的频发及其造成的损失愈加严重, 对于设备状态的准确检测和诊断就变得愈加紧迫和重要[3]。

红外检测越来越体现出了其独特的优势:非接触、效率高、大面积扫描、无有害射线和使用方便等。红外热像检测已经用于管道检测的各个方面:如管道漏泄及保温层的检测[4], 高温压力管道内壁缺陷的检测[5], 管道内壁水泥衬里局部脱落的检测[6]等。本文将基于锅炉炉膛耐火砖剥落的缺陷进行数值计算, 获得锅炉炉膛外表面的温度场及“热像特征”, 为炉膛耐火砖壁红外研究提供依据。

1 求解红外特征的数理模型

1.1 物理模型

本文研究对象为锅炉炉墙, 某锅炉炉墙结构示意图见图1, 相关物性参数见表1。

1.2 数学模型[6]

本文选取长Lx、宽Ly、厚Lz为1 000 mm1 000 mm100 mm的炉墙为研究对象, 设定炉墙故障的起始位置坐标为Ldx=500 mm, Ldy=500 mm, Ldz=0 mm, 耐火砖破损尺寸为dLx、dLy、dLz (对应:长、宽、厚) .

描述炉墙三维稳态导热微分方程为:

其中, α1、α2分别为炉膛内和周围环境的对流换热系数, tf1、tf2分别为炉膛内和周围环境气体温度。

环境空气的对流换热系数的计算[8]:

α2=1.163 (10+6υ) (8)

其中, υ为风速, 当风速υ=0时, α2=11.63。

炉膛的稳态导热微分方程采用有限体积法对模型进行数值计算, 采用三维网格系统来离散求解域, 节点P有6个相邻节点, 分别位于东、西、南、北、上、下, e、w、s、n、t、b分别代表控制容积的东侧、西侧、北侧、上侧和下侧边界表面。

按节点场变量值整理相关方程式, 可得

2 实例模拟计算及分析

2.1 炉膛正常工作时的温度场

当炉膛耐火砖壁完好时, 输入参数:Ldx=0.5, Ldy=0.5;dLx=0.0, dLy=0.0, dLz=0.0。

经计算得到图2、图3、图4、图5。

由图2和图3分析可知, 炉墙正常工作时, 其外表面温度分布均匀, 平均温度为62.7℃。

由图4和图5分析可知, 在厚度方向上, 温度近似呈线性递减变化, 其中耐火砖两侧温差达1 500℃左右, 而石棉板与钢板两侧温差小于100℃, 说明耐火砖层在保证炉膛保温效果方面起到主要作用。

2.2 炉膛耐火砖剥落时的温度场

耐火砖剥落时, 根据耐火砖剥落的深度, 设计当某一块耐火砖剥落深度分别为10 mm、25 mm、34 mm、50 mm、68 mm、75 mm、100 mm七种情况。其中, 深度为100 mm时, 耐火砖整块剥落。

以耐火砖剥落深度等于34 mm时为例, 经计算得到图6～9。

由图6和图7分析可知, 炉墙耐火砖剥落, 剥落深度为34 mm时, 故障处外表面出现明显热斑, 最高温度达73.7℃, 较无故障处明显升高, 温差达11℃。

由图8和图9分析可知, 在厚度方向上, 故障处剥落空间的温度与炉内温度几乎相等, 温度达到1 600℃, 从剥落深度为34 mm往外, 温度近似呈线性递减变化, 其中耐火砖两侧温差达1 500℃左右, 说明故障处损坏的耐火砖层在保证炉膛保温效果方面仍能起到一定作用。

3 计算结果分析

本文分别计算了六种剥落情况的结果, 分析故障处外表面温度与剥落深度的关系, 见图10;记录剥落深度、故障处外表面最高温度、正常工作处外表面温度, 见表2。

由表2和图10分析可知, 耐火砖剥落时, 故障处外表面温度随剥落深度的增加而增加, 其外表面最高温度与正常工作时外表面温度的温差随故障深度的增加近似呈指数增长, 温差最大可达213.7℃。

炉膛正常工作时, 炉膛外表面温度分布均匀, 平均温度为62.7℃, 在厚度方向上, 温度近似呈线性递减变化, 其中耐火砖两侧温差达1 500℃左右, 而石棉板与钢板两侧温差小于100℃, 说明耐火砖层在保证炉膛保温效果方面起到主要作用。

耐火砖剥落时, 故障处外表面温度随剥落深度的增加而增加, 其外表面最高温度与正常工作时外表面温度的温差随故障深度的增加近似呈指数增长, 温差最大可达213.7℃。剥落深度在10 mm以上, 表面最大温差达到0.5℃, 高于热像仪的最新小分辨温差0.2℃, 红外成像仪就可以感应出外表温度的变化, 因而此缺陷就可以很容易地在红外热像图中反映出来。

4 结论

本文通过有限体积法求解导热微分方程, 研究了存在缺陷时锅炉炉膛外壁面的温度分布规律, 经数值计算可知, 耐火砖层在保证炉膛保温效果方面起到主要作用, 且故障处外表面温度随剥落深度的增加而增加, 其外表面最高温度与正常工作时外表面温度的温差随故障深度的增加近似呈指数增长。

摘要：对带有缺陷的炉膛试件内部传热建立了三维物理和数学模型, 运用有限体积法研究了不同缺陷方位时检测表面的温度分布及红外特征。通过计算分析可得到结论, 耐火砖在炉膛保温效果方面起到主要作用, 当耐火砖出现故障时, 外表面温度出现异常且缺陷处的最高温度与正常工作时外表面温度的温差随缺陷深度的增加近似呈指数关系。

关键词：红外,表面温度,红外诊断,锅炉,炉膛耐火砖砖壁,缺陷

参考文献

[1]陈衡, 侯敬善.电力设备故障红外诊断[M].北京:中国电力出版社, 1999.

[2]吴洪潭.工业设备内壁缺陷形态仿真研究[J].系统仿真学报, 2007, 28 (2) :304-306.

[3]关荣华, 曹春梅, 陈衡.工业设备内部缺陷的红外热诊断研究[J].激光与红外, 2001, 31 (4) :228-229.

[4]FAN C L, SUN F R, YANG L.Investigation on nonde structive evaluation of pipelines using infrared thermogra phy[A].Proc of the Joint30th Int Conf on Infrared and Millimeter Waves and13th Int Conf on Terahertz Electro[C].Virginia:2005, 339-340.

[5]沈功田, 李涛, 姚泽华, 等.高温压力管道红外热像检测技术[J].无损检测, 2002, 24 (11) :473-477.

[6]REINHARDT W W.Use of high resolution infrared imag ing to evaluate lining damage in concrete lined pipelines[A].ASNT Fall Conf and Quality Testing Show[C].Atlanta:1994.70-72.

[7]余佐平.传热学[M].北京:高等教育出版社, 1984.

红外线冰面温度测控装置 第4篇

冰上运动是一项集体育、健身、娱乐于一体的全民参与活动。近年来随着人们生活水平的提高和该项运动的普及, 越来越多的大型冰场在国内各地兴建, 仅去年全国就已建造了数十座大型冰场。

冰上项目如速滑、花样、冰球及其他群众娱乐要求的冰面温度各有不同, 同时要求整块冰温度均匀, 目前国内所建造的冰场基本做法是:采用Pt100温度传感器, 检测冰层下面的制冷管道温度, 对压缩机进行控制, 而环境条件下诸多影响冰面温度的因素无法考虑进去, 使得冰层与冰面的实际温度差别很大, 如受灯光、观众、溜冰人数, 冰面保养影响, 都会使得冰面出现严重的质量问题。过高的控制温度会使冰面出现水雾, 冰面过软不能进行冰球之类项目;过低的控制温度又会使制冷机处于长期运行, 耗电量大, 过硬的冰面使花样滑冰难以完成动作又容易受伤。于是在本文中, 我们提出了研制红外线冰面测温装置, 通过冰面自身辐射能量原理, 利用红外技术, 实时检测冰表面温度, 及时滤掉那些因灯光、人体、热源等因素的干扰信号, 根据设定温度来自动调节制冷机能级、自动控制压缩机起、停, 实现冰面温度的恒定控制, 既保持了冰面温度质量要求又大大降低了运行成本。这套装置的关键技术是实现了红外探头、旋转云台、信号干扰的滤波处理于一体的集成过程自动控制。本套装置目前已经在国内数个新建冰场得以布设, 实践反映效果良好。

系统组成及原理

红外线测温传感器:冰面温度与冰层硬度密切相关, 很小的温度变化就会引起很大的冰层硬度变化, 不时变化的外界环境使得冰表面温度要比冰层温度变化快得多。接触式的探头是无法安装在冰面上的, 采用红外线冰面测温技术可以解决以上技术问题, 选用红外线温度传感器安置在冰面上方的马道, 避免照明系统直射, 考虑到标准场地马道高度一般在12米以上, 冰面温度在-3~-7℃, 冰层厚度在40mm, 环境温度26℃, 并且湿度较大, 所以我们选择了一款美国产的温度探头, 技术参数为:4~20mA输出, 测量温度-20~100℃, 距离系数30:1, 防护等级IP65, 响应时间200ms, 光谱范围8~14um, 此探头满足设计需求。

智能云台:标准滑冰场的冰面尺寸一般在61x30米范围。选用定点测温方式需要数十个红外测温探头才能够检测到不同位置的冰面温度, 成本太高, 不经济。于是我们应用了智能云台, 将温度检测探头放在云台上, 由温度检测控制器通过远程协议控制云台旋转, 以扫描方式检测温度, 改变云台仰角可以改变探头的伞状覆盖面积, 对一个标准冰场有两个红外探头就满足需求。我们选用了一款国产的云台。技术参数为:旋转角度:水平方向0~355度;每秒4.7度, 垂直方向0~90度;每秒4.7度。

红外冰面温度控制器

这是一个核心控制单元。所有的信号检测、信号处理、滤波放大、工程换算、信号输出、设备连接控制、网络通讯等, 测温区域, 测温速度, 测温方式都是由这个控制器来完成的。参见软、硬件设计框图。

点位检测:在0~355度内可设定检测点数量1~100点, 每点停留5秒, 取滤波后的温度。再计算所有测温点的平均值。与设定温度进行比较输出控制信号。

扫描检测:在0~355度内可扫描检测, 扫描一周取滤波后的平均值温度与设定温度进行比较, 输出控制信号。

全自动制冷系统:包括压缩机组, 全自动蒸发冷, 智能乙二醇水泵等组成, 接收到红外冰面温度控制器输出的制冷信号后自动联锁运行, 因为制冷控制系统不是本文介绍对象, 不再赘述。

冰场监控软件:通过上位机设定显示制冷系统、红外冰面温度控制系统的各种参数、工作状态、画面、历史记录、打印等。本工程采用一台计算机作为整个冰场的检测和控制平台, 通过组态画面可模拟系统中制冷设备的运行状况, 冰面的温度状态、人机界面清晰、醒目、直观;显示所采集的温度等历史曲线, 自动记录, 定时打印温度报表;进行设备故障报警, 提示故障原因并记录;可随时对现场所有控制器中的控制设定值和报警设定值等参数进行设定等功能。方便了操作人员管理整个制冷系统。

硬件组成

红外冰面温度控制器的核心是一款8位mcu, 有2个独立的usart, 1路外接485芯片控制云台动作, 另一路预留与上位机通讯用, 红外探头的4~20ma信号经电阻分压后滤波进入12位模数转换器, mcu使用SPI接口读取a/d12位数据, 1路运行允许信号经电平转换送入mcu, 根据计算结果输出制冷运行开关量信号。

软件流程

红外冰面温度控制器软件包括云台控制程序, 模拟量驱动程序, 输入输出启动程序, modbus程序, 冰面温度控制逻辑。

云台控制程序实现了如下函数:

pelco_pan (addr, action) 参数分别是云台地址和动作, 通过这个接口控制程序可以操作云台垂直和水平方向摇动。

pelco_init () 协议初始化

模拟量驱动程序函数:

GetScaledValue (channel) 获得经过滤波和校正的温度值

输入输出程序函数:

Hal_GetDigitalInput (Input) 获得开关量状态

Hal_SetRelays (State) 设置继电器状态

Modbus程序函数:

ModbusApp_Control () modbus状态机控制

ModbusApp_ProcessPacket (pprotol) modbus包处理

控制逻辑函数:

Application_Scan () 扫描方式测温

Application_Point () 点方式测温

Calc_Temp () 计算冰面温度, 滤除干扰

Control () 控制逻辑

经济效益分析

对于一座冰场来说, 按照常规设计需要10个测温探头, 如果采用旋转扫描技术只需要1个测温探头, 且10个温度传感器均匀分布在冰面上, 控制室离冰面的平均距离为50米, 高度为20米计算, 表1即为一个冰场项目施工中节约的管线数量及资金。

这样一年按1 0个冰场项目计算共节约资金为83800*10=838000元人民币。

结语

此系统整个运行过程都能通过电脑软件结合相应的硬件配置来实现, 使设备的利用率更高, 运行费用更节省, 管理更加方便, 从而达到冰场运行级管理所期望的经济效果, 符合国家节能减排的发展目标。

摘要：本文介绍了冰场冰面温度红外线测量自动控制系统的实现。在冰场自动控制的常规做法基础上, 开发红外线测温装置, 阐述了它的系统组成及控制原理, 硬件结构, 软件流程及其关键技术和带来的经济效益。

关键词：冰场,红外线,信号处理单元控制器,上位机

参考文献

[1].陈光梦, 主编.模拟电子学.上海:复旦大学出版社, 2005.3

[2].俞承芳, 主编.电子系统设计.　上海:复旦大学出版社, 2004.9

[3].胡寿松, 主编.自动控制原理.北京:科学出版社, 2001:48-112

[4].王克义, 鲁守智, 蔡建新, 王文保.微机原理与接口技术教程.北京:北京大学出版社, 2004

[5].Richard　C.　Dorf　, Robert　H.　Bishop.Modern　Control　Systems (Ninth　Edition) .Pearson　Education, 　2002:14-16

[6].王凤如, 主编.自动控制原理实验教程.北京:高等教育出版社, 2004:30-34

[7].王幸之.单片机应用系统抗干扰技术「M」.北京:北京航空航天大学出版社, 2000:78-86

[8].李海学, 编著.PIC单片机实用教程—基础篇.北京:北京航空航天大学出版社, 2002:8-40

[9].晨风, 编著.嵌入式实时多任务软件开发基础.北京:清华大学出版社, 2004

[10].马忠梅, 籍顺心, 张凯, 编著.单片机的C语言应用程序设计.北京:北京航空航天大学出版社, 2003:56-84

[11].组态王使用手册.北京亚控公司, 2001:1-400

基于红外温度变化规律诊断电路故障 第5篇

红外热成像技术作为非接触方式广泛应用到无损检测领域。红外检测快速、准确、安全的特点,使其在电路故障检测中的应用研究不断深入。目前,利用标准热像图与故障热像图的差分运算[1],已经可以诊断并定位故障。经过大量的红外检测实验我们有两个发现:一是这种绝对温度判别法的精度受到诸多因素(如环境温度、风力、热对流、检测时机等)的影响,会增加误判的几率;二是电路在工作过程中,其温度随时间的变化相对固定,有规律可循。本文尝试利用电路温度变化的这种规律进行故障检测。

1 红外热成像检测电路的原理

一般物体的红外辐射功率与物体表面热力学温度的4次方成正比,与物体表面的辐射率成正比。根据斯蒂芬-波尔兹曼定律,灰体辐射能量的计算公式为E=εσT4,其中ε为物体表面辐射率,σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数,T为物体的绝对温度。由焦耳-楞次定律可知,当有电流流动时,电路中的耗能元器件将会产生一定的热量[2]。这个热量通过传导、对流和辐射三种方式与外界交换。根据以上两个定律,当对电路施加激励时,电路中的耗能元器件就会具有相应的工作温度。

从硬件上讲,电路故障主要是指电路和元器件的故障。电路故障一般分为短路、开路和接触不良;元器件故障主要指早期失效、由有关事件引发的故障和耗损报废。电子电路内部的物理机理通常涉及电流流动,而电流流动本身必然产生热。由于电路和元器件的热特性与电流流动密切相关,故元器件工作时的温度可以有效、可重复地反映它们的工作状态[6]。

众所周知,元器件的大多数故障都与热有关。即故障可以由过度发热引起,以及故障会导致元器件过度发热;同样存在因故障而不发热(如开路)的情况,因此不发热本身也可能揭示故障或功能失常[3]。

电路中的耗能元件和电流回路在工作状态时的温度变化最为显著,并且也是故障的多发区域。在同一种工作状态下,电路的温度是一个连续变化的过程,直到温度饱和。利用红外热像仪对整个电路进行非接触的温度扫描,就可以得到该电路的热像图。如果元器件发生故障,则电路热像图与正常工作时的热像图就会产生差异,通过这个差异就可实现电路故障的诊断。

2 故障判别方法

利用红外成像技术诊断电路故障,通常是用电路有故障时拍摄的热像图与电路正常工作时所拍摄的热像图(事先采集整理好)相比较,根据两者差异判断可能的故障部位或故障器件。在故障出现时根据维修保障需要现场采集的,因此,拍摄的故障热像图会受到多个因素的影响,主要有:

(1)环境温度。因为季节和地域的差异,拍摄故障热像图时的环境温度可能与标准热像图的相差达数十度,文献[4]给出了环境温度误差的影响。

(2)检测角度,即热像仪镜头平面与检测面的角度。红外辐射率与角度是有关系的,通常检测角度在小于30°时对检测结果的影响较小。

(3)检测距离,即热像仪镜头与待测面的距离。因为红外线在空气中的衰减很小,同时在电路检测时,一般距离在1m内,为了提高精度只需要保持多次检测的距离一致。

(4)检测时机。电路在线工作达到一定时间后温度会达到饱和,检测时机选择不当会错过故障发生过程或贻误故障暴露最明显的时刻[5]。

利用电路的温度变化规律来诊断电路故障可以较好地克服以上因素的影响。从电路工作开始,其耗能元件和电流回路的温度是逐步变化的。在同一种工作状态下,当温度相对饱和时,就趋近于一个定值。利用红外热像仪,从电路工作开始到温度相对饱和为止,以固定的时间间隔拍摄热像图。取出所关心区域或器件的温度数据,绘制时间/温度曲线图。通过对电路正常和故障时的时间/温度曲线图进行比较,即可诊断电路故障与否。

3 实验举例

选取某设备分机中的一块电路板。我们用转接板或连接线将待测电路板转接到分机外部,这样做一是在加电后减少相邻电路板对待测电路板的温度辐射,二是可以固定热像采集的距离和角度。

3.1 实验准备

检测设备是美国Fluke公司生产的Ti50型红外热像仪。主要参数如下:

(1)探测器:60Hz,320x240,焦平面阵列(FPA),氧化钒(VOX)非制冷微辐射计

(2)光谱带:8~14μm

(3)热敏度:0.050℃(30℃时)

(4)电子缩放:2x

(5)数字显示屏:5英寸高分辨率,320x240,日光可读彩色液晶显示屏(LCD)

(6)标准光学元件:20mmf/0.8锗视场-水平x垂直(提供可选镜头),空间分辨率(IFOV):1.3mrad,最小焦距0.15m

(7)校准温度范围:范围1=-20℃~+100℃(-4℉~+212℉),范围2=-20℃~+350℃(-4℉~+662℉)

(8)准确度:±2℃或±2%

(9)操作温度:-10℃~+50℃(14℉~122℉)

(10)可见光有效像素:1280(水平)1024(垂直)

固定热像仪,让其镜头平面正对待测电路板,保证检测时每次拍摄的距离和角度相同。根据检测环境的空间条件,在本次实验中检测距离选取50 cm。

3.2 实验电路

实验电路板为某设备的电源分配电路。图1为待测电路板的PCB图

故障设置:图1下方的P1根据实验的需要将会换上对应过载和开路的故障器件进行热像采集。

3.3 实验过程

标准热像图的采集。从加电(此时电路板的初始温度近似于环境温度)开始,每隔4秒拍摄一幅热像图,拍摄30幅热像图。图2给出第一幅(左)和第六十幅(右)热像图,需要说明的是,由热像仪直接采集的热像图是彩图,考虑到出版要求这里给出的热像图是对原图进行了灰度处理后得到的。

图2正常工作时第一幅(左)和第六十幅(右)热像图(参见右栏)

故障热像图的采集。将待测板上的P1更换成相应有故障器件。重新加电,按照上面的方法也拍摄30张热像图。图3给出故障状态下第一幅(左)和第六十幅(右)热像图。P1开路时温度仅有微小变化,限于篇幅不给出热像图比较。

3.4 实验分析

由测温软件取出图2、图3中白框区域内(即器件P1在热像图中占据的区域)的温度数据,包含区域内最高、最低温度和区域的平均温度。器件的内部结构决定了温度在其中的分布是不均匀的。本实验需要的是温度随时间变化的情况,因此选取了器件的最高温度作为实验数据。从拍摄的热像图中取出正常工作和故障时对应时刻的P1的最高温度,用MATLAB绘制曲线,如图4、图5。

图4中曲线y1表示为P1正常工作时的温度缓慢升高趋于某一值。曲线y2显示随着时间的变化P1温度迅速升高,说明器件内部的电流发生了变化,可以判断故障与P1相关。图5中曲线y3只有微小变化(受到周围器件的热辐射而升温),远小于曲线y1的变化幅度,可以判断故障与P1相关。

3.5 实验结论

根据温度变化曲线判别出的可能故障器件与实验设置的故障器件是一致的,因此利用红外热成像技术检测电路板的温度变化来诊断故障是可行的。相对红外热像图的差分检测方法,温度变化曲线能够更好地诊断出温度细微变化的故障。由图5可以看出P1开路时和正常工作时温度仅相差3℃,随着不断的热辐射,温差还会缩小,这时用差分法得出的结果就不太明显了。特别是当整幅热像图中高低温差很大的时候,较小的温度变化就很难被差分法诊断出来。

4 结束语

近几年来,"状态维修"已经取代预防性定期维修成为国际上研究的热点。基于红外温度变化规律诊断电路故障的方法正是从"状态维修"的角度出发来研究问题的,它能够分别利用器件从完好到故障过程中的不同状态下的温度变化规律来诊断器件的当前状态,方法新颖,而且具有一定的实用价值。该方法还需要进一步完善的方面有:a.完善温度数据的自动采集手段;b.细化电路红外温度变化规律的数学统计方法;c.合理地设置温度变化曲线的判决门限。

参考文献

[1]刘陶,李运祯,龚镇.基于红外热像图像的电路板故障检测[J].电子技术,2008,(4):66-67.

[2]余曼丽,潘伟,朱若寒.红外成像检测技术在工程中的应用及其发展[J].国外建材科技,2007,28(3):51-53.

[3]张永萍,李景飞,赵希.电子故障红外检测研究[J].中国表面工程,2006,19(5+):121-122.

[4]张健,杨立,刘慧开.环境高温物体对红外热像仪测温误差的影响[J].红外技术,2005,27(5):419-422.

[5]张树军,魏汝祥,范春利.电气设备红外故障诊断中的影响因素分析[J].激光与红外,2007,37(2):141.

红外LED在温度监控中的应用 第6篇

在各种温度测量中,将温度量转换为电阻或电势的方法最为普遍,前者要对传感器提供电源,用导线将敏感元件与测量电路相连接;后者如热电偶,虽无需提供传感器电源,但也要有导体将热端与冷端相连接,同时还要考虑冷端温度补偿问题。诸如此类的限制和不便,影响了传统传感器在一些特殊应用场合的使用。例如,在电力系统的变电站中,露天安置有各种供配电设备,其中大量的接线排、刀触头、开关等部件需实时进行非精确的温度监控,当触点温度超出某设定值时给予报警,以便技术人员及时发现、排除故障隐患,保证设备安全运行。本设计方案提出基于无源无线温度传感器,利用红外(或可见光)将测温信号传送给红外监控系统,结合图像识别技术,解决恶劣环境条件下温度检测、报警问题。

1 测温方案设计

图1是测温系统框图,散布在现场的若干测温传感器将温度量转化为波长850 nm的红外信号并发射,接收端由敏感中心波长为850 nm的红外监控摄像机对传感信号进行扫描接收,PC 机对提取的红外图像进行处理、分析,给出温度指示和报警信号。

2 测温传感器原理

本设计应用于220 kV 变电站温度监控,现场有高压,强辐射电磁干扰,因此考虑现场测温部件内电子元件尽量少,以减少恶劣环境对测量的影响。现采用温差模块直接向红外管供电。图2是无源光学传感器的原理图,由半导体温差发电模块 STM(Semiconductor Thermoelectric Module),红外发射管,以及由 R1、R2 和 RT 组成的补偿网络3部分组成,其作用是将被测体与环境温度差转换成红外射频信号。

2.1 半导体温差模块 STM

STM 的作用是将热能转换成电能,又为红外发射回路提供电源。研究发现将2种半导体结合,并使之处于高温状态(热端),而另一端开路并且处于低温状态(冷端),则在冷端就会产生开路电压 ΔU,称为赛贝克电动势 [1,2,3],用下式表示:

E=αsΔT=αs(TH-TL)

其中,αs 称为赛贝克系数,是由材料本身的电子能带结构决定的;ΔT 为热端与冷端的温度差,在这里是被测发热体与环境的温度差。

采用的 STM 外形尺寸为35 mm35 mm5 mm,共126对 PN 结,具有一定耐高温特性(热端稳定工作可达523 K,短时极限温度553 K),热电转换效率为4.7%[4,5]。测得的 STM 输出开路电压随温差变化关系如图3所示。根据图3曲线可以看出,1 K的温差变化相应产生0.04 V 的开路电压。同时,在 STM 两端接上匹配负载,输出的功率随温差变化的关系见图3,可以看出1 K 的温差变化可产生0.01 W 的匹配功率。

2.2 红外发射器件

红外发射管工作在正向电压下,其正向特征与普通二极管一样[6]。对它施加几伏正向电压后,就会发出红外光,光敏元件接收到此红外光后,就会输出相应的信号。由于红外发射管在正向电流下工作,因此,发光强度随正向电流的增加而增加,从而调整流过红外发射管的正向电流,便可调整输出光功率(即发光强度),对应地达到测量温差的目的。

考虑到工作现场夏季环境温度可达50℃以上,被测发热体与环境温差报警设定为50℃,红外射频发射信号要求较大的功率以保证稳定接收,选择波长为850 nm的耐高温红外 LED,参数见表1。

该器件经过下列高温高湿试验,确保了长期高可靠稳定工作。其试验如下: LED 置入88℃温度中20 min,瞬间移至-44℃温度中20 min,连续10个循环;LED 置入温度40℃相对湿度95%的槽中连续96 h;LED 在室温中加20 mA 电流连续点亮1 000 h;LED 之脚(离胶体底部1.6 mm)浸入260℃锡槽中5 s;LED 置入85℃箱中,加20 mA电流连续点亮1 000 h;LED 置入-45℃ 箱中,加20 mA电流连续点亮1 000 h。

2.3 补偿保护网络

当要求传感器或测量系统体积小、价格低廉时,采用模拟电路实现温度补偿仍是重要途径。采用热敏电阻网络补偿温度是一种常见方法[7]。在设计热敏电阻网络时,需对网络参数进行优化计算。本设计利用高斯-牛顿(Gauss-Newton)和麦夸脱(Marquardt)算法[8]对热敏电阻网络参数进行优化计算。

本设计温度补偿网络由 R1、R2和 RT组成,参见图2,采用正温度系数的热敏电阻器(PTC),这种热敏电阻器是非线性元件,可用指数函数表达热敏电阻器方程:

RT=RT0eBP(T-T0)

式中 T 是热力学温度;BP 是热敏电阻常数,与元件制备材料的特性有关;RT0 是平衡温度为 T0 时的阻值,T0 一定时 RT0 是常数。

因热敏电阻器是无源参数式敏感元件,热敏电阻网络使用时需加一激励电源,在这里是 STM 的开路电压 UE 与红外 LED 正向压降 Udio 之差,当 T0 和 Udio 一定时,在绝对温度 T时热敏电阻网络的输出电流即是红外 LED 的工作电流 ILED,其关系为

ILED=f(R1,R2,RT,UE,T)=

f(R1,R2,RT0,BP,UE,T)

热敏电阻网络参数的计算,实际上是根据期望的发电模块的开路电压 UE 和热力学温度 T 与网络输出ILED 之间的关系,计算热敏电阻网络的各个定值电阻R1、R2、RT0及 BP。这实际是一个非线性优化问题,归结为求下式残差最小二乘解的问题。

$Q={\displaystyle \sum _{k=1}^n\left[{\rm I}{}_{\text{L}\text{E}\text{D}k}-f\left(R{}_1‚R{}_2‚R{}_{{\rm T}0}‚B{}_{{\rm P}}‚U{}_{\text{E}k}‚{\rm T}{}_k\right)\right]}{}^2(1)$

图2所示温度补偿网络的输出电流为

${\rm I}{}_{\text{L}\text{E}\text{D}}=\frac{U{}_{\text{E}}-U{}_{\text{d}\text{i}\text{o}}}{R{}_1+R{}_{1}R{}_{\text{Τ}}/(R{}_1+R{}_{\text{Τ}})}(2)$

设网络平衡温度为 T=298 K,为了便于计算及与传统方法比较,电阻 R1 的取值与文献[8]一致,为 R1=1 Ω。这是假设的,实际使用时,若 R1=1.5 Ω,R2和 RT0 也应乘以1.5。优化计算后选择的元件参数分别为串联电阻 R1=1.5 Ω;并联电阻 R2=7.5 Ω;PTC 热敏电阻 RT0=2.5 Ω(25℃,型号是B59940 C0080A070)。

如图4所示,热敏电阻的阻值随流过自身电流的增加而增加,当电流超过150 mA 后,阻值随电流增加开始急剧增加。另外,由于 STM 的热端与冷端距离较近,两端温差一般不超过100 ℃,所以流经红外 LED 的最大电流被限制不大于350 mA,防止过流烧坏红外 LED。

3 红外摄像机的选择

本系统采用松下 WV-CL920A红外摄像机[9],具有彩色/黑白转换功能,主要参数如下:

a. 1/2型红外敏感行间转移电荷耦合器件CCD (Charge-Coupled Device);

b. 超高灵敏度,F1.4时彩色模式为0.14Lux、黑白模式为0.01Lux;

c. 彩色模式水平分辨率为480线,黑白模式水平分辨率为570线;

d. 电子灵敏度提升(自动/手动/关);

e. VD2 同步信号支持松下电器系统产品;

f. 具有外同步端口适合大型系统应用;

g. 单同轴电缆控制或RS-485控制;

h. 可使用 AC 24V 或 DC 12V 电源,型号为WV-CL924A/WV-CLR924A 。

对红外摄像机要做一些改动,摘除用于彩色摄像的红外线截止滤镜(ICF),同时加装光学带通滤波器,选通720～900 nm波长的红外线进入 CCD 器件[10,11,12],这样不仅保留了部分白天的彩色摄像效果,同时最大限度地降低了太阳光对测温的影响。红外摄像机获取的现场图像信号通过 RS-485/RS-232送入监控显示器和计算机[13,14],计算机对图像进行处理,首先利用对比测量滤除日光、照明灯等对850 nm 检测波长的影响,然后对每个红外 LED 测温单元逐个进行现场标定,最后利用图像灰度等级与红外 LED 辐射强度及温差之间的关系曲线进行现场扫描监控,现场环境温度由分布于现场不同位置的5个温度传感器提供。表2给出了实际应用中2号变压器接线排监控温度与实测温度的对比数据。可以看出测温误差小于±7℃,完全满足项目监控测温的要求。

4 结论

利用价格较低的红外夜视摄像机替代成本昂贵的热像仪进行非精确的温度监控测量,其关键是提供稳定可靠的与被测温度对应的红外辐射信号。半导体温差发电模块与红外 LED 组成的测温单元受环境温度的影响较大,采用专门设计的温差模块冷端散热器,可以提高测温单元的灵敏度和系统的测温精度,同时改善红外 LED 和电阻网络的工作环境温度,有利于系统的稳定性和可靠性。

摘要：为保证变电站中露天安置设备的安全运行,提出了现场环境设备温度监控的设计方案。该方案基于无源无线温度传感器,安装在现场的测温传感器的温度量转化为红外信号并发射,接收端的红外监控摄像机对传感器扫描接收,PC机对提取的红外图像处理、分析后,给出温度指示和异常报警信号。测温传感器采用温差模块直接向红外管供电方式;采用热敏电阻网络进行温度补偿;利用高斯-牛顿和麦夸脱算法对热敏电阻网络的参数进行优化计算。通过实际检验,所设计的方案获得满意的效果。

红外温度检测 第7篇

现代战争越来越重视通过目标所产生的红外辐射来探测、识别和攻击目标,为了提高武器装备的战场生存能力,首先需要掌握其红外辐射特性。

坦克是地面战争的主要机动性攻击武器装备。坦克的结构决定了其动力舱空间狭小,内置动力装置和传动装置,高温热源多,除冷却空气流动的进排气窗外,其它部位均是封闭的,造成动力舱装甲板具有较高的温度,太阳的辐射也会引起装甲板的温度升高。因此动力舱装甲板的红外辐射成为坦克被红外探测器探测的重要信号。

本文建立了动力舱装甲板温度场计算模型,通过与试验值的对比检验了温度计算精度,在此基础上计算了动力舱的红外辐射特性。

1 动力舱装甲板温度场计算模型

1.1 动力舱装甲板传热分析

坦克动力舱装甲板由前装甲板、顶装甲板、左右侧装甲板、后装甲板及底装甲板组成。装甲板内表面与动力舱空气之间存在对流换热,装甲板外表面与环境空气之间存在对流换热并受到太阳的热辐射,因此装甲板的传热是耦合传热问题,见图1。

可见,要求解动力舱装甲板的温度场,就需要掌握动力舱外空气流动状况、动力舱内空气流动状况、太阳辐射状况以及装甲板节点之间的导热状况。对此,本文应用了外流场和内流场与装甲板导热耦合、太阳辐射热量作为边界条件的CFD数值求解策略。

1.2 计算区域及网格划分

动力舱装甲板热平衡计算区域由三部分组成,即动力舱外空气流场区域、装甲板区域和动力舱内空气流场区域。动力舱外空气流场区域为舱外大气环境,其确定原则是在其表面上可以方便地设置空气流入、流出的计算边界条件,计算区域尺寸对冷却风道流场与温度场的计算结果不产生影响;同时要尽可能的节约计算资源。最终满足上述要求的计算区域是通过多次数值计算得到的。取距动力舱顶装甲板上方2.5 m、距左右侧装甲板分别1.5 m、距后装甲板1.5 m、距前装甲板0 m的区域,作为动力舱外空气流场区域。装甲板区域包括前装甲板、顶装甲板、左右侧装甲板、后装甲板及底装甲板,顶装甲板考虑了进排气百叶窗的尺寸与位置。动力舱内空气流场区域为整个动力舱内的空气流动风道,做出动力舱内动力装置和传动装置等部件的三维几何实体模型,由动力舱总容积减去实体模型,即为动力舱内空气流场区域。

采用分区的结构化网格和非结构化网格对计算区域进行网格划分,图2显示了整个计算区域的网格示意图。图3是装甲板的网格示意图。

1.3 边界条件与求解

对动力舱外空气流场区域的入口处采用压力入口边界条件,考虑环境空气的温度、压力、风速的作用影响,并加入坦克行驶速度的影响,输入进口边界处的空气总压、总温和湍流参数;对动力舱外空气流场区域的出口处,应用压力出口边界条件,输入出口边界的静压和倒流状态的参数;对动力舱内空气流场区域的壁面,应用壁面函数法边界条件,壁面温度应用热网络法求出动力装置[1]和传动装置[2]的表面温度及其向动力舱内空气的散热量;对于风扇边界,将已知的试验特性曲线作为边界输入;换热器边界输入已知的试验特性曲线。动力舱装甲板温度场计算中的耦合计算区域为动力舱风道内空气、动力舱装甲板和动力舱外部空气。对于计算区域中耦合边界视为内部边界,全部定义为固体壁面边界,装甲板温度由内热源传热、对流换热和辐射换热动态地决定,在计算中固体壁面边界可以自动在相耦合的两个体之间传递热交换条件,无需再进行单独定义。太阳热辐射边界条件选择离散坐标计算方法,输入经度、纬度和时区;日期和时间;方位朝向和太阳辐射因子。

应用三维湍流可压缩空气流动与传热控制方程组描述计算区域的空气流场,由质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、标准k-ε湍流模型和完全气体状态方程组成[3]。

对流场与装甲板温度场求解不同的能量方程,流场与装甲板温度场互为边界条件交换数据,实现耦合解算。装甲板内的传热方式以导热为主,同时考虑辐射换热的影响,求解的能量方程形式如下[3]:

式中:k表示热导率(W/(m2k));T表示温度(K);St表示热量源项(W)。

应用Fluent软件,对动力舱装甲板温度场进行数值计算。控制方程的离散采用一阶迎风差分格式,选择非耦合求解器和Coupled求解算法。经过循环迭代计算,获得收敛解。

2 动力舱红外特性计算模型

将动力舱装甲板划分为若干单元,并认为各个单元表面的温度不变。划分原则是温度变化梯度大的区域划分较密集,其他部位划分较稀疏。对于动力舱装甲板外表面上任一单元,其红外辐射由自身辐射和反射辐射两部分组成。

2.1 自身辐射模型

在获得动力舱装甲板表面温度场以后,其自身红外辐射通量可以直接从普朗特公式得到。考虑3∼5µm和8∼14µm两个波段。普朗特公式近似表示为[4]

式中:Eλ1∼λ2表示动力舱装甲板表面的光谱辐射照度(W/m2);C1、C2分别表示第一辐射常数和第二辐射常数,C1=3.74310-16 Wm2,C2=1.438 710-2 mK;λ表示辐射波长(m);T表示动力舱装甲板表面的温度(K)。

2.2 反射辐射模型

装甲板外表面的反射辐射为

式中:ρsun表示表面红外波段范围的太阳反射率;ρ表示表面红外波段范围的反射率;Esun表示表面接收红外波段范围的太阳辐射(W/m2);Eground表示表面接收红外波段范围的地面辐射(W/m2);Esky表示表面接收红外波段范围的天空辐射(W/m2)。

1)太阳辐射

表面所接收的太阳辐射照度为

式中:E0表示太阳常数,P表示该地区某时的大气透明率(取0.75),m表示大气质量,i表示某时太阳入射角。大气质量和太阳入射角的计算详细计算公式见文献[5]。

对于晴天水平面的天空散射辐射照度Edis[5]:

式中:θ表示所在平面与水平面的夹角,h表示太阳高度角。

则接受的太阳总辐射强度为

2)地面辐射

与水平面呈θ角的表面获得的地面反射辐射强度[5]:

式中ρG表示地面平均反射率(取30)。

3)天空辐射

表面所接收的天空辐射为[6]

式中:ea表示空气中水蒸气分压力(k Pa);σ表示黑体辐射常数,其值为5.6710-8(W/m2K4);Ta表示室外空气温度(K);φ表示接受辐射的表面对天空的角系数,垂直面φ取0.5,水平面φ取1。

2.3 辐射强度模型

动力舱装甲板的辐射亮度L和辐射强度I为

式中:ε为表面材料的发射率;∆A为动力舱装甲板表面的面积(m2);θt为探测方向与红外辐射面法向量的夹角(rad)。

3 温度计算值与试验值的对比

为了检验计算精度,对坦克行驶过程中动力舱装甲板外表面温度进行了测试。将计算值与试验值进行了对比。采用铜-康铜热电偶,二次仪表为采用16路智能巡检仪。在顶装甲板外表面布置了8个测点,主要布点原则是,重点区域和温度变化梯度大的区域密布测点,其他部位疏布测点。图4是测点布置示意图。

试验时每个测点记录三组数据,将三次的值求平均后为该测点的温度试验值。坦克挂4挡、车速38.05km/h稳定行驶,进排气百叶窗全开,环境大气温度23℃、压力99.15 k Pa。表1是顶装甲板表面温度计算值与试验值的对比。最大相对误差为9.034%。

4 设计工况计算结果及分析

针对坦克挂5挡、车速57.24 km/h稳定行驶的设计工况进行了计算。由于动力舱前装甲板与乘员舱相连、左侧和右侧甲板被行走系统所遮挡、底装甲板基本不影响动力舱的红外特征,因此以下只给出动力舱顶装甲板和后装甲板的计算结果。图5是动力舱顶装甲板外表面温度场等值线示意图。从图中可以看出,顶甲板表面温度最高处达到64℃,这主要是装甲板内侧发动机排气管的高温影响所致;由于受动力舱排出高温空气的影响,排气百叶窗的温度也较高。

图6为动力舱后装甲板温度场云图,图中坐标X为车长方向,坐标Y为车宽方向,坐标Z为车高方向。可以看出,后装甲板最高温度40.4℃,这是由于风扇位于后装甲板内侧,动力舱内高温空气通过风扇排出舱外,高温空气与后装甲板换热导致温度较高。

坦克动力舱装甲板红外辐射强度随其方位角而变化的关系称为辐射方向图,它是表征坦克红外辐射特性的重要参数。图7和图8分别为动力舱顶装甲板和后装甲板在波长范围3∼5µm和8∼12µm时辐射强度方向图。可以看出,红外辐射的最大方向在动力舱装甲板辐射方向与动力舱尾甲板辐射方向的合成方向。由于坦克炮塔的遮挡,动力舱装甲板辐射向前侧方向较弱,向后侧120°观测角方向较强。

5 结论

1)本文在基于FLUENT商用CFD软件对坦克动力舱装甲板温度场计算的基础上,进行了红外辐射特征的数值研究,与相关实验数据的对比表明计算结果与实验结果仅相差9.034%,验证了本文计算方法和结果的正确性。

2)利用本文提出的方法可以预测动力舱装甲板温度场分布和红外辐射分布,从计算结果可以看出动力舱顶表面是主要辐射源,排气百叶窗和排气管附近顶甲板表面温度较高,这些区域是坦克的红外辐射特征明显区域,是红外制导武器的红外导引头的探测敏感区域,也是坦克红外隐身设计和红外抑制技术予以重点关注的区域。

3)我们仅通过定性的方法对红外辐射计算的结果进行了分析,表明计算模型已基本反映了事实的一般规律,满足工程要求。

摘要：建立了坦克动力舱装甲板温度场数值计算模型,针对坦克动力舱装甲板的红外特性进行了理论计算。采用耦合计算方法计算了装甲板的温度场,通过装甲板和空气双向耦合换热计算,并考虑太阳辐射对装甲板温度场的影响,预测了装甲板温度场分布和辐射强度分布。动力舱装甲板温度场的计算结果与测试结果的相对误差小于9.034%,基本满足工程设计的需要。研究结果表明,动力舱顶装甲板是主要辐射源,排气百叶窗和排气管附近顶装甲板是坦克的红外辐射特征明显区域。

关键词：红外辐射温度计,动力舱,温度场,装甲板

参考文献

[1]王普凯,毕小平,黄小辉.装甲车辆动力装置部件温度的网络化预测方法[J].兵工学报,2008,29(6):641-644.WANG Pu-kai,BI Xiao-ping,HUANG Xiao-hui.Prediction of Temperature for Armored Vehicles Power Device Using the Network Method[J].ACTA ARMAMENTARH,2008,29(6):641-644.

[2]许翔,毕小平.履带车辆传动系统的传热仿真研究[J].农业机械学报,2007,38(4):28-32.XU Xiang,BI Xiao-ping.Simulation of Heat Transfer in Tracked Vehicle Transmission[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2007,38(4):28-32.

[3]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2004:485-488.TAO Wen-quan.Numerical Heat Transfer[M].Xian:Xi’an Jiaotong University Press,2004:485-488.

[4]姚连兴,仇维礼,王福恒.目标和环境的光学特性[M].北京:中国宇航出版社,2005:15-17.YAO Li-xing,QIU Wei-li,WANG Fu-heng.Target and Environment Optical Features[M].Beijing:Yuhang Publishing Company,2005:15-17.

[5]王章野,陆艳青,彭群生.基于气象学和传热学的城市建筑物红外成像模型[J].系统仿真学报,2000,12(5):517-524.WANG Zhang-ye,LU Yan-qing,PENG Qun-sheng.An Infrared Image Synthesis Model of City Building Based on Meteorology and Heat Transfer[J].Journal of System Simulation,2000,12(5):517-524.

红外温度检测 第8篇

远红外加热技术是利用辐射能进行加热的过程, 与对流和传导方式相比, 其不需要中间介质, 具有热效率高、质量好、节能等优点[4]。因其优势明显, 在茶叶加工中得到了一定的应用。日本的研究表明, 经远红外线加温萎凋制得的乌龙茶, 通过品质检测表明, 其中的醇类、脂类、吲哚类等生化物质要高出常规工艺的10%-15%, 尤其是香气类物质[5]。目前远红外技术主要应用于乌龙茶与蒸青绿茶的干燥工序中, 其目的是提高茶叶的香气。远红外提香通过特定装置发射出远红外射线作用于茶叶, 促使茶叶内含成分发生转变, 形成特定的香气品质。邓余良[6]研究显示, 恒温远红外提香技术有助于提高生产效率, 对成品绿茶的提香、润色效果明显。由相关文献可以看出, 远红外技术在红茶加工中的研究还比较薄弱。本文结合感官品质和理化分析, 探讨远红外提香温度对工夫红茶品质的影响, 以期为生产香高持久的工夫红茶提供理论数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

三级工夫红茶, 恩施宣恩县伍家台昌臣茶叶有限公司生产, 茶叶含水量为7.24%。

1.2 试验方法

本试验在远红外鼓风恒温干燥箱 (101-3Y型) 内进行, 温度设置为85℃、95℃、105℃、115℃、125℃、135℃、145℃等7 个处理。当整形平台温度达到需求并保持稳定后, 将红毛茶均匀的摊在平台上, 厚度约1 cm, 每10 min翻动一次茶叶, 提香程度以红茶甜香出现为宜。提香后的茶样一部分进行感官审评, 另一部分经粉碎后过40 目筛, 然后进行理化分析。

1.3 茶叶品质成分的测定

茶叶感官品质:感官审评法 (GB/T 23776-2009) ;水分:120℃烘干法 (GB/T 8304-2002) ;茶多酚:福林酚试剂法 (GB/T 8313-2008) ;氨基酸:茚三酮比色法 (GB/T 8314-2002) ;可溶性糖:蒽酮比色法[7]。

1.4 统计学方法

所有数据均以平均数±标准误表示, 使用Excel及SAS 8.0软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 温度对提香时间的影响

由同一批原料进行提香处理, 随着提香温度的升高, 红茶出现甜香的时间逐渐缩短 (图1) , 85℃、95℃、105℃、115 ℃、125 ℃、135 ℃、145 ℃ 等7 个处理提香时间分别为240 min、160 min、100 min、60 min、30 min、25 min、20min, 说明利用远红外提香时, 提高温度可以缩短提香的时间, 提高制茶功效。同时也可以看出, 125℃、135℃和175℃处理所需的提香时间差异较小, 从节约能源的角度看, 并非提香温度越高越好。

2.1 远红外提香对工夫红茶感官品质的影响

由表1 可知, 提香温度主要影响工夫红茶的香气和滋味品质, 而对外形、汤色和叶底品质影响较小。随着温度的升高, 红茶的甜香逐渐浓郁, 在115℃ -145℃范围内都能得到高甜的香气。滋味感官审评表明, 在105℃ -125℃范围内, 茶汤的鲜醇感提高, 但超过135℃后滋味略涩, 茶汤鲜醇度仍较高。适当的提香能够提高红茶品质, 提香温度不应高于135℃, 最适在11℃ -125℃之间, 所得红茶香气高甜、滋味鲜醇, 综合感官品质突出。

2.2 远红外提香对红茶氨基酸、可溶性糖和茶多酚的影响

由表2 可知, 随着提香温度的升高, 茶样的氨基酸和可溶性糖含量呈下降趋势, 而茶多酚含量表现出不同程度的增加。统计分析表明, 提香温度对红茶内氨基酸和可溶性糖含量有极显著性影响 (P < 0.01 ) , 对茶多酚含量有显著性影响 (P <0.05) 。

茶多酚是茶汤品质的重要组成成分, 氨基酸和可溶性糖是茶叶滋味和香气形成的重要呈味物质, 其含量高低对红茶品质有直接影响。随着温度的升高, 红茶内氨基酸、可溶性糖逐渐形成红茶的香气物质, 其含量逐渐降低。试验条件下, 高温135℃ -145℃提香的红茶内氨基酸和可溶性糖含量较低, 酚氨比较高, 红茶滋味略涩, 口感变差。因此, 过高温度的提香不适于红茶生产。

3 讨论

生产实践和科学研究已证明, 科学、适当的提香有助于提升茶叶的香气。绿茶在加工后期大多会采用提香工艺进行品质提升, 如黄檗禅茶通过瓶式炒干机适当提香更能激发香气发挥[8];蒸青针形茶[9]、贵州扁形茶[10]采用烘焙加热方式进行提香, 实现增香持久的目的。

随着人们对工夫红茶品质要求越来越高, 提升红茶香气成了研究热点。孙庆娜[11]对工夫红茶进行“低温长烘”处理, 发现70℃条件下烘焙1h的红茶内1- 戊烯-3- 醇、戊醇、青叶醇等具有青草味的组分含量较低, 2- 乙基呋喃、2- 戊基呋喃等具有烘烤香的组分含量较高, 红茶蜜花香浓郁持久;烘焙时间超过1.5h, 则感官品质下降。从本试验结果来看, 提香能够改善红茶的感官品质, 尤其是香气和滋味品质, 这与刘素强[12]的研究结果一致。当提香温度低于125℃时, 随着温度的升高, 红茶的甜香逐渐浓郁, 滋味鲜醇感逐渐显现;当温度超过135℃, 红茶的甜香依然高长, 但滋味略涩, 综合品质逐渐降低。因此, 过高温度的短时烘焙并不适于红茶提香。。