红外测温误差分析及温度校正

上海电力

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红外测温误差分析及温度校正

鲍克勤、丁古祥2,宋祎波1

(1.上海电力学院电力与自动化学院，上海200090;2.上海电力公司检修公司变电运维中心远东站，上海201209)

摘要:介绍了从环境、反射率、距离系数等几个方面对红外测温仪测量精度的影响，通过实验室试验提出了 方法对温度值进行了修正，结果表明，在5 m范围内，误差仅为达到0. 7T。关键词:红外测温;误差分析；电气设备;温度校准

针对红外测温的优势以及在测温过程中产生 红外辐射在到达红外探测器之前，必须经过 误差的缺点,本文首先对红外测温的原理以及影 大气的吸收散射，红外辐射在大气中的传输特性 响测温精度的主要因素进行分析，在此基础上，通 对红外测温质量有着极其重要的影响不同波长 过实验给出红外测温系统的温度修正模型，提高 的红外辐射在大气中传输时会受到不同程度的衰 系统测量准确度。

减，大气对红外辐射的衰减由大气中水蒸汽、

1红外测温基本原理

C02、CO、0,、CH4等气体的选择性吸收衰减和大

气中悬浮的各种微粒散射衰减共同确定。电气设 凡是温度高于绝对零度的物体都可以产生红 备运行状态的红外监测主要适用于地球表面环 外辐射，物体所发出的红外辐射能量强度与其温度 境，而且测量距离较近，气体吸收衰减主要由水 成比例。物体温度越高，所发出的红外辐射能量也 蒸汽（H:0)和co2选择性红外辐射吸收造成的。 越强。测温仪的光学系统将物体辐射能量会聚到 近距离测量红外辐射时，随着距离的增大，大气衰 探测器上，探测器将人射的辐射转换成为电信号， 减的影响呈增强的趋势。

电信号再经过信号处理及补偿之后就可以得到相应 光谱透过率可用布盖尔-朗伯定律表示，即

的温度数据。红外测温法原理方框图如图1所示。

Ta = exp( - At( A ) • l)

(1)

热式中/x(A)

衰减系数；

辐射体

光

学红夕卜 信U放人电路显示/—

目标与红外像机之间的距离：

系^测器

统

补偿电路

器

从上式可以看出，距离越大，衰减越严重。(2)物体发射率对红外测温的影响

图1红外测温原理示意图

实际物体红外辐射的功率与相同条件下黑体 2红外测温的误差分析

红外辐射功率的比值，称为比辐射率、辐射率或发 射率，其比值是一个小于黑体发射率1的数。实 由于红外测温是非接触式的，存在着各种误

际物体的发射率大小与与物体的材料形状、表面 差，影响误差的因素很多，除了仪器本身的因素

粗糙度、凹凸度等有关。这种不同的表面形貌特 外，主要在以下4个方面.

征将对反射率数值造成影响，这种影响的大小也 (1)大气吸收衰减

取决于材料的种类和粗糙的程度。例如，对于非

表1

常见材料的发射率

材料 情况 发射率 材料 情况发射率

材料

情况 发射率

铝未氧化0.02 -0. 1铬镍铁氧化0.3 ~0.8冷轧0.7 ~0.9氧化0.2 ~0.4合金沙铸0.3 〜0_6平板0.4 ~0.6

黄铜

擦亮0.3氧化0.6 〜0.95

钢抛光0. 1

氧化0.5铁铸件未氧化0.2氧化0.7 ~0.9抛光

0.03铁锻件粗糙0.9不锈钢0. 1 ~0.8铜

粗糙0.05 -0. 1铂金黑0.9氧化

0.4 〜0.8

钛

氧化

0.5 〜0.6

铅粗糙

0.4

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2020年第5期

金属电介质材料（尤其是多晶陶瓷），发射率受表 面粗糙度的影响较小或无关。但是，对于金属材 料而言，表面粗糙度将对发射率产生较大影响。 表1列举了不同物体发射率。

从表1可以看出，不同物体发射率变化很大。 因此在测量设备前先要确定被测设备的发射率， 将红外测温仪的发射率设定为监测设备的发射 率。

(3) 距离系数

距离系数尺对红外测温的精确度有很大的 影响，距离系数（A' = S/£>)就是测温仪到目标的距 离S与测温目标直径£>的比值，越大，分辨率越 高。即在同样的距离下，能测更小的目标。此系 数也就是测温仪的视场。由于单波段测温仪显示 的温度是其视场的平均值,所以被测物必须充满 视场，而且要有一定的余量，最好有1.5倍的余 量。

(4) 环境温度及风速的影响

被测物体所处环境对测量结果有很大影响。 当设被测目标温度为r,，环境温度为r2时，该目 标单位面积表面发射的辐射能为，而相应 地被它所吸收辐射能为，则该物体发出的 净辐射能为：

Q = AeaTl - AaaT\\

(2)

式中—

单位面积;——

物体的辐射率;a—

它的

吸收率。

设被测物体的£和a两者相等，由式（2)可得

Q = Aea^ - t2)

(3)

此外红外测温设备使用时，环境空气湿度不 宜大于85%，不应在有雷、雨、雾、雪及风速超过 0.5 m/s的环境下进行，若检测中风速发生明显 变化应记录风速，必要时按以下方法修正测量数 据。

当风速小于1.5 m/s时，定量检测值可按下 式进行修正：

式中f。,t0 = tvexp(v/w)

(4)

—

无风时的温升；

I----风速为r时的温升；

!----风速；w—

衰减系数,迎风取1.3,背风去0.9。

当风速大于1.5 m/s时，定量检测值可按下 式进行修正：

气丨=*〇“ Vh ”448

式中—在风速为£，，下的温升；

(〇2---在风速为！F的温升

3红外测温仪选择与温度校准

(1)红外仪的选择(1) 距离系数

在进行测温仪选择时要根据距离和被测目标

的尺寸来选择测温仪。

(2) 发射率

要选择发射率可修改的测温仪，以提高测量 系统使用的灵活性。

(3) 瞄准方式

选取了雷泰公司低温型50: 1的红外探头，采 用激光猫准定位方式。

(2)红外仪的温度校正

由于测温目标到测温仪的距离不同，使进入 传感器视场内的目标物体占传感器视场的比例也 不同，对测量结果带来误差。因此，系统需通过实 验，分析测量距离不同所引起的误差，可对系统进 行补偿。实验平台原理如图1所示，实验中以电 热杯为测温目标，电热杯形状为圆柱体，直径10

cm,高15 cm。电热杯外面涂有一层导热性好、发

射率高的白色硅脂。将标准温度计放人电热杯 中，在无风、无阳光直射，环境温度约为19T， 相对湿度为50%的环境下测量。将电热杯中的 油温升高到551后，停止加热，使其自然冷却，在 标准温度计读树为50^时，计下红外温度的读 数。在不同距离下进行重复多次测量，得出多组 数据。

图1实验平台示意图

待测目标温度不变，由于测量距离不同时，测 试结果也不一样。为了补偿和消除测温系统的距 离误差，测温系统增加补偿环节，该补偿环节除了 与仪器的测量输出值有关外，还应该与测温距离 有关,补偿原理如图2所示。

补偿环节的特性函数应为：

Tr = F(T,l)2020年第5期

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红外测温

1校准算法

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式中FTl—

(，)46

图2测童与校准框图

4

3

测量距离/的非线性函数。

•層根据一系列推导和计算，可得到温度的修正 公式。

将目标温度设置在501，测温系统在0. 7 m 至5 m的范围内进行测试，并进行温度校准，校准 曲线如图3所示。曲线B为红外测温仪温度值 随测温距离变化的情况，曲线C为校准之后的测 温值随测量距离变化情况。从校准前后的曲线可 以看出，测温值通过距离校正，误差在〇. 71以 内，可以大大减小测量距离引入的误差。

距离/m

图3

温度校准前后的拟合曲线