现代红外测温仪及其在电气防火安全检测中的应用.pdf
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1、2 0 0 4年第 2 期 消 防 技 术 与 产 品 信 息 l 3 消 防技术 现代红外测温仪及其在 电气防火安全检测 中的应用 王 丽 虹,何 志华。(1 北京 华安 全 鼎 消防科技 有 限公 司 1 0 0 0 3 6;2 山西运城 公安 消防 支队,山西 运城0 4 4 0 0 0)摘要:简明介绍 了现代红外线测温仪的原理、性能,及在电气防火安全检测中的实际应用。关键词:现 代红外技 术;检测方法;电气火灾隐患分析 在我 国 电力 高速 发 展 的形 势 下,供 电部 门 的管 理 仅限于用电单位的高压部分;而低压配电设备、线路等 一般皆由用 电单位负责管理维护。事实上,由于管理体
2、 制 不顺、技 术力量 不 足,这 方面 仍存在 着严 重 的火 灾隐 患,致使 电气火 灾多 年来 居高不 下 2 0世 纪 9 0年 代 中期,北 京 市 消 防局 将 红 外 测 温 技术应用于电气火灾安全检测工作 中,并取得 了显著 的成效。据 统计,这几 年北 京市 电气火 灾 所 占的 比例有 逐年 下 降 之 势(从 9 0年 代 末 3 0 左 右 降 至 2 0 0 0年 2 3 )。目前,全国有 不少 省市 也都 逐步地 采用 红外 测 温仪 检测 电气 火灾 隐患。与此 同时,我们 也发 现 了一些 问题,如许 多企 业 的电气 防火 检测人 员,由于不 熟悉 红 外 测
3、温 仪 的基 本原 理及 性 能,故 在 用 红外 测 温 仪检 测 过程中,其仪器选择、测温程序、操作方法等都欠正确,检测出的温度误差很大,致使火灾隐患分析和判断有 误。下面,笔者 仅对 现代 红外测 温 仪的原 理、性 能、检测 方法 及火 灾 隐患 的分 析判 断作 一介绍,供 同行 参考。电气 防火 安 全检 测,当前 常用 的 现代 红 外 仪 器有 红外 点温 仪、红 外热 电视、红外 热像 仪。按显 示 和功能来 分:(1)定量 测量:红外 点温仪;(2)定 性成 像:红 外热 电视;(3)定 性 成像 和 定量 测 量:高性 能红 外 线热 电视、红外 热成像 仪。1 红外点温
4、仪(红 外测温仪)1 1 红外 点 温仪原 理 自然界中凡是绝对温度高于 0 K 的物体都会产生 红外辐射,物体的红外辐射特性、辐射能量的大小及其 按波长的分布等,与物体的表面温度有着十分密切 的 关系。通过被测物体红外辐射能量的测量,能准确地确 定物体 的表面温度,这就是红外测温的基本原理。红 外 点温 仪是 以被测 目标 的红 外辐 射能量 与 温度 早 一 圜广 一 圈 一 匦 囹 一 一 网 一 医圈 一 豳一圆一 一 维普资讯 http:/ 1 4 王丽虹等:现代红外测温仪及其在电气防火安全检测 中的应用 2 0 0 4年第 2期 显示 的值不完全是被测物体 的真实温度,测时误差较
5、大,这 也 是说“仪器距 离 系数 不足”。用 红外点 温 仪测温 时,应 注 意允许 的测 量距 离(或调焦 范 围)。测量 远距 离 小 目标 的温 度,应 选 用距 离 系数较 大 的红 外 测 温 仪,如 选 用 4 0 0:1的 红 外 点 温 仪,可 测 1 0 IT I 远的 目标。只有在测近距离、较大 目标物体的温 度 时,选 用距 离系 数小 的红 外点 温仪。电气 防火 检测 一 般 是 在室 内,测 试 低 压供 电系统 的温度,选用 1 0 0;1和 6 O:1两种距 离系 数 的红外 点 温仪,即可 满足测 试 的要求。1 2 2 工作 波长 与测 温范 围 红 外
6、辐 射 是 波 长 在 0 7 6 1 0 0 0 m 之 间 的 一 种 电磁波,按 波长范 围分 为近 红外、中红外、远红 外、极 远 红外。红 外 辐射 波长在 电磁 波连 续频 谱 中的位 置,处 于 无线 电波 与可 见光之 间 的区域。峰值 波长 与温 度关 系,见表 1。表 1 峰 值 波 长 与 温 度 关 系 类别 波长范围(m)温度(C)近 红 外 o 7 6 3 3 5 4 0 6 9 3 中红 外 3 6 6 9 3 2 1 o 远 红 外 6 1 5 21 o 8 O 极 远红 外 1 5 1 o o o 8 o 2 7 o 从上表可 以看出,物体表 面红外线辐射 的
7、波长与 物 体表 面分布 的温 度成 反 比的关 系,温 度越 高,波 长越 短;温度 越低,波长 越长。根 据红外 辐射 这一 特性,选择 红 外点温 仪 的工作 波段。正 确选择 工 作波段 区域 是至 关 重要 的,被测 量 物体 必 须 在工 作 波 段 区域 内有较 高 的辐射率,较低 的透射率和反射率。电气 防火检 测 测温 范 围一 般在 0 C9 0 0 C,且在 室 内操作,建 议选 用工作 波 长 8 1 4 m 或 8 1 2 m。可不 选择 过宽 的测 温范 围,它不仅 价格 高,而 且还 会增 加 测温 的误差。1 2 3 发射 率(辐 射率)与测 温精 度 因 为不
8、 同材料(甚 至 同样材料 不 同状态)的辐 射率 是 不 同的。例 如,轻 度氧 化铝 的辐射 率 的近似 值 为 0 1 0 2;而强 氧化铝 的辐 射率 是 0 3 0 4。测 温 时应根 据 被测 目标材 料调 整发 射率,以减 少测 试误 差。红 外点 温仪 的精 度通 常是 以测 温范 围上 限值 的百分 数来 表示 的。例 如 1 的精度,当测 温 范 围上 限 为 6 0 0 C时。该 测温 范 围 内可 能存 在 的误 差 是 6 C。但 这个 误差 不完 全 代表 现场 应 用 时可 能 出现 的误 差,其 中发 射 率 的调 整 就是一 个重 要 的影响 因素。当然 造成
9、 测 温误 差 还 有其 他 原 因,如 正确 的测试 距 离、角 度;在无 尘、无 烟、无 水 蒸 气 的 环境 中 进 行 检 测,可将误 差 降为最 小。1 2 4 响应 时间 响应 时 间 是指 被 测 目标 进 入 并充 满 视场 后,到温 度显 示值 稳定 的时 间。这一技 术 指标各 厂 家有可 能规 定不 一样,有 的达 到稳定值的 9 9 的时间,也有 的规 定 为 9 5 、9 O 或 者甚 至是 6 3 2 的时间。测温 度 响 应 时 间不 可过 慢,但 也不 可过 快。响应 时 间过慢,测温 时 间过 长;但 太快 了,现 场操 作人 员反 而不 能读 出温度 值。一
10、般 在 6 0 0 ms 左 右 即可。1 2 5 红外 点温 仪瞄 准方式 红 外点温 仪 的瞄准 方式 有光 学 聚焦 瞄准定 位和 激 光 器 瞄准定位 两种。(1)光学 聚焦 瞄准 光 学 聚 焦 瞄 准 是 基 于 望 远 镜 的 原理 寻 找 被 测 目 标。测 温时,将仪 器 目镜 中心线“+”与被测 目标 的中心 重合,以测量 目标物体的局部温度。(2)激光 定位 瞄准 激光定位瞄准是以半导体发射的激光红点代表仪 器光学 目标中心。测温时将激光红点发射在被测物体 目标上,代替人工瞄准。这里应提醒一点,不能单以激 光 红 点 所能 发射 到 的距 离 来 测 温,测 温 距 离
11、应 由仪 器 本身 的距离 系数 来决 定。2 红 外热成像 2 1 红 外热 电视 2 1 1 原 理 红 外热 电视 是利 用热 电效应(又称热 释 电效应)原 理制成的热成像扫描装置。将被测 目标物体表面的红 外辐 射转 变成 视频信 号。图 2是 其原理 图:晤 泵 厂 -大 一 L匣 垫登皇堡堡笪I I 塑堂l _ 匝画圆 图 2红 外 热 电 视 原 理 图 红 外热 电视 的信 号电流大小 与 目标温度变化律 d T d t 成正 比。也就 是说 没有 变化 就不 能建 立热 像,或 者说 对准 目标 不动 时,热 像很 快 消失,所 以红 外热 电视 要进 行调 制才 能达 到
12、建立 图像。调 制方 法有 以下三 种:(1)平移 调 制 平 移调 制 的工 作 方式 是 将 被 测 目标 与仪 器之 间作相 对运 动。因此,平 移调 制热 电视 工 维普资讯 http:/ 2 0 0 4年 第 2期 消 防 技 术 与 产 品 信 息 1 5 作时,要不停地摇动仪器才能建立 图像和保持图像。由 不停 的摇动,影响测温度准确度、定位,同时图像有 拖尾,造成图像失真,清晰度不高;(2)斩波 调制 斩 波 调 制 是 采 用周 期 性 斩 断 入 射 的被测 目标 红外 辐 射 的方 法,在 仪 器 内增 加 由 电动 机驱动 的调 制盘。其 图像稳 定、清 晰、无拖 尾、
13、无失 真、测温 准确、定位方 便,无论 是技 术性 能还 是实用 性 都 比 较先进。其 不 足是机 械调 制及 同步 跟踪 的技术 比较 复 杂,易 出故 障,价 格 高;(3)瞬 变调 制 瞬 变调 制 的工 作 方式 是将 电子 快 门用 于照 相 的方 式,利 用 瞬 间拍 摄 的一 幅 被 测 目标 的热像。其特点是将 图像定格,即可测量 图像上任一点 的温 度。图像稳 定,无拖 尾,测 温 准确度 高。其缺 点是 不能 连续 地跟 踪,不 能连 续地 拍摄 图像。2 1 2 红 外热 电视 的主要性 能(电气 防火检 测所 选用 的指 标)(1)工作 波段 指 红外 热 电视波 长
14、 响应 范 围,例 8 1 2 m(或 8 1 4 m);(2)最 小可 变 温 差 指 红 外 电视 对 温 度 的辨 别 能 力,例 0 5 C(或 1 C);(3)聚焦 范 围(或 观 察 距 离)是 对 红 外 物镜 的 要求。例 0 5 m 1 0 0 m;(4)空 间分 辨 率 一空 间 分 辨率 主要 取 决 于调 制 传 递 函数。热 电视 系统 的调制 传递 函数 是物 镜(透镜)、摄像管、视频电路和显像管等各项调制 函数的乘积。所 以整机 的空 间分 辨率 是 个综 合 参 数,一般 要 大 于 或等 于 2 0 0电视线 才能 满 足测温要 求。2 2红 外热像 仪 红
15、外热像 仪一 般分 为光 机扫 描成 像系统 和非 扫描 成像 系统 两种。光机扫描成像系统 是采用单元或多元光电导 或 光伏红 外探 测器。用单 元探 测器 时速 度慢(主要 是帧 幅 响应 的时 间不够 快),多元 阵列探 测器 可 以做 成 高速 实 时热成 像。非扫描成像的热像仪焦平面热成像。这是新 一代热成像装置。焦平面热成像的探测器是 由单片集 成 电路 组 成,被 测 目标 的整个视 野,被 聚焦在 成万 个性 能可靠 的全 电子 化 的焦平 面集 成 电路上。从 而克 服 了 机械 扫描 的复杂 性 和不可 靠性,并且 图像 更加 清 晰,使 用更加 方便,仪器 非 常小巧 轻
16、便(因为不需 要制 冷)。同 时,它还 是具 有 自动调 焦、图像 冻 结、连续 放 大、点 温、线 温、等温 和语音 注 释图像 功能 等功 能。其 仪器 可 以用 p c 卡 存储容量很大。2 2 1 红 外热 像仪 工作 原理,见 图 3。一 光学成像l I 扫描系统l l 显示记 录l一 图 3光 机 扫 描 成 像 系 统原 理 图 光 学 成 像扫 描 系 统 工作 原 理是 从 左 到右,从 上 到下 对 目标依 次扫描 探测,将 目标 分成一 个个 像元,并 将 分解 的被测 物 体 的热 像性 质、程 度 和位 置 的像 元 一次摄 入,在 小于 0 2 s的时 间 内转换
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- 现代 红外 测温 及其 电气 防火 安全 检测 中的 应用
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