CN105157849A - 一种红外热成像仪带电检测测量结果不确定度分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外热成像仪带电检测测量结果不确定度分析方法，本发明充分考虑了红外热像仪在电力系统带电检测工作的实际情况，将大气成分对红外热像仪测量结果的影响进行了量化分析，并将其作为一个B类不确定度分量，纳入到红外热像仪测量结果不确定度的分析当中，使现有红外热像仪测量结果不确定度分析方法进一步完善，由此方法而得出的红外热像仪测量结果不确定度将更加贴近实际情况，从而确保得到的红外热像仪测量结果不确定度更加准确可靠，提高红外热像仪量值传递工作的工作水平。

Description

一种红外热成像仪带电检测测量结果不确定度分析方法

技术领域

本发明属于电能计量技术领域，尤其是一种红外热成像仪带电检测测量结果不确定度分析方法。

背景技术

电力系统中，在不同的运行条件和状态下运行的设备都具有不同程度的发热，这种发热现象我们称之为设备的热状态，而热状态可分为正常和异常两种。设备的正常状态是运行设备的固有特性，不存在对设备安全运行的威胁，而运行设备热状态的异常测试因设备本身存在着缺陷或故障所引起，因此，运行设备的热状态是反映设备健康状况的一个很重要的指标。利用红外热像仪对运行设备的热状态进行观察和分析，便可以判断设备是否存在故障缺陷，以及查找出故障缺陷的部位。

目前，为了对红外热像仪测量结果的准确程度进行评定，红外热像仪的使用方应当在对红外热像仪计量准确度进行校准之后，根据其使用情况，分析其测量结果的不确定度，以确定其测量结果在多大的范围内具有一定程度的可靠性，该可靠性在计量专业领域被称作置信概率。目前的红外热像仪测量不确定度分析方法主要包含以下内容：

1、测量重复性引入的标准不确定度u₁

2、示值分辨力引入的标准不确定度u₂

3、红外热像仪自身计量误差引入的标准不确定度u₃

4、环境温度引入的标准不确定度u₄

其合成标准不确定度为

$u_c=\sqrt{u_1^2+u_2^2+u_3^2+u_4^2}$

扩展不确定度为

U_c＝ku_c(k＝2)。

但是，目前常用的红外热像仪测量结果不确定度分析方法中，没有考虑大气环境对红外热像仪测量结果不确定度的影响。但是，大气环境对红外热像仪测量结果不具有显著地影响，所以在测量结果不确定度分析的时候必须考虑大气环境对其测量结果的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处提出了一种红外热成像仪带电检测测量结果不确定度分析方法，本方法使现有红外热像仪测量结果不确定度分析方法进一步完善，确保得到的红外热像仪测量结果不确定度更加准确可靠。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种红外热成像仪带电检测测量结果不确定度分析方法，采用红外热像仪对测温设备进行的温度数值检测，其特征在于：在分析红外热像仪测量结果不确定度时，其合成标准不确定度为：

$u_c=\sqrt{u_1^2+u_2^2+u_3^2+u_4^2+u_5^2}$

扩展不确定度为

U_c＝ku_c(k＝2)

式中，u₁为测量重复性引入的标准不确定度；

u₂为示值分辨力引入的标准不确定度；

u₃为红外热像仪自身计量误差引入的标准不确定度；

u₄为环境温度引入的标准不确定度；

u₅为大气成分引入的标准不确定度。

而且，0＜红外热像仪所测得的数值与理论真值之间的差异≤13％。

而且，红外热像仪和测温设备之间的距离为200m的情况下，辐射衰减的程度τ(λ)为0.98，红外热像仪测量结果偏低2％，

而且，在对红外热像仪进行校准时，采用标准黑体源作为标准温度源，红外热像仪的测量距离为2m，在这种情况下大气成分对红外热像仪测量结果的影响忽略不计。

本发明的优点和积极效果是：

本发明充分考虑了红外热像仪在电力系统带电检测工作的实际情况，将大气成分对红外热像仪测量结果的影响进行了量化分析，并将其作为一个B类不确定度分量，纳入到红外热像仪测量结果不确定度的分析当中，使现有红外热像仪测量结果不确定度分析方法进一步完善，由此方法而得出的红外热像仪测量结果不确定度将更加贴近实际情况，从而确保得到的红外热像仪测量结果不确定度更加准确可靠，提高红外热像仪量值传递工作的工作水平。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

从目前常用的红外热像仪测量结果不确定度分析方法中，没有考虑大气环境对红外热像仪测量结果不确定度的影响。但是，大气环境对红外热像仪测量结果不具有显著地影响，所以在测量结果不确定度分析的时候必须考虑大气环境对其测量结果的影响。

我们针对各种大气成分对测量结果的影响程度，开展了一系列试验，以确定这种影响对测量结果会产生多大的影响，以便于我们在进行测量结果不确定度分析时，可以准确地将这一影响量对测量结果的影响程度进行量化。

(一)大气组成成分分析

大气由多种不同气体混合组成，主要成份有氮、氧、水蒸汽、二氧化碳、甲烷、一氧化碳、臭氧组成。大气的主要成分是氮和氧，虽然它们含量最多，但它们在可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。在可见光和近红外区,一般不考虑其吸收作用。水蒸汽占总量的1％左右，二氧化碳只占0.04％左右。除了这些气体成份之外，大气中还含有大量固态和液态悬浮粒子。这些粒子构成了气溶胶分散系统,称之为“大气气溶胶”粒子。气溶胶粒子随气候变化比较大,常见的气溶胶大粒子有云滴、雾滴、雨滴、冰晶和雪花等。

(二)大气各种成分的光学特性

1)水。在大气组分中,水是唯一能以固、液、气三种状态同时存在的成分。水在固态时,表现为雪花和微细的冰晶体形式，液态时表现为云、雾和雨，而气态时就是水蒸气。水的固态和液态对红外辐射主要有散射作用，而气态的水蒸气，它的分子对红外辐射有强烈的选择性吸收作用。

2)二氧化碳。二氧化碳是大气中的固定组分，一直到50km左右的高度，二氧化碳的浓度仍保持不变。二氧化碳含量随高度的减少要比水蒸气慢得多。随高度的增加，二氧化碳对红外辐射的衰减起主要作用，在一林区，二氧化碳吸收造成的辐射衰减约为长。水和二氧化碳分子，特别是分子在近红外区有宽广的振动一转动及纯振动结构，是可见光和近红外区最重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素，它们的一些主要吸收谱线的中心波长如表一所示。

3)臭氧。臭氧也是大气中的主要吸收气体。大气吸收太阳光中的紫外辐射,既能成为臭氧的形成条件,又能成为臭氧的破坏条件。氧气对于波长小于0.20μm的紫外辐射具有强烈的吸收能力,同时还能吸收0.24μm附近的辐射。

大气中除了水蒸气、二氧化碳和臭氧是吸收气体外，还有其他的吸收气体，如甲烷、一氧化碳、一氧化氮、氨气、硫化氢和氧化硫等，但他们的含量极其微少，通常可以不考虑它们对红外辐射的影响，只有在很长距离传输时，它们的影响才显示出来。

(三)大气透射率的计算分析

通过上述对大气成分和光学性质的分析，红外辐射在大气中传输时，主要有以下几种因素使之衰减：

1、在0.2μm-0.32μm的紫外光谱范围内，光吸收与臭氧的分解作用有联系。臭氧的生成和分解的平衡程度，在光衰减中起着决定性的作用。

2、在紫外和可见光谱区域中，由氧分子和氮分子汉所引起的瑞利散射是必须要考虑的。解决这一问题应注意散射物质的分布，散射系数对波长的依赖关系。

3、粒子散射或米氏散射。这种散射大都出现在云和雾之中，当然在大气中某些特殊物质的分布也会引起米氏散射。这种现象对于观察低空背景是特别重要的。因为这些特殊物质的微粒一般都是处在低空中的，到达一定高度时这种散射现象就不那么强烈了。

4、大气中某些元素原子的共振吸收，这主要发生在紫外及可见光谱区域内。

5、分子的带吸收是红外辐射衰减的重要原因。大气中的某些分子具有与红外光谱区域相应的振动一转动共振频率，同时还有纯转动光谱带,因而能对红外辐射产生吸收。这些分子是水蒸气、二氧化碳、臭氧、一氧化碳、甲烷以及一氧化二氮等，其中，水蒸汽、二氧化碳和臭氧能弓起最大的吸收量，这是因为它们均具有强烈的吸收带，而且它们在大气中都具有相当高的浓度。对于一氧化碳、一氧化二氮和甲烷这一类的分子，只有辐射通过的路程相当长或通过很大浓度的空气时，才能表现出明显的吸收。

由于大气的吸收,红外辐射在前进路程上的功率按指数式衰减，若x＝0处的辐射功率为I₀，在路程处的辐射功率为I，则I＝I₀e^-αx，α称为吸收系数，与波长有关；。同样，由于大气的散射，红外辐射功率的衰减也可写成I＝I₀e^-βx，β称为散射系数，与波长有关；因此，对于一定的波长，红外辐射的大气衰减规律为I＝I₀e^-(α+β)x。

大气对红外系统的影响表现为辐射衰减，辐射衰减的程度由透射率决定，大气光谱透射率。用下式确定τ(λ)＝τ₁(λ)×τ₂(λ)×τ₃(λ)，τ₁(λ)、τ₂(λ)、τ₃(λ)分别为被吸收、散射和因气象制约而衰减的大气光谱透射率。

(1)对于作用距离在20km以内的红外系统，只需考虑水汽和二氧化碳的吸收作用，即τ₁(λ)＝τ_H2O(λ)×τ_CO2(λ)，在可以进行室外实验的气候条件下τ₁(λ)不小于0.88。

(2)大气散射造成的大气透射率为：式中,D_v(km)为气象能见度，λ₀通0.61μm，λ(μm)为红外辐射的波长，q的取值与能见度有关，能见度特别好(D_v＞50km)时,q＝1.6；对于中等能见度(D_v＝10km),q＝1.3，能见度很差(D_v＜6km)时,q＝0.585D_v ^1/3，在通常的大气条件下，q取1.3，R为辐射传输的距离。当辐射传输距离不超过1km的情况下，τ₂(λ)不小于0.99。

(3)电力检修工作，通常对气象条件有一定的要求，因此，因气象制约而衰减的大气光谱透射率，通常不用考虑。

因此我们可以得出，τ(λ)＝τ₁(λ)×τ₂(λ)×τ₃(λ)＝0.88×0.99＝0.871

(四)大气成分对红外热像仪测量结果的影响

根据以上的分析，我们可以得到这样一个结论，即红外热像仪的测量结果，受到大气透射率的影响，在电力检修的过程当中，使用中的红外热像仪所测得的结果，由于受到大气成分的影响，将会比理论真值小，最大的差异约为13％。

当然，13％只是理论上最大的差异，实际中，由于红外热像仪和测温设备之间的距离通常远小于1km，所以，在距离为200m的情况下，经过理论计算，τ(λ)约为0.98，即红外热像仪测量结果约偏低2％。由此我们可以得出以下结论：在分析红外热像仪测量结果不确定度时还应将大气成分对红外热像仪测量结果影响引入的标准不确定度u5作为B类不确定进行分析。

一种红外热成像仪带电检测测量结果不确定度分析方法，在对红外热像仪进行校准时，采用标准黑体源作为标准温度源，红外热像仪的测量距离约为2m，远小于前文设定的200m，在这种情况下大气成分对红外热像仪测量结果的影响基本可以忽略不计，这是由于红外热像仪在校准时的测量环境和实际使用时测量环境不同而引起的。

因此，根据红外热像仪校准结果进行其测量结果不确定度计算时，必须考虑大气成分对红外热像仪测量结果影响。在分析红外热像仪测量结果不确定度时要对以下因素进行分析：

1、测量重复性引入的标准不确定度u₁

2、示值分辨力引入的标准不确定度u₂

3、红外热像仪自身计量误差引入的标准不确定度u₃

4、环境温度引入的标准不确定度u₄

5、大气成分引入的标准不确定度u₅

其合成标准不确定度为

$u_c=\sqrt{u_1^2+u_2^2+u_3^2+u_4^2+u_5^2}$

扩展不确定度为

U_c＝ku_c(k＝2)

根据前文计算，大气成分对红外热像仪测量结果影响为(-0.02,0)区间内的近似均匀分布，故

尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。

Claims (4)

1.一种红外热成像仪带电检测测量结果不确定度分析方法，采用红外热像仪对测温设备进行的温度数值检测，其特征在于：在分析红外热像仪测量结果不确定度时，其合成标准不确定度为：

$u_c=\sqrt{u_1^2+u_2^2+u_2^2+u_4^2+u_5^2}$

扩展不确定度为

U_c＝ku_c(k＝2)

式中，u₁为测量重复性引入的标准不确定度；

u₂为示值分辨力引入的标准不确定度；

u₃为红外热像仪自身计量误差引入的标准不确定度；

u₄为环境温度引入的标准不确定度；

u₅为大气成分引入的标准不确定度。

2.根据权利要求1所述的红外热成像仪带电检测测量结果不确定度分析方法，其特征在于：0＜红外热像仪所测得的数值与理论真值之间的差异≤13％。

3.根据权利要求1所述的红外热成像仪带电检测测量结果不确定度分析方法，其特征在于：红外热像仪和测温设备之间的距离为200m的情况下，辐射衰减的程度τ(λ)为0.98，红外热像仪测量结果偏低2％，

4.根据权利要求1所述的红外热成像仪带电检测测量结果不确定度分析方法，其特征在于：在对红外热像仪进行校准时，采用标准黑体源作为标准温度源，红外热像仪的测量距离为2m，在这种情况下大气成分对红外热像仪测量结果的影响忽略不计。