CN106441586A - 基于温湿度自动补偿的红外带电检测装置及其补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于温湿度自动补偿的红外带电检测装置及其补偿方法，该装置包括环境温湿度传感器、红外热像检测模块、自动补偿模块、图像显示模块。其中，环境温湿度传感器用于检测环境温度和相对湿度，红外热像检测模块用于对视场范围内目标表面实施红外温度检测，自动补偿模块用于根据环境温湿度对红外热像检测模块的检测结果自动进行补偿，图像显示模块将视场范围内目标表面补偿后的温度值以不同的颜色显示出来。本发明解决了电网设备红外带电检测面临的雨雾天气相对湿度较大导致检测结果误差较大的问题，在相对湿度较大的情况下温度测量精度依然很高，能够很好的满足现场红外带电检测的精度要求。

Description

基于温湿度自动补偿的红外带电检测装置及其补偿方法

技术领域

本发明涉及一种基于温湿度自动补偿的红外带电检测装置及其补偿方法，属于电力设备带电检测技术领域，是一种在现场环境下准确测量电力设备外表面温度分布的巡检设备和红外测温补偿方法。

背景技术

国内电力设备开展了以红外热像带电检测为重要技术手段的状态检修工作，取得了很好的效果，有效发现设备缺陷导致的过热并及时消缺，避免电力设备恶性故障的发生。但目前电力设备红外热像检测装置普遍存在一个问题，由于红外辐射在大气中传输会受到水蒸气、二氧化碳、臭氧等气体的吸收，导致辐射能量有一定的衰减，从而影响红外测温的精度，因此大部分红外热像仪要求巡检人员在无雨无雾相对湿度较低的天气条件下进行带电检测。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于温湿度自动补偿的红外带电检测装置及其补偿方法,其解决了电网设备红外带电检测面临的雨雾天气相对湿度较大导致检测结果误差较大的问题，在相对湿度较大的情况下温度测量精度依然很高，能够很好的满足现场红外带电检测的精度要求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于温湿度自动补偿的红外带电检测装置，包括环境温湿度传感器、红外热像检测模块、自动补偿模块、图像显示模块。

其中，环境温湿度传感器与自动补偿模块连接，用于红外检测时检测环境温度和相对湿度；红外热像检测模块与自动补偿模块连接，用于对视场范围内目标表面进行红外辐射光谱检测，将不同辐射功率的光谱信号转换成不同电压值信号，再将不同电压值根据标定公式转换成不同温度值；自动补偿模块与图像显示模块连接，用于根据环境温湿度对红外热像检测模块的检测结果进行补偿，包括根据环境温湿度和检测距离计算红外光谱的大气传输率，再根据大气传输率和目标辐射率以及红外热像检测模块测量值计算目标实际的温度值；图像显示模块将视场范围内目标表面补偿后的温度值以不同的颜色显示出来。

本发明还提供一种应用于上述基于温湿度自动补偿的红外带电检测装置的补偿方法，其包括如下步骤：

步骤一：设置所述带电检测装置与被检目标的检测距离D和被检目标的辐射率ε；

步骤二：所述环境温湿度传感器检测出环境温度T_a和相对湿度H；

步骤三：所述红外热像检测模块输出的目标温度的测量值T_c；

步骤四：所述自动补偿模块根据检测距离D、环境温度T_a和相对湿度H计算大气传输率τ_a，计算公式如下式(1)：

其中k为常系数，根据环境温度T_a通过查表获得。

步骤五：所述自动补偿模块将计算的大气传输率τ_a、被检目标的辐射率ε和所述红外热像检测模块输出的测量值T_c代入目标表面实际温度的补偿公式如下式(2)：

计算目标表面的实际温度值T_obj。

所述步骤一中设置被检目标的辐射率ε的具体步骤按照装置的用户使用手册操作即可。

所述步骤四的计算公式推导如下：

目标物体的红外辐射在传输到红外检测系统的过程中，与大气成分相互作用，辐射功率会受到衰减，衰减大部分是由H2O、CO2、O3三种气体分子造成的。而在三种气体分子对8～14μm波段内的红外辐射吸收中，水蒸气H2O又占主导地位。CO2可以认为是混合均匀的气体，其对红外辐射的吸收仅与辐射路径中CO2的含量有关，考虑到电力设备红外检测通常的检测距离不超过10米，因此CO2的衰减作用也可以忽略不计。而对于O3，因其在对流层内的含量很少，故在实际计算时通常忽略不计。

大气传输率τ_a表征大气对红外辐射的衰减能力，用消光系数μ_a来表示，传输率与消光系数μ_a的关系为如下式(3)：

其中，为水蒸气的消光系数。

红外辐射的在水蒸气中的传输率由大气中水蒸气含量决定，通过水蒸气含量相等的路程时，其传输率相等。水蒸气含量用可凝水量来计量，即将测量路程上的水蒸气压缩成相同截面水层的厚度，单位为mm/km，可通过大气温度和相对湿度计算获得，温度T、相对湿度H、测量路程D的条件下，水蒸气含量ω为如下式：

ω＝k*H*D

其中，k为温度T时饱和空气中的水蒸气质量，可通过查表获得。

已知T1为5℃、H1为100％时，k1约为6.7mm/km，水蒸气对8～14μm波段红外辐射的平均消光系数约为0.1134/km。那么任意温度Ta、相对湿度H时，为如下式(4)：

其中，k为温度Ta时饱和空气中的水蒸气质量。

将式(2)代入式(1)，则大气传输率τ_a的计算公式为如下式(5)：

其中k为常系数，根据环境温度T_a通过查表获得。

所述步骤5的补偿公式推导如下：

红外热像检测模块对目标进行测温时，检测到的不仅仅是目标本身的辐射，还会检测到来自周围的、通过目标表面反射的辐射，这两种辐射经过大气传输路径会有一定的衰减，另外大气本身构成第三种辐射源。设大气传输率为τ_a，那么红外热像检测模块检测到来自物体本身的辐功率为τ_aW_obj；检测到来自周围的、通过目标表面反射的辐射功率为τ_aW_around；另外还检测到来自大气的辐射功率为W_a，即红外热像检测模块检测到的总辐射功率为如下式(6)：

W_c＝τ_aW_obj+τ_aW_around+W_a (6)

根据斯蒂芬-波尔兹曼公式，灰体的辐射功率W＝ε₀σT⁴，其中σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，ε₀为灰体的辐射率，得到如下式(7)：

T_c ⁴＝τ_aεT_obj ⁴+τ_a(1-ε)T_around ⁴+(1-τ_a)T_a ⁴ (7)

其中，T_c为红外热像检测模块的测量温度，T_obj为目标实际温度，ε为目标的辐射率，T_around为周围环境温度，1-ε为目标的反射率，T_a为大气温度，1-τ_a为大气的辐射率。

考虑到周围环境温度与大气温度通常相等，得到目标温度的补偿公式(8)：

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明集成了环境温湿度传感器，并根据环境温湿度进行目标温度的自动补偿，解决了电网设备红外带电检测面临的雨雾天气相对湿度较大导致检测结果误差较大的问题，在相对湿度较大的情况下温度测量精度依然很高，能够很好的满足现场红外带电检测的精度要求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的基于温湿度自动补偿的红外带电检测装置的结构示意图。

图2为本发明的基于温湿度自动补偿的红外带电检测装置的补偿方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明所提供的一种基于温湿度自动补偿的红外带电检测装置，包括环境温湿度传感器、红外热像检测模块、自动补偿模块、图像显示模块。其中，环境温湿度传感器与自动补偿模块连接，用于红外检测时检测环境温度和相对湿度；红外热像检测模块与自动补偿模块连接，用于对视场范围内目标表面进行红外辐射光谱检测，将不同辐射功率的光谱信号转换成不同电压值信号，再将不同电压值根据标定公式转换成不同温度值；自动补偿模块与图像显示模块连接，用于根据环境温湿度对红外热像检测模块的检测结果进行补偿，包括根据环境温湿度和检测距离计算红外光谱的大气传输率，再根据大气传输率和目标辐射率以及红外热像检测模块测量值计算目标实际的温度值；图像显示模块将视场范围内目标表面补偿后的温度值以不同的颜色显示出来。

图2所示，本发明还提供一种应用于上述基于温湿度自动补偿的红外带电检测装置的补偿方法，其包括如下步骤：

步骤一：设置所述带电检测装置与被检目标的检测距离D和被检目标的辐射率ε；

步骤二：所述环境温湿度传感器检测出环境温度T_a和相对湿度H；

步骤三：所述红外热像检测模块输出的目标温度的测量值T_c；

步骤四：所述自动补偿模块根据检测距离D、环境温度T_a和相对湿度H计算大气传输率τ_a，计算公式如下：

其中k为常系数，根据环境温度T_a通过查表获得。

步骤五：所述自动补偿模块将计算的大气传输率τ_a、被检目标的辐射率ε和所述红外热像检测模块输出的测量值T_c代入目标表面实际温度的补偿公式

计算目标表面的实际温度值T_obj。

所述步骤一中设置被检目标的辐射率ε的具体步骤按照装置的用户使用手册操作即可。

以上对本发明的具体实施进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定的实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种基于温湿度自动补偿的红外带电检测装置，其特征在于，包括环境温湿度传感器、红外热像检测模块、自动补偿模块、图像显示模块；

其中，环境温湿度传感器与自动补偿模块连接，用于红外检测时检测环境温度和相对湿度；

红外热像检测模块与自动补偿模块连接，用于对视场范围内目标表面进行红外辐射光谱检测，将不同辐射功率的光谱信号转换成不同电压值信号，再将不同电压值根据标定公式转换成不同温度值；

自动补偿模块与图像显示模块连接，用于根据环境温湿度对红外热像检测模块的检测结果进行补偿，包括根据环境温湿度和检测距离计算红外光谱的大气传输率，再根据大气传输率和目标辐射率以及红外热像检测模块测量值计算目标实际的温度值；

图像显示模块将视场范围内目标表面补偿后的温度值以不同的颜色显示出来。

2.一种基于温湿度自动补偿的红外带电检测装置的补偿方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤一：设置所述带电检测装置与被检目标的检测距离D和被检目标的辐射率ε；

步骤二：所述环境温湿度传感器检测出环境温度T_a和相对湿度H；

步骤三：所述红外热像检测模块输出的目标温度的测量值T_c；

步骤四：所述自动补偿模块根据检测距离D、环境温度T_a和相对湿度H计算大气传输率τ_a，计算公式如下：

${\mathrm{\τ}}_a=\exp (-\frac{k*H}{59}*D)$

其中k为常系数，根据环境温度T_a通过查表获得；

步骤五：所述自动补偿模块将计算的大气传输率τ_a、被检目标的辐射率ε和所述红外热像检测模块输出的测量值T_c代入目标表面实际温度的补偿公式

$T_{obj}={\[\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_a\mathrm{\ϵ}}{T_c}^4+(1-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_a\mathrm{\ϵ}}){T_a}^4\]}^{1/4}$

计算目标表面的实际温度值T_obj。

3.根据权利要求2所述的基于温湿度自动补偿的红外带电检测装置的补偿方法，其特征在于，所述步骤一中设置被检目标的辐射率ε的具体步骤按照装置的用户使用手册操作即可。