红外热像仪知识

电力系统专用调色板模式为：铁红
灰度 轮廓线最清晰 热点较难判断
铁红 轮廓线较清晰 热点较易判断
红蓝彩色（彩虹） 轮廓线较模糊 热点最易判断
维护保养 – 使用环境
• 镜头元件由锗制成，容易打碎、擦伤和破裂，液晶显示 屏（LCD）也易于受到过大压力的影响。
• 为了保护您的热像仪，不使用热像仪时，请重新盖上镜 头盖并将热像仪小心存放。
我们将检测的目标分为非金属和金属材料两大部分： 大多数非金属材料（如塑料、油漆、皮革、纸张等）发射率 为0.95左右，相同材质、不同颜色的目标其发射率非常接近， 自然界中皮肤的发射率最高，为0.98。
100° E=1
黑体炉(校验设备)
100° E = 0.95
非金属
100° E = 0.6
金属
发射率：影响发射率的因素
焦平面、非制冷 探测器
（1997年)
那些年，我们曾经用过的热像仪
制冷型热像仪巨 大的体积和重量 使当时的红外热 像检测成为绝对 的“体力活”。
红外热像仪使用的注意事项
红外热像仪关键参数–像素
和数码照相机一样，热像仪也有像素，只是像素以乘法显 示，如160×120、320×240等； 像素越多，红外热像图越清晰。
电流致热及电压致热设备
• 电流致热设备： 电气设备与金属部件的连接，金属件与金属 件的连接，如接头、线夹等。
• 电压致热设备： 电流/电压互感器、藕荷电容器、移相电容器 、高压套管、充油套管、氧化锌避雷器等。
红外热像操作人员应具备的技能
红外热像仪操作人员应具备： • 具有红外热像技术的基本知识，了解红外热像 仪基本结构，掌握其基本工作原理、主要性能 和操作维护方法。 • 了解电力系统电气设备的结构和工作原理。 • 注意收集整理变电站常见电力设备的正常和异 常热像图及温度分布，进行归纳分析，寻找热 缺陷的成因与异常热图之间的关系，对各种设 备根据其结构特点逐一进行分析对比，提出切 实可行的检测依据。 • 建立红外热像技术的诊断方法和判断依据。
• 两个物体温度相同，但所含热量可能会不同。 （加热一杯水和加热一桶水所需的热量一样吗？）
热量的传递方式
两个物体有温度差时，或一个物体的温度改变， 热量将会从温度较高的区域转移到温度较低的区 域，直到达到热平衡状态。 • 传导 主要在固体中进行，有时也在流体中进行。较热 的分子将能量直接传递给较冷的分子。 • 对流 在流体中进行。 • 辐射 通过电磁波在物体间传递能量，不需要传递介质 的存在，在真空中同样会有辐射。 请分别针对传导、对流、辐射举例。
维护保养 – 热像仪清洁
• 为了避免损坏热像仪，请首先使用压缩空气清除大的颗粒 和灰尘，然后用一块布擦拭。
• 轻轻使用略微沾湿标明用于清洁镜头的非腐蚀性 溶液或是温和的稀释肥皂溶液的软棉布擦拭镜头。(绝对不 要干擦）
• 使用干净的电脑监视器清洁布轻轻擦拭显示屏。 要清洁热像仪机身：
• 使用干净略湿的布轻轻擦拭热像仪机身。如有需 要，可用水加少量温和肥皂配成的溶液将布浸湿。
金属材料的发射率会受到下列因素的影响： • 材料 不同材料发射率不同，如铜的发射率一般比铝高。 • 表面光洁度 通常表面粗糙的材料发射率比光洁表面高。 • 表面颜色 以黑色为代表的深色系表面发射率比浅色系高。 • 表面形状 表面有凹陷、夹角或不平整规则的部位比平整的部位发射
率高。
发射率设置问题（一般检测）
离以及烟尘、水汽等其他介质的影响，测温误差相对较 大。
红外原理及红外热像的发展
红外辐射的发现
1800年英国的天文学家 William Herschel 用分光 棱镜将太阳光分解成从红 色到紫色的单色光，依次 测量不同颜色光的热效应 。他发现当水银温度计移 到红色光边界以外温度反 而比红光区更高。
硅（Si） 锗（Ge） 氟化钙（CaF） 硫化锌（ZnS） 硒化锌（ZnXe）
红外窗口
玻璃
铝板
红外窗口
使用红外窗口进行热像检测
红外窗口材料
还有一种材料是我们日常生活中经常用到的：保 鲜塑料袋，可以为热像仪起到保护作用。
• 现场有较多粉尘和水气时作为镜头保护用。 • 在测量时必须先确认其透过率。
空间分辨率不足以辨识出目标怎么办？
标准镜头拍摄
长焦镜头拍摄
红外窗口
• 绝大多数情况下，我们看到的只是表面；但是 ，我们想要了解的热量却通常源自于内部。 • 我们如何透过密闭的外壳看到内部呢？
红外窗口材料
• 对于8-14μm的红外波段来说，通常可见光可 穿透的玻璃、有机玻璃等材料都变得难以透过 ，我们需要特殊的材料作为红外测温的窗口。
红外线长波
0.28 0.40 0.70 2.00
6.00
8.00
15.00
微波
104
波长单位为微米 (µm)
雪地和脚印
不同波长的画面
长
波长
短
毫米波
红外长波
红外中波
毫米波 红外长波
红外短波
红外中波 红外短波
可见光
近紫外光
X 射线
图像来源：Austin Richards 博士的 《Alien Visions》
200～600
0.61～0.59
木材
—
0.78
抛光铸铁
200
0.21
树皮
—
0.98
加工铸铁
20
0.44
石头
—
0.92
完全生锈轧铁板
20
0.69
混凝土
—
0.94
完全生锈氧化钢
来自百度文库
22
0.66
石子
—
0.28～0.44
完全生锈铁板
25
0.80
墙粉
0.92
完全生锈铸铁
40～250
0.95
石棉板
25
0.96
镀锌亮铁板
可见光
近紫外光
X 射线
何为热成像技术
• 热成像技术是利用热感应的红外线成像技术。 • 热像仪可生成热而不是光的图像，它可以测量红 外（IR）能量，并将数据转换成相应的温度图像。
红外热像技术的发展过程
光机扫描探测器
(1958)
液氮制冷 热电制冷 内循环制冷
焦平面、内循环制冷 探测器 （1994年）
160×120像素
320×240像素
在使用热像仪中值得注意的问题
• 发射率的设置 • 空间分辨率的计算 • 窗口材料 • 反射/背景温度补偿 • 调色板的选择
发射率：让我们来看一个实验
• 不锈钢杯子上的温度一致吗？ • 为什么会出现这个情况？ • 不同颜色的胶带温度一致吗？
发射率：影响发射率的因素
元件的性能和寿命会产生不利影响。
测温方式 - 非接触式测温法
非接触式测温法：感温元件不与被测对象相接触，而是 通过辐射进行热交换。
优点： 1）避免接触被测目标； 2）具有较高的测温上限； 3）非接触式测温反应速度快，故便于 测量运动物体的温度和快速变化的温度。
缺点： 由于受物体的发射率、被测对象到仪表之间的距
• 有时背景温度补偿也被 称为“反射温度补偿”。 背景
发射
避开阳光的反射
在晴朗的室外，阳光照射可能成为问题
阳光反射
• 金属表面对阳光的反 射性很强
• 阳光使表面发热
• 暗色表面会更热
• 请尝试在清早、阴天 或夜间且负载都在运 行时进行检查
调色板
• 热像仪一般会提供3种调色板模式：灰度、铁红 、红蓝彩色（彩虹）。
红外热像主要诊断方法
• 请注意热像仪使用时所处的环境温度，一般热像仪可在10～50℃范围内工作；但当环境温度在0℃以下，建议开 机半小时后达到充分预热再进行检测，同时连续室外检 测时间不超过20分钟。
• 严禁在雨天室外检测，若有液体沾染到热像仪，请在第 一时间擦拭干净。
• 在低于0 ℃的环境下，请勿给电池充电，否则会影响电 池寿命。
后证明，在红光外侧确 实存在一种人眼看不见的 “热线”，后称为“红外 线”。
红外测温原理
•自然界任何物体，只要 温度高于绝对零度 (-273.15℃)，就会以电 磁辐射的形式在非常宽的 波长范围内发射能量，产 生电磁波(辐射能)。
热测量
X射线 10-4
紫外线
10-2
近红外线 红外线短波 红外线中波
特殊运行方式，过负荷或电压变化过大、 单相运行等引起的故障，或者冷却系统设计不 合理与堵塞、散热条件差等引起的故障。
影响电力设备红外测量因素
(1)大气影响：大气吸收的影响 (2)颗粒影响：大气尘埃及悬浮粒子的影响 (3)风力影响 (4)辐射率影响 (5)测量角影响 (6)热辐射影响：邻近物体热辐射的影响 (7)太阳影响：太阳光辐射的影响
2)电气设备的内部故障 主要是指封闭在固体绝缘、油绝缘以及设备壳
体内部的电气回路故障和绝缘介质劣化引起
内部故障
• a）内部电气连接不良或触头不良故障。 • b）介质损耗增大故障。 • c）绝缘老化，开裂或脱落故障。 • d）电压分布不均匀或泄漏电流过大性故障。 • e）涡流损耗（铁损）增大性故障。 • f）缺油故障。 • g）其他发热故障。
以0.90固定发射 率进行检测，如果有金属材质：
A 与接头紧密连接的非金属材料(如橡胶、塑料等) 的温度即为接头温度。
B 三相或多个部件进行比对，计算相对温差。 C 若只有单个部件，可在软件内进行针对该部位的
发射率修正，同时比对环境温度。 D 将金属材料部分表面贴胶带或涂漆。
发射率设置问题（精确检测）
DL/T664-2008附录表E 常用材料发射率的参考值
材料
温度℃
发射率近似值
材料
温度℃
发射率近似值
抛光铝或铝箔
100
0.09
棉纺织品(全颜色)
—
0.95
轻度氧化铝
25～600
0.10～0.20
丝绸
—
0.78
强氧化铝
25～600
0.30～0.40
羊毛
—
0.78
黄铜镜面
28
0.03
皮肤
—
0.98
氧化黄铜
• 当使用完成后，请尽快将热像仪盖上镜头盖，并放入携带 箱内保存。
红外热像在电力系统的应用
电力设备发热
• 1)电阻损耗：P=KfI2R • 2)介质损耗：P=U2ωC tgδ
3)铁磁损耗：P∝KB02 (B0 漏磁通)
• 4)泄漏电流损耗：P=UI • 5)缺油及其它故障
设备故障类型
1)电气设备的外部故障： 主要表现为机械接触不良和外部污秽引起
温度的测量
有哪些温度的测量方法？ • 温度计（水银、煤油、酒精…） • 双金属温度计 • 热电偶 • 热电阻 • 红外测温
…… 讨论：这些测温方式的工作原理是什么？
测温方式 - 接触式测温法
按照测量体是否与被测介质接触，可分为接触式测温法 和非接触式测温法两大类。 接触式测温法：测温元件直接与被测对象接触，两者之间进行 充分的热交换，最后达到热平衡。 优点：直观可靠 缺点： 1）感温元件影响被测温度场的分布； 2）接触不良等会带来测量误差； 3）另外温度太高和腐蚀性介质对感温
背景（反射）温度补偿
• 发射率较低的测量目标可以反射来自附近的背景能量， 这部分额外的反射能量会被添加到测量目标自身发射的 能量中，从而使热像仪读数变得不准确。
• 部分情况下，位于测量目标附近的物体（设备、或者其 他热源）的温度会比测量目标的温度高出很多。因此， 需要根据现场情况修正“背景温度补偿”等参数来消除 这部分干扰。
空间分辨率（IFOV）
IFOV × 距离 ≈ 目标直径/边长
例如：在1米外检测一个电气柜，热像仪的IFOV是1.25mRad，只要最小 目标的直径大于1.25mm，热像仪就可以检测出是否有温差存在，从而 发现电器柜内的接头或线缆等设备的故障，要检测较小的目标，空间 分辨率越小越好。
空间分辨率（IFOV）
红外热像仪知识
了解温度
热量的概念
热量是能量的一种形式。
热力学第一定律：
封闭系统中（无能量添加或转移），总能量恒定 ，能量既不会增加也不会消失。也称为能量守恒 定律。
热力学第二定律：
在封闭系统中，热量总是从温度较高的区域流向 或传递到温度较低的区域，除非通过做功使其向 反方向移动。
温度的定义
• 温度是某种物质相对于某个参照物的冷热程度的 量度；是物体内分子相对于其他物体内分子的运动 的一种量度。
28
0.23
大理石
23
0.93
发射率 练习：
1 表面氧化的铜的发射率一般是多少？
2 红色的电缆线和黑色的电缆线，哪个发射率 更高？
3 光亮的铝和表面粗糙的铝，发射率一样吗？
空间分辨率（IFOV）
所有光学
系统都有
分辨能力上
的限制，尤其是在
物体变得更小、
更远或更旧时！
空间分辨率（IFOV）
如果我们无法看到“高温点”，
是根本不存在？ 是我们离得过远？ 还是它太小了？
空间分辨率（IFOV）
• 空间分辨率是指红外热像仪能够识别的两个相邻 目标的最小距离。 • 通常用瞬时视场角（IFOV）的大小来表示（毫弧 度 mrad）。表示热像仪的最小角分辨单元。 • 决定着热像仪的清晰度，是热像仪所能测量的最 小尺寸。它与光学像质，光学会聚系统焦距和红 外传感器的线性尺寸相关。