红外检测器法（精选10篇）
红外检测器法 篇1
前言
丹参为唇形科植物丹参(Salvia miltiorrhiza Bge.)的干燥根和根茎。春、秋二季采挖,除去泥沙,干燥。中药材丹参又名紫丹参、血参、大红袍等,具有活血调经、祛瘀、镇静安神、凉血消痈和消肿止痛之功能。目前,作为医药工业的主要原料,丹参药材需求量不断增大,丹参的种植和栽培受到人们普遍重视,因此寻找合适而又快捷的丹参质量控制方法成为当务之急[1]。
近红外光谱是指波数为4000~12000cm-1的电磁波,是化合物中C-H、O-H、N-H等基团伸缩振动的倍频或合频的吸收,特别适合于对样品中水分的测定。其特点是吸收较弱,样品不需稀释就可测量,易于实现简便、快速地非破坏分析。近年来近红外光谱技术在中药及其制剂领域的应用日益增多[2~9],本次实验以58份丹参药材粉末中的水分含量为研究对象,运用新型分析技术近红外光谱技术对其进行分析,建立一种快速测定丹参水分含量的方法。
1 试验部分
1.1 主要仪器与装置
6700型近红外光谱仪(美国Thermo Nicolet公司,配有卤钨灯光源,铟镓砷检测器,附漫反射积分球,样品旋转器和石英样品杯,OMNIC样品采集软件,TQ8.0分析软件),HC-100型粉碎机(浙江省永康市金穗机械厂),FA2004A型万分之一电子分析天平(上海精天电子仪器有限公司),101-2s电热鼓风干燥箱(龙口市电炉制造厂)。
1.2 主要材料与试剂
丹参药材由2010年6月洛阳正骨医院药厂提供,共58份,由河南中医学院董诚明教授鉴定为丹参Salvia miltiorrhiza Bge的干燥根茎。
1.3 试验条件
1.3.1 烘干法测定水分含量
采用《中国药典》(2010版)一部附录IX H水分测定法中的“烘干法”,对丹参药材进行水分含量测定[10]。
取各丹参粉末样品3 g,平铺于干燥至恒重的扁形称量瓶中,精密称定,记录数值,打开瓶盖,在烘箱105℃温度下干燥5 h,将瓶盖盖好,移至干燥器中,冷却30min,精密称定重量,再在上述温度下干燥1 h,冷却,称重,至2次称重的差异不超过5 mg为止。每份样品平行做2份,最后求平均值。根据减失的重量计算供试品中含水量(%)。每个样品平行测定2次,取其平均值。
1.3.2 丹参的NIR光谱采集
将58份不同产地的丹参干燥样品粉碎,过80目筛,制成粉末样品,每份样品取约5 g,混合均匀后放入石英样品杯中,摊平,然后以空气为参比,扣除背景,采集近红外光谱图。采样方式:积分球漫反射;采集区间:4000~12000 cm-1;分辨率8 cm-1;扫描次数64次;温度(20±1)℃;相对湿度35~37。每个样品重复扫描3次,取其平均光谱,作为样品的NIR光谱图。
2 结果与讨论
2.1 丹参中水分含量测定
本文采用烘干法测定58份丹参中水分含量,用于建立水分含量预测模型的丹参中水分含量为5.03%~10.04%之间,平均值为7.07%,符合药典规定的不超过13%,且分布均匀,符合一定的梯度分布及建模要求(见表1)。
2.2 丹参NIR光谱图
58份丹参样品的NIR光谱叠加图(见图1)。
2.3 定量分析模型建立
2.3.1 光谱预处理[11]
将丹参样品水分含量值和近红外光谱数据输入TQ8.0定量分析软件,进行数据处理,采用偏最小二乘法(PLS)建立定量校正模型,软件随机选取58份样品中的46个样品组成校正样品集,其余12个作为验证集建立模型。
以内部交叉验证决定系数(R2)、内部交叉验证均方差(RMSEC)和预测均方根偏差(RMSEP)为综合指标,考察不同预处理方法的建模合理性。其中R2越接近1越好,RMSEC与RMSEP越小越好(见表2,3)。本实验所选的最佳方法为PLS+SNV+二阶导数法,最佳建模范围为4186.14~6830.05cm-1。
2.3.2 主成分数的选定[12]
本实验用交互验证法,以校正样品集RMSECV为优化参数,选择最佳主成分数,当RMSECV值最小时,所选主成分数最佳。最佳主成分数为5(见图2)。
2.3.3 校正模型的建立[13]
本实验用TQ8.0软件包进行条件筛选。采用PLS+SNV+二阶导数法,建模范围4186.14~6830.05cm-1,主因子数7,75批地黄样品其中67批用于建立模型,校正集相关系数R2为0.99383,交互验证均方根偏差RMSEC为0.0213,预测均方根偏差RMSEP为0.0287(见图3,4)。
2.3.4 模型的验证[14]
将烘干法测定的丹参药材粉末水分含量值做为参考值,用近红外预测值与参考值的相对偏差来衡量模型的预测能力(见表4)。
从以上结果可知,预测均方差(RMSEP)为0.0287,预测值与真实值之间的相对偏差均在5%以内,说明近红外光谱定量模型具有良好的预测能力。
3 结论
实验结果表明,运用新型分析技术——近红外光谱技术对其进行分析,可以建立一种快速测定丹参水分含量的方法。这种方法准确度高,速度快,一个样品取得光谱数据后可立刻得到定量分析结果,整个过程所需时间短,无损又环保,是一种非常值得推广的绿色分析方法,并且该方法和药厂结合,实现近红外光谱技术的实用价值。该法具有一定的普适性,有望应用于其它中药体系[15~17]。
摘要：目的:应用近红外光谱技术建立快速测定丹参药材中水分含量的方法。方法:利用烘干法测定样品中水分的含量,运用偏最小二乘法(PLS)建立其含量与NIR光谱之间的多元校正模型,对未知样品进行含量预测。结果 :建立的水分校正模型决定系数(R2)、交互验证均方根偏差(RMSEC)、预测均方根偏差(RMSEP)分别为0.98823、0.0213、0.0287。结论 :此方法具有快速简便、准确无损的特点,可以应用于丹参中水分含量的快速检测。
关键词：近红外光谱技术,偏最小二乘法,丹参,水分
红外检测器法 篇2
本技术的实现原理是通过热激励源进行外部主动加热，在被检结构表面激发出热波并向内部传播，通过热像仪记录结构内部热波传播过程（热传递过程）不同所导致的表面温差，由获取的热图像来判别结构内部损伤并进行定量分析。
研制的红外热波无损检测系统由计算机、热激励系统和热图像采集装置三部分组成。计算机是硬件控制平台，提供可视化操作界面；热图像采集装置用于完成对被检测表面温度场变化情况的记录；热激励系统用于对被检测部位实施热激励。热图像采集装置主要由红外热像仪、前端显示器和铝制盒体组成。红外热像仪负责热图像的实时采集并以特定的格式传输给计算机；前端显示器用于检测人员在检测位置实时观察被检测表面的温度场变化情况。热激励系统主要由热激励源和供电电源组成，热激励源安装在热图像采集装置的铝制盒体内部。热激励源可分别提供热激励时的脉冲强光热辐射和连续光热辐射输出。供电电源为独立结构，提供热激励源工作时所需的大电流。
【技术特点】与传统的损伤检测方法相比，红外热波无损检测具有适用面广（可用于所有金属和非金属材料）、检测速度快（每次检测只需数十秒钟）、检测面积大（检测面积可根据硬件及被检测对象进行调节）、单向非接触检测、显示直观且直接存储、定量测量和特征识别等特点。特别适合于飞机纤维增强复合材料结构和表面涂层内部脱落或腐蚀的在役检测。
【技术水平】技术性能参数：
（1）温度测量精度：±2%。
（2）热灵敏度：0.08℃(30℃时)。
（3）空间分辨率：1.3mrad（毫弧度）。
检测性能指标：
（1）可检测损伤类型：复合材料层压板分层、脱粘等内部损伤；复合材料蜂窝夹芯结构面板与蜂窝芯脱粘、蜂窝芯塌陷、积水、积油等。
（2）最小检测损伤面积：16mm2（埋深1mm）。
（3）检测速度：单次检测时间≤60s（连续工作状态）。
【可应用领域和范围】红外热波无损检测系统主要用于飞机、无人机和直升机等纤维增强复合材料构件的损伤检测及修理工作。该检测系统能够检测构件内部的面积型损伤，可实现损伤面积和埋藏深度定量计算，为复合材料构件损伤修理方案的制订提供参考数据，并可用于修理后的质量检查。
可用于航空航天飞行器设计与制造、飞行器在役维护保障等领域，尤其适用于纤维增强复合材料结构的损伤检测评估与维修质量检查。
【专利状态】已获得1项发明专利。
【技术状态】小批量生产阶段
【合作方式】技术转让合作开发
【预期效益】由于显著的减重效能和吸波隐身特性，先进纤维增强复合材料正逐步成为现代新型飞机的主要结构材料，应用于雷达罩、机翼、垂尾、方向舵和机身结构件等部位。国产大型客机和运输机等都已在使用复合材料结构，除此以外，复合材料在其他航空航天飞行器如直升机、各型导弹和小型舰艇中的应用也在不断扩大。复合材料结构的大量使用必然伴随相应的维护和修理需求，尤其是损伤检测和修理质量控制方面，因而本检测设备具有较好的推广应用前景，经济效益可观。
《航空器复合材料构件红外热成像检测》标准通过审定
来源： 发布时间： 2011-09-29 11:17 23:11:14 浏览次数：
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目前在中国民航使用的机型中已经开始进行红外热成像无损检测工作。其中空中客车公司在维修手册中指定使用红外热成像方法检测升降舵、方向舵等复合材料部件。波音系列飞机维修也涉及红外热成像检测。国内主要航空器维修单位如国航工程技术公司、广州飞机维修工程有限公司、厦门太古飞机维修工程有限公司、上海科技宇航有限公司等都建立了红外热成像检测系统，开始进行该项工作。相信不久以后，许多维修单位都将建立红外热像检测能力。然而，在这一领域内，目前中国民航尚无相关标准，也未开展人员资格认证，各相关单位的工作没有统一的标准。有鉴于此，民航局航空器适航审定司于2009年批准了《航空器复合材料构件红外热成像检测》标准编写项目
该项目由中国国际航空公司工程技术分公司成都维修基地、南京航空航天大学、中国民航科学技术研究院、广州飞机维修工程有限公司等单位联合编写，于2010年10月完成标准送审稿，于2010年12月10日在北京召开审查会。
审查会由民航局航空器适航审定司主持。审查委员会由民航局航空器适航审定司、民航局飞行标准司、中国民航科学技术研究院、首都师范大学、哈尔滨工业大学、北京航空材料研究院、厦门太古飞机维修有限公司、上海科技宇航有限公司、国际航空公司工程技术分公司成都维修基地、北京飞机维修工程
有限公司和广州飞机维修工程有限公司的15位专家和技术人员组成。审查委员会听取了标准编写组关于《航空器复合材料构件红外热成像检测》标准的编写情况汇报，并对该标准送审稿进行了逐条认真细致的讨论和修改，与会专家一致认为：
1、该标准编写规范、结构严谨、文字简练、符合国家标准GB/T1.1-2009的规定及行业有关标准编写的要求。
2、该标准在编写过程中修改采用了美国材料试验协会标准ASTM E
2582-07《航空应用中复合材料板及其维修区脉冲红外无损检测实施标准》，参考了波音公司和空中客车公司飞机的无损检测手册中有关红外热成像检测的要求，结合了我国民用航空器无损检测工作的实际情况，因而操作性及实用性强。
3、该标准提出的要求科学、合理，能够实施。
4、该标准的制订规范了民用航空器红外热成像检测工作，对保障航空器的安全具有重要意义。
5、该标准达到了国外同行业先进标准的水平。
标准审查委员会对标准的部分内容提出了修改意见，同意标准编写组按会议提出的意见对标准进行修改后，形成标准报批稿上报。
该标准的制定将从人、机、料、法、环各个方面进行规范，建立人员培训和资格认证机制，为红外热成像检测的开展提供指导。
标准编号：GB/T 26643-2011 标准状态：现行
标准价格：27.0 元
客户评分：
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标准简介
本标准规定了闪光灯激励红外热像法无损检测的一般原则,适用于材料和结构的表面及近表面缺陷检测。
Non-destructive testing—Infrared flash thermography—
英文名称：
Guideline
ICS分类： 试验>>19.100无损检测
发布日期：
2011-06-16
首发日期： 2011-06-16
主管部门： 全国无损检测标准化技术委员会(SAC/TC 56)
陶宁、王迅、郭广平、李艳红、朱军辉、曾智、金万平、张存林、起草人：
伍耐明、刘颖韬、金宇飞
出版社： 中国标准出版社
《无损检测 术语 红外检测(GB/T 12604.9-2008)》由中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会发布，本部分由全国无损检测标准化技术委员会（SAC／TC 56）提出并归口。修改了“红外检测一般术语”（1996年版的第2章；本版的第2章）；修改了“红外检测设备、器材和材料的术语”（1996年版的第3章；本版的第3章）；修改和增加了“红外检测原理和方法的术语”（1996年版的第4章；本版的第4章）；增加了“检测工艺及操作的术语”（见第4章）。
有机防腐涂层质量的红外热波无损检测
发电厂带电电力设备红外检测浅析 篇3
电力设备的红外检测诊断是一项简便、快捷的设备状态在线检测技术，任何有一定温度的物体，都会以电磁波的形式向外界辐射能量。所辐射能量的大小与该物体的热力学温度的四次方成正比。利用这个原理制成的红外测温仪，具有不停电、不取样、非接触、直观、准确、灵敏度高、快速、安全、应用范围广等特点，是发、供电设备实施状态检修重要技术监督方法，是保证电力设备安全、经济运行的重要措施。本文就红外诊断的基本原理、红外诊断对象、诊断方法和设备缺陷的判断依据，对红外检测和诊断技术管理工作等方面结合实际进行探讨。
一、电力设备状态红外检测与故障诊断的基本原理
设备故障红外诊断的前提，首先是用红外方法检测到设备运行状态的变化及故障信息。
电力系统的各种电器设备中，导流回路部分存在大量接头、触头或连接件，如果由于某种原因引起导流回路连接故障，就会引起接触电阻增大，当负荷电流通过时，必然导致局部过热。如果电器设备的绝缘部分出现性能劣化或绝缘故障，将会引起绝缘介质损耗增大，在运行电压作用下也会出现过热；具有磁回路的电气设备，由于磁回路漏磁、磁饱和或铁芯片间绝缘局部短路造成铁损增大，会引起局部环流或涡流发热；还有些电气设备（如避雷器和交流输电线路绝缘瓷瓶），因故障而改变电压分布状况或增大泄露电流同样会导致设备运行中出现温度分布异常。总之，许多电力设备故障往往都以设备相关部位的温度或热状态变化为征兆表现出来。
世间万物都会发射人眼看不见的红外辐射能量，而且物体的温度越高，发射的红外辐射能量越强。红外测量通常测量到的是三种合成辐射——本身的辐射、物体表面反射的辐射、大气辐射的能量。只要运用适当的红外仪器检测电力设备运行中发射的红外辐射能量，并转换成相应的电信号，再经过专门的电信号处理系统处理，就可以获得电力设备表面的温度分布状态及其包含的设备运行状态信息。这就是电力设备运行状态红外检测的基本原理。
二、红外诊断对象
只要表面发出的红外辐射不受阻挡的设备，都属于红外诊断技术的有效监测设备，例如：旋转电机、变压器、断路器、互感器、电力电容器、避雷器、电力电缆、母线、导线、绝缘子串、组合电器、低压电器及二次回路等。
三、诊断方法和设备缺陷的判断依据
电力设备巡视是每天必须进行的一项重要工作，其方法一般为通过目测、耳听和鼻嗅等来了解设备的运行情况，其中以目测为主。但目测的方法有着很大的局限性，一些有发展性的缺陷，特别是设备内部缺陷，要等到设备发热到一定程度后才能被发现，这样不但使设备缺陷的及时发现和处理造成延误，而且可能会对运行设备造成不同程度的损坏。
1.电流致热缺陷判断
（1）三相同位置最大相间温差比较法。进行同一间隔设备相同位置接点的最大温差比较，电流致热缺陷分析和判断一般采用本方法。
（2）绝对温升判定法。当设备三相同位置接点均过热时使用本方法。
（3）以环境温度参照体温度作为基准温度与三相过热点进行比较。
选取环境参照体有困难时，可在被检测设备本间隔或其他间隔设备载流导线、导电杆上选取温度较低的部位作为环境温度参照体，以其温度作为基准温度与三相过热点进行比较。
（4）电流致热类缺陷分析中应注意的事项。影响红外分析诊断的因素有：负荷、环境温度、风速影响、其他辐射热源干扰、材料辐射系数、测试距离、仪器参数设置（最高最低温度、环境温度、辐射率）、仪器使用条件。
2.电压致热类缺陷检测与诊断
电压致热类缺陷是长时间带有额定电压的设备由于介电强度降低、绝缘劣化、电场分布不均等所导致的设备局部或整体发热。
电压致热类缺陷绝大多数是设备的内部异常发热，所对应的缺陷都是重大缺陷，是红外检测的重点。
某些致热类缺陷也纳入了电压致热类缺陷去分析和管理，如：并联电容器极板击穿后的异常发热；变压器箱壁漏磁通涡流、磁屏蔽接地不良导致的发热；变压器油路循环不倡导致的发热或主油管油循环不正常；电力行业标准中没有计列的其他缺陷性质的发热（如：机械转动部分缺陷导致的发热、非电气原因导致的设备局部温度异常等）。
在红外检测发现和认定的缺陷中，电流致热、电压致热类缺陷都是不可自愈的，而电压致热类缺陷发展形成的事故是电力变电主设备损毁的主要原因。
电压致热类缺陷检测受到影响的程度和内容有：气象条件的影响、日照辐射影响、周围光辐射影响、双节设备电场分布的影响、被拍摄设备视角的影响、仪器参数设备（最高最低温度、环境温度、辐射率）。
3.发电厂变电所设备红外检测的故障判别方法
上文提出用发热点相对环境温度的温升来判断热缺陷，并给出了对不同负荷电流下不同设备接头过热的警界温升表。当被检测点相对环境温度的温升大于表中所规定的警界温升时就认为有缺陷，并按表中的警界温升确定缺陷种类，这种方法简单、直观、实用性较强，但是在线路红外检测时存在以下不足：
（1）对于发电厂变电所设备，由于条件限制，不可能准确测量设备周围的环境温度、湿度、风速以及检测距离（一般采用地面环境温度、湿度、风速作设备的环境参数，检测距离的估计），这样所测得的发热点相对环境温度的温升存在误差，必然带来热缺陷判断的误差。
（2）对于高压设备，即使相同材料、相同环境条件，由于集肤效应和邻近效应，在相同负荷电流情况下，交流线路的发热应比直流线路的发热严重，而上文中只根据导线型号和负荷电流来规定警界温升是有局限性的。
（3）不同设备、不同材料的发热特性各不相同，在不同条件下的允许温升应各不相同，例如在有太阳辐射时，会在被检测对象上附加一定的温升，这时的警界温升显然与没有太阳辐射时是不一样的。显然，简单地采用这种方法来分析热缺陷并不方便、准确。《带电设备红外诊断技术应用导则》对电流致热型设备的热故障判别提出用相对温升判断法，该方法通过分析相对温差与接触电阻的变化关系，依据电力行业标准《电力设备预防性试验规程》(DL/T596)中对接触电阻的规定，确定了分析电流致热型设备热缺陷的相对温升来判断。这种方法从发热的内在原因出发确定判断方法，克服了一些环境因素及负荷电流等对测量结果的影响，对电力设备的红外诊断具有指导性。
四、红外检测和诊断技术管理工作
1.红外检测人员基本要求
（1）掌握紅外检测的基本原理。
（2）熟悉设备的基本结构和运行原理。
（3）掌握红外检测相关规程。
（4）掌握目前已成熟的红外检测经验和案例。
（5）积累红外检测经验。
（6）学会使用分析软件。
2.电流致热缺陷现场拍摄
（1）检查仪器参数设置。
（2）必要时记录环境气象条件。
（3）核对负荷电流和最大负荷。
（4）不热的不拍。
（5）争取有个相间同位置进行比较。
（6）热点图像单拍摄一张局部详图。
（7）角度合适，能准确反映设备发热的部位和原因。
（8）尽可能避开外辐射源的影响。
（9）记录好每张红外热像图的编号和对应设备名称。
3.电压致热类缺陷检测现场拍摄
（1）检测前，应了解设备的运行情况。
（2）红外热像仪开机后先检查仪器日期、时间、辐射系数、距离参数、温度范围设置。精确检测的辐射系数使用0.92，距离参数设置12m，现场一般不再调整。
（3）不论红外热像仪屏幕红外图像目测有无温度异常，均应拍摄红外热像图，使用软件进行红外热像图分析。
（4）应将间隔内三相设备拍摄在一张红外图像。不同间隔的单一设备拍摄应与其他间隔同类设备使用相同距离、相同角度。
（5）拍摄应去掉对红外图像分析无意义的物体，获取设备最大的整体红外热像图。
（6）三相或两相设备本体的关键部位应互相无重叠遮挡。
（7）设备本体温升、温场分布异常达到严重及以上缺陷时，应将设备异常过热的准确位置、实测温度、缺陷初步诊断结果和注意事项告知值班员，缺陷诊断初步结果应填入缺陷记录簿。初步诊断为危急缺陷的，应立即向上级汇报。
（8）新投运的变电设备应于投运的第1、3、7天连续进行精确检测，无异常后转入正常的电力设备红外检测。初始红外检测热像图应作为基础技术资料保存。
（9）新投运的变电设备精确检测发现设备本体温场分布异常时，应进行红外连续跟踪检测，根据红外诊断结果及时采取其他带电或停电检测措施。
红外诊断技术还可以在电厂其他诸多方面发挥重要作用，例如：转动机械轴系过热故障的诊断；储煤自燃隐患的诊断；锅炉堵灰的红外检测等。可以说，凡是能够表现为温度异常的各种故障，原则上都可以应用红外检测技术做出诊断，许多课题尚待进一步研究开发。
红外检测器法 篇4
1 红外分光光度法特点
1.1 红外分光光度法概念
以红外区域电磁波连续光谱为辐射源照射样品, 记录样品吸收曲线的一种光学分析法, 又称红外吸收光谱法。通常将红外区域分为3个区域:近红外区 (0.75~2.5μm) 、中红外区 (2.5~25μm) 、远红外区 (25~1000μm) 。由于绝大部分有机化合物基团的振动频率处于中红外区, 人们对中红外光谱研究的最多。这段波长的光与分子中原子间的振动和变化相对应, 因此红外光谱区所测得的谱图称为振转光谱。随着红外分光光度法发展非常迅速, 红外分光光度法在药品无损鉴别、中药提取过程的在线检测和药品的快速检测方面越来越体现其优越性。由于红外光谱分析特性强, 气体、液体、固体样品都可测定, 并且有用量少、分析速度快、不破坏样品的特点, 因此该法是鉴定化合物和测定分子结构的最有效方法之一。
1.2 特别适用于兽药检验领域—药品的鉴别
只要将试样的红外光谱与标准的红外光谱进行对照即可。如果试样的红外光谱与标准样品图谱完全一致, 峰的相对强度相同, 就可以认定样品是标示物, 如果样品图谱与标准图谱不一样或峰位不一致, 就说明样品非标示物。
由于红外光谱与试样的物态、结晶形态、溶剂和添加物有关, 只有红外光谱才能全面、彻底地反映药品的全貌, 所以, 红外光谱在药品监督和打假过程中非常有用, 因为, 制假者是以超额利润为目的的, 不可能用与大的制药企业完全相同的机械设备、原材料和生产工艺来制假。
2 红外光谱独特的优势
红外分光光度法与高效液相色谱法、气相色谱法及其他分光光度法等相比有如下优点: (1) 其他方法都首先要对样品进行前处理, 把样品制成溶液, 该过程是目前检验工作中工作量最大的, 而且费时、费力, 还要用到大量有毒的有机溶剂。红外分光光度法前处理很简单, 常常可对样品进行无损检验; (2) 检测速度快:1min之内即可。其他方法只是对样品的部分成分进行检验, 而红外分光光度法反映的是样品的全貌, 主要反映分子中C-H、N-H、O-H、S-H等基团的倍频和合频振动吸收, 包括绝大部分有机化合物信号易于获取与处理;信息量丰富, 包含大量含氢集团的结构信息, 同一基团常在近红外谱区的多个位置有吸收。
3 未来展望
红外检测器法 篇5
红外辐射吸收法测量航空发动机燃气温度
航空发动机加力燃烧室出口温度较高,采用红外辐射吸收测量可以克服传统热电偶测量的缺点.利用红外光谱的`某一强辐射吸收谱带的特点,设计了一套红外测温仪光学系统,并给出了具体的试验措施和信号采集与处理方法.
作 者：王强 WANG Qiang 作者单位：中国民用航空飞行学院,四川,广汉,618307 刊 名：装备制造技术 英文刊名：EQUIPMENT MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)：2008 “”(9) 分类号：V231.2 关键词：航空发动机 燃烧室 红外光 辐射 试验红外检测器法 篇6
1 红外热成像法简介
任何物体都会释放红外线, 红外热像仪就是利用红外探测器和红外成像镜头接收被测目标的红外辐射能量分布, 通过探测器获取红外热像图, 热像图与物体表面热分布相对应。热流在物体内部传导过程中, 由于不同材料热物理性能不同, 材料内部形成的温度梯度也不相同, 最终在物体表面形成了相应的热区和冷区。这种由里及表的能量传递正是红外热成像检测的依据所在。
红外热成像法主要是通过检测建筑物表面的辐射温度, 根据内部缺陷形成的红外热图像特征, 来分析其是否存在、位置和大小。建筑物围护结构由于受到室内外各类因素以及结构内部本身差异的影响, 使内外表面传热速度不同, 进而造成围护结构表面整体温度场的不均匀, 而红外热像仪恰好能利用红外辐射原理将这种不均匀的温度场以不同色彩的形式显示出来, 经过运算从红外热图像上读出被测物体表面任意一点所对应的辐射温度值。利用红外热成像法探测建筑围护结构热工缺陷正是通过红外热成像所显示出的不均匀彩图, 判断被测范围内温度值过高 (低) 的区域, 进而找到热工性能薄弱的部位。然而, 在实际工程中, 不仅是建筑物的节能缺陷, 而且建筑物内外表面的材质、颜色以及检测时气候环境等因素, 均会引起建筑外墙表面辐射温度在某些区域的差异, 从而影响其内部质量的分析和判断。
2 国内外研究概况
红外技术最初用于军事方面, 20世纪60年代起开始应用于工业领域, 无损检测的新兴, 进一步促进了红外诊断技术的发展。国际标准组织最早于1983年制订了ISO 6781-1983 (E) 《保温-建筑围护热异常的定性诊断-红外方法》, 1999年将其修订后发布同名标准, 并定义了热工缺陷。20世纪90年代美国开始红外热成像法检测建筑围护结构的研究;John R.Kominsky用红外法探测了围护结构湿异常;EvaBarreira用红外法评定建筑材料;Chia-Chi Cheng结合红外法与微波法研究了因建筑外墙饰面的粘贴质量不良引起的热工缺陷;Marianne BérubéDufour利用红外法量化分析了围护结构的空气渗漏问题。
我国自20世纪80年代初开始了红外诊断技术在建筑工程方面的研究, 相关标准也明确规定使用红外热像仪检测建筑围护结构的热工缺陷, 且仅为定性判断。自2005年起哈尔滨工业大学定量研究了建筑围护结构热工缺陷, 并提出了相应的量化指标。同期, 西安建筑科技大学等多家院校均针对红外热像检测技术检测建筑物技术展开了相关研究。
由于国内对红外热像检测技术的应用才刚刚起步, 其红外诊断技术的相关应用分析多是基于国外文献基础上的理论分析, 缺乏可靠的实际操作性和适用性, 还需要结合我国建筑节能的实际情况, 分析总结具有可操作性和普遍适用性的检测方法, 使该项技术得到更好地应用和发展。
3 红外热像法在建筑节能缺陷检测中的应用
建筑围护结构缺陷主要分为外表面热工缺陷和内表面热工缺陷, 包括热桥缺陷, 圈梁、柱、拐角等部位, 是建筑外围护结构的热工性能薄弱部位, 是影响建筑物节能效果和建筑物热舒适性的重要因素。同时这些墙体热工缺陷大多数是隐蔽的, 仅凭工程资料和常规现场检测方法不足以判断其所在部位和严重程度, 从而影响对建筑热工性能与节能状况的评价。采用红外热像仪可以迅速和全面地判断建筑热工状况, 找出存在热工缺陷的部位, 具有纵览全局的效果。目前利用红外热成像法探测建筑围护结构热工缺陷主要集中在以下几个方面。
3.1 热桥的诊断检测
热桥是指处在外墙和屋面等围护结构中的钢筋混凝土或金属梁、柱、肋等部位。因这些部位传热能力强, 热流较密集, 内表面温度较低, 故称为热桥, 热桥效应是由于没有处理好热传导 (保温) 而引起的, 热桥效应在砖混结构的建筑中出现较多, 而且由于温度、湿度、热量等多方面因素的影响。在室内空调降温条件下, 由于室外气温相对较高而室内温度较低, 墙体之间产生了热量的传递, 在热桥部位其导热系数较大, 热流在此处较密集, 相对其他正常墙体而言其室内壁面温度较高。实测时, 在热桥部位选好诊断尺寸, 开启红外线热像仪放置平衡后就可对其进行测温, 待显示温度平衡可记录下测温数据并贮存图像利用软件进行分析, 一般可以间隔测量记录, 得出其温度的变化规律。
相反, 在室内采暖条件下, 由于室外温度较低, 热量方向由内到外传递, 该热桥部位传热量密集, 内表面温度较其他主体部位低, 通过测量其热桥部位的内表面温度, 根据室内空气露点温度判断其热桥部位的保温效果是否合格, 此时室内空气相对湿度应按60%计算。
3.2 外墙饰面质量的检测
由于墙体结构有很大的热容量, 如混凝土或砖砌体结构的主体, 在正常情况下, 外表面的温度比结构材料的温度高时, 热量会由外墙饰面传递给结构墙体材料。当外墙饰面板 (砖) 的温度比结构材料的温度低时, 则热量会反向传递。当外墙饰面板 (砖) 产生空鼓时, 在其空鼓的位置就会形成很薄的空气层, 由于空气层具有很好的隔热性能, 因此, 有空鼓的外墙板 (砖) 在日照或外气温发生变化时, 空鼓部位的温度就会比正常墙体的温度变化大。一般说来, 日照时外墙板 (砖) 表面温度会升高, 空鼓部位温度比正常部位的温度要高:当外表面日照减少或气温降低时, 与上述情况正好相反。因此, 若外墙存在脱落、空鼓等粘结缺陷部位, 在红外热像图上将表现为“热斑”或“冷斑”, 其检测结果直观、可靠, 分析外墙的红外热像特征图谱, 并对其进行理论计算, 即可确定外墙的粘结质量, 对外墙饰面的缺陷进行准确判断。
3.3 热工缺陷诊断检测
建筑外围护结构热工性能的好坏, 直接影响到室内环境及建筑能耗。当围护结构中保温材料缺失、受潮、分布不均、其中混入灰浆或当围护结构存在空气渗透部位时, 则称该围护结构在此部位存在热工缺陷。由于墙体及屋面的热工缺陷人的肉眼是看不到的, 用常规的检测手段难于判定, 而红外成像测试技术作为一种非破坏性的测试技术, 利用探测器收集红外辐射信号产生热影像, 每一种阴影颜色表示一个特定的温度区域, 显示物体的表面温度场, 再根据结构表面温度场的变化来判断结构内部是否存在热工缺陷。
当节能建筑外保温墙施工质量均匀完好时, 隔热层等厚度、材料、施工均匀, 保护层表面温度在阳光的辐射和环境温度的影响下, 表面温度场分布均匀, 即相同结构表面各点温度基本相等。相反, 当围护结构存在热工缺陷时, 其红外热像图的温度分布就会存在局部的差异, 就可以据此判断其节能效果。墙体保温层如果有缺陷, 厚度不够或破损时, 其整体的热阻将减小, 在外界热流的作用下, 该处的热传递比其他部位要快, 所以测量温度会偏小;如果保温层内存在空鼓或者空洞时, 由于空气间层的作用其热阻增加, 此时热传递会受到较大的阻隔, 显示的温度分布会较其他区域高。
4 结语
红外热像技术简单、实用, 能较直观精确地显示出测量的温度分布情况, 给研究人员提供可靠的数据信息, 在对建筑的节能检测中, 红外热像仪的运用可以快速地对大规模住宅小区、建筑群进行红外热像直观图像和量化分析相结合的检测, 迅速全面地判断建筑热工缺陷状况。随着对该技术的进一步研究, 红外热像技术将日趋成熟, 也必将大大推进建筑节能检测技术水平的提高。
参考文献
[1]杨晓虹, 许国东.红外热像法检测建筑节能缺陷的应用研究[J].工程质量, 2011 (3) .
[2]杨丽萍, 闫增峰等.红外热成像技术在建筑外墙热工缺陷检测中的应用[J].新型建筑材料, 2010 (6) .
[3]胡达明.红外热像法在建筑节能工程质量缺陷检测中的应用[J].节能与环保, 2009 (9) .
[4]李莹, 田园.红外热像技术提高了建筑节能测试水平[J].石油石化节能, 2011 (3) .
红外检测技术初探 篇7
1 红外检测技术基本原理
红外技术的原理主要基于在大自然当中的物体, 其温度相比绝对零度偏高, 并且红外线在每一时间段都有辐射出现。此外, 也有物体的特征信息在红外线辐射当中存在, 因此在探测红外线或者是对于其他的被探测目标的热分布以及温度方面提供了客观的基础。
红外线属于一种电磁波, 其波长在0.76到1000 m之间, 按照红外线的波长对于其进行分类, 可以分为极远、远、中以及近四个方面, 而在磁波连续的频谱当中, 红外线所在的区域处于无线电波与可见光之间。
红外线辐射作为一个电磁波辐射, 广泛地存在于大自然当中, 在常规环境之下, 自然界当中的任何物体在原子与分子的无规则运动之下, 会有热红外能量不断地辐射出来, 当原子与分子无规则的运动越来越剧烈时, 产生的辐射所包含的能量也就越来越大, 相反, 当原子与分子无规则的运动越来越弱时, 产生的辐射所包含的能量也就越来越小。
当物体的问题处于绝对零度之上的时候, 由于自身的分子运动, 会有红外线辐射出来。当物体表面的绝对温度发生变化的时候, 物体的发热功率会随着表面绝对温度的变化而更快的改变。在物体进行红外线辐射, 并且产生热量的时候, 在物体周围的分布场也会出现一定的表面温度, 而物体材料所具有的热物性则决定了温度的分布场。
使用红外线探测器能够将物体辐射所发出的功率信号完全转化成为电信号, 使得成像装置的输出信号就能够——对应到温度空间分布 (属于模拟扫描物体的表面) , 然后再通过电子系统对其处理, 再传输到显示屏之上, 从而得到的热像图是与物体的表面热分布相对应的。
对于红外线的辐射特点来讲, 除了其本身所具备的特性之外, 还同时具备以下几个方面的特性:
第一, 在物体的表面, 其红外线辐射的波长峰值与分布的温度存在一定的联系, 它们之间呈现反比状态。当波长越短的时候, 其温度就越高;而波长越长的时候, 其温度就越低。
与红外线辐射峰值波长对应的温度见表。
所以, 其红外线辐射实际能量的大小以及波长的实际分布与物体表面温度都有着一定的联系。
考虑到这一特性, 在探测物体的红外线辐射的时候, 在判断与分析方面就可以通过侧温以及远距离的热状态图像来实现。
第二, 当在大气当中传播红外线辐射的电磁波的时候, 由于大气会对其进行吸收, 从而不断地衰减红外线辐射的能量, 但是红外线辐射的波长与其实际的吸收量有着直接的关系。
2 红外检测设备种类及其特性比
红外线辐射的探测主要是对于被测物体的辐射能, 将其转换成为可以进行测量的形式, 物体红外线辐射的强弱能够通过对于热效应的热电转化来实现, 或者是利用光电效应所产生的在电性质方面的变化来实现。因为对于电量测量的结果更加的精确与方便, 所以进行红外辐射的探测测量的时候, 总是将其转变成为电量进行测量。红外探测器种类繁多, 根据不同的功能已覆盖整个红外波段, 按其性质可分为两大类:其一是依据物体辐射特性进行测量和控制, 其二是依据材料的红外光学特性进行分析和控制。目前, 我国电力行业所使用的红外探测器可分为红外测温仪、红外热电视、红外热像仪三种, 以下是三种红外设备的基本工作原理及其性能比:
2.1 红外测温仪的基本工作原理分析与探讨
红外线测温仪主要是通过仪器将目标产生的红外线辐射能量会聚到一起, 然后再通过红外滤光片的作用, 从而进行到探测器当中, 然后在探测器的作用下将其转变成为电能信号, 通过放大器将电子电路进行放大处理之后, 就能在显示器当中将被测物体的表面温度显示出来。
2.2 红外热电视的基本工作原理分析与探讨
红外热电视主要是通过热释电摄像管将被测的物体的表面红外辐射接收, 并且将内热辐射分布的不可见热图转变成为视频信号, 最后经信号放大, 处理由屏幕显示出目标热图像。
2.3 红外热像仪的基本工作原理
红外热像仪是利用光学系统收集被测目标的红外辐射能, 经光谱滤波、空间滤波、使聚焦的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上, 利用光学系统与红外探测器之间的光机扫描机构对被测物体进行红外扫描, 由探测器将红外辐射能转换成电信号、经放大处理转换成标准视频信号通过电视屏显示红外热像。
3 红外检测技术故障诊断方法
3.1 表面温度判断法
在判断设备表面温度的时候, 可以将测得结果当中的温度值与《交流高压电器在长期工作时的发热》相对照。如果其表面温度超过了规定当中的标准, 对于设备缺陷性质的确定上, 参考设备负荷率、实际的温度超标程度以及设备重要性等方面, 其中需要注意的是在负荷率较小时, 温度超过了标准或者是当设备承受机械应力较大的设备应当严格对待。
3.2 相对温差判断法
(1) 如果有导流部分热像异常的情况在电流致热型的设备当中出现, 就能够按照温差公式将相对的温差值计算出来, 此外, 对于设备的缺陷性质也能够通过温差值进行计算。
相对温差可用下式求出:
式中:T0表示的是环境参照体的温度
1和T1表示的是发热点的温升和温度
2和T2表示的是正常相对应点的温升和温度
(2) 对于温度升高较小、负荷率较小, 但是设备的相对温差较大的情况下, 可以将负荷电流适当的增加, 再进行一次复测, 从而将设备的缺陷性质确定出来。
3.3 同类比较法
(1) 在同一个电气回路当中, 三相设备与其电流对称相同的时候, 就可以进行对应部位温升值的相互比较, 就能够将设备是否运行正常判断出来。如果设备在同一时间出现异常状况, 就能够比较同一回路当中的同类设备。当考虑到负荷电流对其的影响的时候, 则是因为其三相负荷电流出现了不对称情况。
(2) 对于电压致热型设备具有相同的型号, 判断设备正常情况则可以考虑到对应点的温升值。电压致热型设备的缺陷的确定则可以通过允许温升或者是同类允许温差进行判断。当然, 通常来说, 重大的缺陷是定额在同类型的温差高于了允许温升值30%以上的时候。
3.4 热图谱分析法
在同类型设备正常、异常状态之下热象图存在的差异就能够判断出温度异常设备的缺陷。
3.5 档案分析法
可以根据试验报告来分析同一设备在不同时期的检测数据 (例如温升、相对温差和热像图) , 找出设备致热参数的变化趋势和变化速率, 以判断设备是否正常。
4 经济效益分析
我公司自2005年购进日本航空电子公司生产的TVS—2100型红外热像系统, 经过理论分析并结合电气设备测试的特点, 对全公司35KV～110KV共计168条架空输电线路进行了全面的红外普测工作, 在七年的检测工作中共发现各类缺陷212处, 其中重大缺陷57处, 紧急缺陷71处, 一般缺陷84处。
在兰州电网红外普测的同时, 我们有选择地对重点区域进行了连续红外检测诊断, 检修单位对检测出的热缺陷故障及时进行了认真处理, 使线路设备过热故障逐年下降, 同时检修效率及质量也有了显著提高, 由于对检测出的热态异常处认真分析、正确分级, 根据不同过热等级, 分别采取加强监督、安排计划、申请停电等不同的处理方式, 优化安排检修计划, 并及时停电处理了多起热故障, 避免了重大事故的发生, 使电网的运行稳定性和可靠性得到了极大提高, 取得了显著的经济效益和社会效益。
总之, 自我公司开展红外测温工作以来, 我们发现了大量的设备缺陷和隐患, 取得了明显的经济效益和社会效益。通过近几年艰苦细致的测试工作, 加上检修质量的不断提高, 我局电力设备的热缺陷已经越来越少, 供电可靠性越来越高。我们相信, 随着电力红外诊断技术自身的不断完善和发展, 它一定会在电力系统中发挥越来越重要的作用。
5 结语
(1) 在电气设备的诊断与线路热故障的分析方面, 电力红外诊断技术是非常先进, 并且具备有效性的一门技术。红外线测温在检测当中属于非接触式的方法:其一, 在设备运行的情况下, 停电所花费的时间减少了;其二, 对于设备来说, 红外线测温技术不会产生任何的伤害, 也能够对热状态的变化进行准确的掌握, 从而确定出检修设备的时间。
(2) 使用红外检测技术, 其工作效率较高, 而且测试速度较快, 对于故障部位的显示与严重程度都能够清晰地显示出来。相比传统的方式, 更加有效。
(3) 红外检测技术不仅可以发现设备外部过热, 还可以检测出设备内部缺陷发热点, 从而弥补了常规试验的不足。
(4) 红外诊断技术, 在检查设备是否正常运行时, 可以采取对设备温度进行检测的方式进行, 进而对于设备的维修以及事故的防范提供有利的科学依据。
(5) 红外检测技术应用于电力系统中将大大提高供电可靠性、减少停电次数, 有效地将事故消灭于萌芽状态, 从而保证了电网的安全稳定运行, 取得了显著的经济效益和社会效益。
摘要：对红外技术的基本工作原理, 红外检测设备种类及其特性比以及红外诊断技术的故障判别方法进行讨论, 对影响红外诊断的因素进行了分析并提出了解决对策, 并从实际应用角度出发对高压设备易发生故障部分进行了实例判断及原因分析。
关键词：红外检测,高压设备,故障诊断
参考文献
[1]吴存衡等.导体接头过热的早期诊断和防治[J].华东电力, 1995, 23 (11) :24
[2]带电设备红外诊断技术应用导则.中华人民共和国电力行业标.DL/T664—1999
煤矿甲烷红外检测系统 篇8
甲烷是一种易燃、易爆气体, 是矿井中瓦斯的主要成分。一般认为, 甲烷在大气中的爆炸下限为5.0%, 上限为15.0%, 在浓度为9.8%时最容易爆炸。长期以来, 国内煤矿安全监控系统普遍采用热催化元件检测甲烷浓度, 该检测方式易受高浓度甲烷和硫化物的毒化, 使用一段时间后, 存在着零点漂移、灵敏度下降等问题, 严重威胁井下人员的生命安全。本文介绍一种基于光谱吸收检测原理的煤矿甲烷红外检测系统, 该系统通过测量红外光穿过甲烷气体后的透射比计算甲烷浓度, 可有效弥补采用热催化元件检测方式的缺点[1], 保证甲烷浓度检测与报警的准确性。
1 红外差分吸收检测原理
煤矿甲烷红外检测系统是基于气体的红外选择性吸收原理设计的:具有非对称双原子或多原子分子结构的气体在中红外波段均有特征吸收光谱, 当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时, 就会发生共振吸收, 遵循朗伯-比尔定律[2]:
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式中:I (λ) 为透射光的强度;I0 (λ) 为入射光的强度;α (λ) 为气体的吸收系数;L为气体的吸收光程;C为被测气体的浓度。
考虑到光源、光探测器、背景噪声等因素引起的光强变化, 系统采用单光路、双波长结构补偿方法对甲烷气体实现差分检测。甲烷分子具有4个基频振动, 每一个基频振动对应1个光谱吸收区, 它们的波长分别为3.43 μm、6.53 μm、3.31 μm和7.66 μm[3]。本系统中, 光源为红外二极管 (LED) , 波长从可见光到5 μm, 探测器采用双通道热释电探测器, 测量滤光片的中心波长为3.31 μm, 带宽为0.15 μm, 与甲烷气体有较好的波长匹配。
红外甲烷传感器结构如图1所示, 红外光源发出的红外辐射穿过被测甲烷气体, 分别经中心波长λ1=3.31 μm的测量滤光片和中心波长λ2=4.0 μm的参考滤光片后, 分为2束单色光, 经过热释电探测器, 输出mV级的电压信号。
考虑到光路的干扰因素, 朗伯-比尔定律可以表示为
I (λ1) =K (λ1) I0 (λ1) exp[-α (λ1) LC+β (λ1) ] (2)
I (λ2) =K (λ2) I0 (λ2) exp[-α (λ2) LC+β (λ2) ] (3)
式中:K (λ) 为比例系数;β (λ) 为光路干扰系数。
由于λ1、λ2相差很小, 光同时接近和通过甲烷气体, 可以认为β (λ1) =β (λ2) , 调节光学系统, 使K (λ1) I0 (λ1) =K (λ2) I0 (λ2) , 则甲烷气体浓度可表示为
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由式 (4) 可看出, 测量系统从理论上完全消除了光路的干扰因素, 同时还消除了光源输出光功率不稳定的影响。
2 系统硬件设计
煤矿甲烷红外检测系统结构如图2所示。光源驱动电路是以NE555为核心组成的4 Hz对称方波振荡电路, 调制发光二极管, 产生测量用的方波光源信号, 该方波信号同时作为相敏检波的参考信号。光电转换后的信号经过前置放大、滤波电路和锁相放大电路后, 得到稳定的直流信号, 由微处理器S3C44B0X完成A/D转换, 并对携带甲烷浓度信息的数字量进一步滤波, 提高系统的灵敏度, 通过查表、线性插值计算出甲烷浓度, 在LCD上显示。如果甲烷浓度超限则通过声光报警电路发出报警信号, 并将浓度值通过串口上传给计算机, 实现浓度信息的保存与分析。
图2中, 锁相放大电路是一种以相关检测原理为基础的信号处理电路, 利用信号周期性和噪声随机性的差别, 通过互相关运算, 抑制噪声, 提高探测的灵敏度和信噪比[4]。
光源驱动电路输出的方波作为相敏检波的参考信号, 使相敏检波器处于开关状态。将方波参考信号展开为傅立叶级数:
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式中:n为谐波次数;f2为方波的频率。
当输入信号Us=Essin (2πf1t+φ1) 时, 则相敏检波器的输出为
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若f1=f2, 则式 (5) 中存在直流2Es/π·cos (φ1-φ2) =2Es/πcos θ, 其中θ=φ1-φ2, 为输入信号Us与方波参考信号Ur的相位差。相敏检波器的输出信号经过低通滤波器后只剩下直流分量2Es/πcos θ, 通过移相电路将输入信号Us与方波参考信号Ur的相位差调节为零, 则被检测出的信号即为与输入信号相关的直流分量2Es/π。
3 系统软件设计
微处理器选用三星公司生产的ARM7处理器S3C44B0X, 其内部集成了采用近似比较算法的8路10位ADC, 支持软件使能休眠模式, 以减少电源损耗。同时该芯片还集成了LCD控制器、2个UART通道、71个通用I/O口等部件, 能够胜任信息采集、显示、发送等功能。
系统软件主要完成初始化、数据分析处理、结果显示与传输等功能。系统上电后, 首先完成系统的初始化, 进入低功耗模式, 等待中断请求。软件采用去极值移动平滑数字滤波方法消除随机干扰, 提高了检测系统的灵敏度。ROM中存放事先标定好的线性系数, 系统工作时, 根据当前计算数据寻找相应的系数, 线性插值计算出当前的气体浓度, 并通过LCD显示, 如果气体浓度超限, 则发出报警信号。系统软件流程如图3所示。
在实现信号的放大滤波过程中, 虽然信号受到抑制, 但由于受到电子器件的限制, 信号仍受到影响, 为了提高测量精度, 本文采用去极值移动平滑法对经过A/D转换后的数字量进行滤波。该方法选择一个具有一定宽度的平滑窗口, 窗口内有n个实验点, 窗口内的数据采取先进先出的原则, xj为最近1次的采样值。将窗口内n次测量值去掉最大值和最小值后, 取平均值代替第j点的值:
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去极值移动平滑法消除了数据随机的突然变化对测量结果的影响, 既能消除脉冲干扰, 又能平滑滤波, 减少了误报警的概率。
4 实验结果
测量信号V1与参考信号V2以及甲烷浓度C存在如下关系:
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式中:N0为气体体积分数为0时测量信号V1和参考信号V2的比值;k0为比例常数;α为吸收系数;L为气体的吸收光程;C为甲烷浓度。
实验中选择气室长度L为5 cm, 采用扩散采样方式。室温条件下, 设定甲烷气体的满量程为甲烷气体的爆炸下限5%, 首先将甲烷体积分数为0时对应的N0值计算出来, 再根据实测的V1和V2计算K值, 实验中选取甲烷体积分数为0.5%、1%、…、4.5%、5%共10个点进行测量。根据测得的数据, 得到标定曲线, 如图4所示, 并将线性参数 (斜率和截距) 存入ROM中, 中间点采用线性内插求得。
正常工作时, 根据当前计算的K值和对应的线性参数计算出所测甲烷浓度。标定好系统后, 用标准甲烷气体对整个检测系统进行示值对比实验, 如表1所示。
根据公式undefined可得示值的相对误差, 其中:Cm为系统示值;Cs为标准气体浓度;R为量程, 根据表1, 可知系统的相对误差为1%。
用1%的标准甲烷气体对系统进行重复性试验, 连续运行10 h, 每1 h作为时间间隔注入标准甲烷气体, 记录数据如表2所示。由表2可以计算出单次测量的标准偏差:
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5 结论
针对现有煤矿甲烷检测装置存在的检测范围窄、寿命短、易受毒化、调校频繁等缺点, 本文设计了一种煤矿甲烷红外检测系统。该系统采用差分吸收检测原理和相敏检测技术, 使得传感器对环境光量变化、暗电流噪声、温度漂移的干扰均有一定的抑制作用。实验结果表明, 甲烷体积分数与K值呈线性关系, 所标定的传感系统的示值相对误差为1%, 气体检测具有良好的重复性。
参考文献
[1]HOVEL R.Advances IR Technology[J].MRS Sym-posium Proceedings, 1997, 450:438~443.
[2]王汝琳, 王咏涛.红外检测技术[M].北京:化学工业出版社, 2006.
[3]邓勃.原子吸收光谱分析的原理技术与应用[M].北京:清华大学出版社, 2004.
[4]孙红兵, 莫永新.微弱光电信号检测电路设计[J].微电子技术, 2007, 18:156~158.
红外检测诊断技术分析研究 篇9
该项目对近年来供电局开展的红外检测诊断工作方法进行了总结, 通过对昆明供电局各个专业应用红外热成像仪情况 (包括输电、变电、配电) 运行情况的分析和研究, 编写了符合实际需要的《红外成像测温作业指导书》, 对作业流程、检测周期等内容进行规范。项目结合省内实际做研究, 对红外成像诊断技术的应用有所创新, 开发了省内第一个网络化的电力设备红外图谱档案管理库, 具备了红外图谱的分类管理、远方导入、查询图谱等功能, 实现了故障诊断信息与红外热像的统一管理, 为各种电气设备的运行状况管理提供重要科学依据。编辑出版了《电力设备红外检测图谱》, 该书从红外基础理论、影响红外热成像仪正确测温的因素、图谱案例分析和典型图谱等十四个方面做了论述, 为红外成像检测技术在系统内得到更广泛应用提供了借鉴。
船用电缆红外检测及诊断研究 篇10
电力电缆作为一种传输和分配电能的载体,被广泛用作发电厂、变电站和工矿企业的电力引入(引出)线路,以及跨越江河、海峡、铁路和城市的地下输配电线路[1]。对于现代化的海军舰船来说,随着其自动化、智能化和复杂程度的大大提高,各种电缆同样也得到了广泛的应用。但是由于舰船特殊的高温、高湿、高盐的工作环境,导致船用电缆老化问题十分突出。同时由于舰船电缆负荷大,出海工作时间长,在电缆老化,绝缘性能下降以后,很容易导致放电和相间短路等故障,并引发火灾和爆炸等严重事故,给舰艇安全和人的生命造成极大的威胁。因此,对船用电缆运行状态实时检测技术进行研究具有极大的军事和经济价值。
红外监测与诊断技术是一种非接触、测量快速、灵敏度高的现代检测方法,可在设备不停电、不取样、不解体的情况下快速实时地监测电力设备的大多数过热故障,非常适合舰船出海远航过程中的实时状态监测[2]。但是对于船用电缆的红外监测与诊断,目前开展的研究相对来说还比较有限。海军工程大学的范春利[3]、杨宝东[4]等人分别针对电缆破损和电缆局部老化等故障建立了物理和数学模型,并对电缆温度场进行了分析研究,提出了通过红外热像仪测量电缆表面温度分布在线检测与诊断输电线、电缆破损和老化程度的方法;王铁军等人在试验的基础上,给出了船用电缆绝缘材料热老化寿命与老化时间的关系[5];中国科学技术大学的陈晓军等人建立了电气线路红外热像诊断热传导模型,对几种电线内芯温度进行了分析计算[6]。本文将在这些研究的基础上,对船用电缆局部老化时的温度场进行仿真研究,特别是对表面温差与电缆老化程度关系进行研究,为实现船用电缆运行状态的红外诊断提供理论依据。
1 三维模型的建立
1.1 模型建立
以某型通用橡胶软电缆为研究对象,考虑到电缆长度,以老化部分的中点为边界,取电缆长度0.4米,老化部分长0.05米为对象进行计算,如图1所示为电缆横截面示意图。电缆为三芯,金属缆芯外是绝缘层,绝缘层外为填充物,最外面为保护层。根据电缆结构和工作特点,作如下假设:
(1)假设电缆长时间工作,其表面与周围空气和环境进行对流和辐射换热,达到热平衡;
(2)由于电缆工作稳定后,温度变化不大,假设各材料导热系数不随温度和时间变化;
(3)由于电缆绝缘层之间、绝缘层与外护层之间接触紧密,计算过程中忽略接触热阻。
根据上述假设,针对计算区域,建立三维传热数学模型[7]:
其中:λx,λy,λz,λn分别为传热介质在x,y,z和边界法线方向的导热系数;qv为电缆缆芯的发热率;h为表面对流换热系数;∂Ω为计算区域边界;Tw为电缆表面温度;Tf为周围空气温度。
1.2 模型的求解
根据建立的三维传热模型和假设条件,利用有限元法进行求解计算。对建立的几何模型,采用Solid70(即8节点6面体)单元进行网格划分。由于电缆细长,中间缆芯横截面相对长度来说,几乎可以忽略,因此在划分网格时,对横截面分布方向和电缆长度方向分别划分,划分网格后的电缆有限元模型如图2所示。
利用有限元软件进行计算前,需要对模型的边界条件进行确定。在电缆正常工作情况下,电流流过电缆,由于电缆缆芯自身电阻的存在,产生损耗而引起电缆温度升高。因此单位长度电缆产生的热量为:
其中:I为电缆流过电流大小,A;R为单位长度电缆的电阻大小,Ω。
对于电缆缆芯电阻,可以依据如下公式进行计算:
其中:R0为20℃时导体线芯的直流电阻,Ω;A为线芯截面积,m2;ρ为导体线芯的电阻率,Ω·m;α20为20℃时材料温度系数;T为导体工作温度,℃。
电缆运行过程中,产生热量的同时,也向外界环境散发热量。对于架空电缆来说,电缆表面向外界散发热量主要通过对流和辐射两种方式,即:
其中:Q为单位时间向外散发的总热量,W;Qrad为单位时间向外的辐射散热热量,W;Qconv为单位时间对流换热热量,W;h为对流换热系数,W/(m2·℃);ε为辐射率;δ为斯蒂芬-波尔兹曼常数。
电缆为圆柱形,一般情况下为自然对流,常温常压下圆柱形材料对流换热系数可用如下公式进行计算:
其中:D为电缆外径,m。
2 电缆三维温度场分析
2.1 电缆绝缘良好时温度场分析
根据建立的模型,对研究的船用电缆进行温度场的仿真分析。实验电缆运行时电流大小为11 A,环境温度为27.2℃。在电缆绝缘良好的情况下,其导热系数取0.163 W/(m·K),填充物导热系数相对较小,取0.1 W/(m·K);根据式(2)～(5)即可对模型边界条件进行确定,利用Ansys软件进行计算,结果如图3所示,为电缆表面温度分布云图。从计算结果来看,在电缆绝缘良好的情况下,表面温度分布均匀;在计算工况下,电缆表面温度为34.05℃,温升6.85℃,最高温度出现在缆芯,为37.11℃,温升为9.91℃,参考GB763-90进行判断,该电缆处于良好运行状态。
图4为电缆横截面温度分布云图,从图中分析,电缆缆芯部分温度最高,电缆表面温度最低,这也与实际情况相符,说明电缆缆芯产生的热量向外扩散,通过表面对流和辐射进行热交换,电缆绝缘层和填充物的导热系数大小直接决定着电缆内部热量的散发,即电缆内部的温升。
为验证模型的准确性,利用红外热像仪对实验电缆表面温度进行测量,如图5所示,为实验测量的表面温度和仿真温度曲线分布图。
从实验与仿真结果来分析,仿真结果明显大于实验测量值。分析仿真过程,认为出现这种现象的主要原因在于电缆填充物导热系数的选取。由于电缆填充物并不是理论上的紧密接触,存在较多的气息,直接导致其导热系数降低,而实际仿真计算中,假设其紧密接触,采用的导热系数较大,导致仿真结果中表面温度较实验测量值偏大。对实验测量数据进行平均处理后,实验测量值为32.1℃,理论计算值为34.05℃,较实验测量值高1.95℃,误差为6.07%,处于工程允许误差范围内,说明建立的模型是准确的,可以应用于工程研究。由于仿真计算是在理想情况下进行,因此表面温度是均匀的;而实验过程中测量值受外界影响较大,导致实验测量温度曲线存在波动,但是整体来看,温差不超过0.7℃,说明整条电缆在运行良好的情况下,表面温度分布是均匀的。
2.2 电缆局部老化时温度场分析
船用电缆由于高温、高湿、高盐,且振动剧烈,很容易发生局部老化故障。当电缆局部发生老化后,其直接的后果是导致绝缘层和填充物导热性能降低。因此根据建立的模型,对电缆发生局部老化故障时的温度场进行分析时,根据电缆老化程度的不同,分别取故障段电缆绝缘层的导热系数为0.12、0.08、0.04、0.02 W/(m·℃)进行研究。计算时,环境温度为20℃,电流7.6 A。图6为电缆局部老化程度不同时,表面温度变化曲线。
分析仿真结果,发现随着电缆老化程度的加重,表面温差是逐步增加的,在电缆运行状态良好时,表面温度分布均匀,温差可以忽略,但是随着老化程度的增加,表面温差增加,最大达3.24℃,对于实验使用的P65红外热像仪来说,精度可达量程的±2%,分辨率可达0.1℃,因此可以及时发现电缆老化故障。从整个温度分布规律来看,在电缆发生老化段(0～0.05 m),表面温度相对于正常部分温度要低,温度最低点处出现在老化段与正常部分交界处靠近老化段;而表面温度的最高点出现在交界处靠近正常部分位置。分析这种现象产生的原因,认为主要是由于电缆老化,导致绝缘层导热系数降低,阻碍了缆芯热量向外的散发,因而老化段电缆表面温度要低于正常部分表面温度。在电缆老化段和正常的分界处,由于老化段热阻较大,因此缆芯产生的热量沿轴向传递,到了正常部分后,向电缆表面传递,导致在老化段和正常部分的分界处温差最大。离老段部分0.2 m处,电缆表面温度基本恢复正常,与正常电缆表面温度一致。利用红外热像仪检测电缆运行状态时,电缆老化段与正常段分界点就在电缆最低温度和最高温度之间位置。
图7为电缆表面最高温度和缆芯最高温度随电缆老化程度的变化曲线。从图中分析来看,随着老化程度的增加,缆芯和电缆表面温度均增加,缆芯最高温度从正常时的25.788℃升高到28.549℃,温升2.76℃;电缆表面最高温度升高1.25℃,说明电缆老化对缆芯最高温度的影响要大于表面最高温度。同时从温度绝对值来看,当导热系数降低到0.02 W/(m·℃)时,缆芯和表面最高温度和温升均处于警戒线以内,说明在电流较小的情况下,利用绝对温升不能判断电缆老化故障。
图8为电缆表面温差和表面与缆芯温差随电缆老化程度的变化关系。从图8中分析,随着电缆老化程度的增加,电缆表面温差和表面与缆芯温差均增加,特别是表面温差,随着老化程度的增加,从良好状态的接近0℃上升到3.2℃,温差增加明显;因此通过对电缆表面温差进行研究,可以利用红外热像仪判断电缆局部老化故障。
3 实例分析
利用红外热像仪对船用电缆进行红外诊断,通过前述研究发现,对于存在局部老化故障的电缆,在电流不大的情况下利用绝对温升很难对其故障进行诊断,但是利用表面温差和温度场的分布情况比较容易对故障点进行定位和诊断。图9为测量的正常电缆红外热图,从图9中测量结果分析,电缆表面温度场分布均匀,表面温差不超过0.7℃(表面温度分布曲线见图5)。
图10为中间段存在局部老化故障时电缆的红外热图。从测量结果来看,外表面温度最高的位置不在老化段出现,而在靠近老化段两端的位置,温度最低点也出现在靠近老化段位置,但是靠近老化部分。中间段温度明显低于两端,老化段和正常部分温度分布分界明显,很容易对老化部位进行定位和判断,这一点与理论分析结论是一致的。
4 结论
本文针对某型船用电缆的具体结构和工作特点,结合实验测量数据利用有限元法对其处于正常情况和局部发生老化故障情况分别进行三维温度场的仿真研究,并结合测量实例进行分析,得出如下结论:
(1)通过理论与实验测量结果的比较,显示仿真结果是可靠的,建立的电缆模型是合理的;
(2)电缆绝缘良好时,电缆表面温度场分布均匀,温差较小;
(3)在电流不大情况下,利用电缆表面绝对温升不能发现早期电缆局部老化故障;
(4)电缆发生局部老化故障时,电缆表面最高温度和最低温度出现在老化段与正常段分界处两侧,电缆表面温差随电缆老化程度的增加而增加;
(5)结合电缆电流大小,测量的表面温差,可以实现对电缆老化程度或剩余寿命的判断,但需要进行大量的仿真和实验测量为基础。
参考文献
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