“创新研发”一种用于红外测温仪的发射率修正算法

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利用红外测温技术对电力设备的内、外部缺陷造成的异常发热进行检测，已成为电力行业对设备故障检测的重要手段之一[1]。利用红外热成像对电力设备进行故障检测，首先要精确测量设备表面的真实温度，而发射率是影响红外测温精度的重要参数之一。对于低发射率材料，其测量结果受发射率和环境温度的影响很大，若直接进行测量，可能与实际结果相差较大，因此需要在已知发射率和环境温度的情况下，对测量结果进行修正。本文提出了一种基于最小二乘法的低发射率修正算法，并在不同发射率材料和电力设备上进行验证，与实际结果相符。

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红外辐射与发射率和温度的关系

根据热辐射原理可知，在实际测量时，热像仪接收到的有效辐射包括：目标辐射、环境反射辐射、大气辐射，被测物体的辐射亮度计算如下：

其中分别为目标辐射、环境反射辐射、大气辐射，分别为目标表面温度、环境反射温度、大气温度，为目标的发射率，为目标的表面反射率，为大气透射率，为大气发射率。

根据能量守恒定律可知，材料的吸收率、反射率、透射率满足以下关系：

根据基尔霍夫定律可知：

对于不透辐射的材料，其透射率，则

对于大气，忽略其反射，则

则

对于红外测温应用，其测量距离范围一般在几十米内，大气透过率可近似为1，则：

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低发射率修正方案

根据普朗克定律和斯蒂芬-玻尔兹曼定律可知：

则：

其中为热像仪测量的温度，为物体表面的真实温度，为反射温度。

以上公式为理想情况下的发射率修正温度模型，但是在实际测量中，物体的热辐射过程十分复杂，会受到其他因素的干扰，因此加入参数对公式进行拟合修正，表示如下：

根据以上公式，需要采集数据拟合参数a、b。分别在环境温度分别为0℃~60℃下，采集发射率在0.98~0.05、温度范围为20℃~600℃的物体表面的真实温度，以及未修正的热像仪测量温度。由于反射温度的测量结果受环境和测量方法的影响较大，本文采用参考文献[2]中提到的方法测量反射温度，可有效降低测量误差。

本文采用加权最小二乘法进行数据拟合，得出a、b参数。

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实验

3.1 黑体验证

在拟合得到修正参数后，分别在环境温度6℃、23℃、40℃下，将黑体设置不同的发射率、温度，进行测试验证。验证结果如下：

△ 图1 环温=6℃ 修正结果对比

△ 图2 环温=23℃ 修正结果对比

△ 图3 环温=40℃ 修正结果对比

图中蓝色曲线代表黑体的实际温度，红色曲线代表修正后的测量温度。蓝线与红线重合度越高，说明算法补偿效果越好。可以看出在以上三种环境温度下，当发射率在0.3~1.0范围内，修正结果与实际结果基本一致，证明了修正参数的有效性。

3.2 材料验证

在完成对黑体的验证后，进一步在不同发射率的材料上进行验证，部分测试材料如图4所示。

△ 图4 部分测量材料

测试步骤如下：

1) 将材料的一部分贴上黑色胶带(3M胶带，型号为1712，发射率为0.93)；

2) 将材料放置到100摄氏度的开水中，三分钟后取出；

3) 将机器的发射率设置为0.93，设置对应的反射温度，测量贴胶带部位的温度，即为材料的实际温度，如图5(a)所示；

4) 随即，参考给出的材料发射率表，将机器发射率设置到对应值，慢慢调整，使得测量的温度等于材料的实际温度，此时设置的发射率即为材料的发射率，如图5(b)所示；

5) 将测量的发射率与表中的参考发射率进行对比，即可验证发射率修正算法的正确性；

6）在材料缓慢冷却的过程中，重复多次测量；

7）对不同的材料重复以上步骤；

测试测试结果如表1所示，可以看出当发射率大于0.2时，测量发射率与参考发射率较为接近；当发射率低于0.2时，测量结果存在一定误差。

(a) 胶带粘贴示意图

(b) 验证示例图

△ 图5 材料验证图

△ 表1 不同发射率材料的验证结果

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发展方向

4.1 电力行业应用

本文提出的发射率修正算法可以被应用于电力行业中低发射率材料的红外测温，可有效提高电力设备故障检测的准确性。但是对于如何准确测量电力设备表面材料的发射率这一问题，目前还没有可靠的解决方法，仍需进一步的研究。

4.2 超低发射率材料的修正方法

对于发射率低于0.2的超低发射率材料的测量，因受环境反射温度和测量方法的影响很大，采用以上方法测量仍存在不可靠性，后续需要进一步研究。

参考文献

[1] 崔红淼, 梁波. 提高远红外测温技术对电力设备故障判断的准确度[J]. 电工电气, 2010(02):63-64.

[2] Usamentiaga, Rubén, Venegas P , Guerediaga J , et al. Infrared Thermography for Temperature Measurement and Non-Destructive Testing[J]. Sensors, 2014, 14(7):12305-12348.

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