王超群，崔昊楊，許永鵬，李 祥，唐 忠

(上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，上海200090)

1 引言

目前，紅外測溫技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的使用日趨廣泛而深入，人們對紅外測溫系統(tǒng)測溫精度提出了更高的要求［1－2］。使用環(huán)境、發(fā)射率、風(fēng)速等因素對紅外測溫精度造成的影響，已有對應(yīng)的修正方法并取得了較好的效果［3－6］。而在紅外測溫的過程中，測溫儀的距離系數(shù)比(D∶S，D為測溫儀至目標(biāo)距離，S為目標(biāo)直徑)以及目標(biāo)表面積的大小決定了測溫儀的有效測溫距離。為保證測溫精度，紅外測溫系統(tǒng)往往在有效測溫距離內(nèi)使用。對距離影響紅外測溫精度的研究，也多局限在有效測溫距離之內(nèi)［7－8］。然而，工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境非常復(fù)雜，特別是在電力系統(tǒng)中高電壓的監(jiān)測環(huán)境下，考慮到安全等因素，不可避免地出現(xiàn)超出有效測溫距離，從而導(dǎo)致視場超出被測目標(biāo)的非常規(guī)情況。此時，系統(tǒng)接收的是全視場范圍內(nèi)的熱輻射量(目標(biāo)體及視場范圍內(nèi)背景的熱輻射之和)，測量到的溫度往往低于目標(biāo)體的實際溫度。此外，電力設(shè)備監(jiān)測點的形態(tài)也會對超出目標(biāo)體的剩余視場面積造成影響，進而決定了測溫儀接收的熱輻射能量的多少，并導(dǎo)致測溫結(jié)果的不準(zhǔn)確性。這就有必要提出一種與目標(biāo)表面積相關(guān)的紅外測溫誤差修正方法。

本文從熱輻射理論和紅外測溫原理出發(fā)，充分考慮了測溫距離、目標(biāo)表面形狀、背景溫度等影響因素，推導(dǎo)出了視場超出目標(biāo)輻射表面積的溫度誤差修正公式，利用該公式對實驗結(jié)果進行了修正。

2 修正理論

對于D∶S固定的紅外測溫儀而言，目標(biāo)與測溫儀的位置關(guān)系決定了測溫儀的視場范圍，如圖1所示。

圖1 紅外測溫儀視場區(qū)域內(nèi)紅外輻射模型(d2為超出有效測溫距離的長度)Fig.1 The model of infrared radiation in field area of infrared thermometer(d2is the length of beyond effective temperature measurement distance)

由于紅外測溫的原理為收集視場范圍內(nèi)所有物體的熱輻射量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。當(dāng)目標(biāo)體處于B1時，可準(zhǔn)確測量目標(biāo)的溫度，此時測溫儀與目標(biāo)之間的距離為d1。而當(dāng)目標(biāo)體處于B2時，測溫儀與目標(biāo)之間的距離為d。測溫儀的直接測溫結(jié)果將受到背景環(huán)境的影響，這就必須對測溫結(jié)果進行修正。本文計算了全視場范圍內(nèi)包括目標(biāo)物體，背景環(huán)境的輻射照度和電壓響應(yīng)值，得到對應(yīng)的目標(biāo)溫度值，從中去除了視場范圍內(nèi)背景溫度的影響，得到目標(biāo)體的表面真實溫度值，以此對視場超出目標(biāo)表面積的紅外測溫結(jié)果進行修正。

當(dāng)被測目標(biāo)充滿紅外測溫儀的視場時，視場區(qū)域內(nèi)的紅外測溫儀的輻射照度公式如文獻［9］所述。文獻［10］推導(dǎo)出了視場超出目標(biāo)時的紅外測溫儀所接收的全視場范圍內(nèi)的紅外輻射照度。

本文結(jié)合測溫儀接收的輻射照度與其轉(zhuǎn)換的電信號之間的關(guān)系［11］，根據(jù)全視場范圍內(nèi)的輻射照度推導(dǎo)出如圖1所示的測溫儀視場超出被測目標(biāo)時，紅外測溫儀響應(yīng)電壓為:

其中，R為測溫儀視場的半徑。

令 Km=ARAd－2，Vs/Km=f(Tr)，則式(1)可化為:

依據(jù)普朗克定律可得:

式中，m為常數(shù)，與紅外測溫儀的工作波段有關(guān);T為熱力學(xué)溫度。

變換公式(4)的形式可得:

式中，Tr為測溫儀直接測量所得的全視場范圍內(nèi)的溫度;T0為提取出的目標(biāo)物體表面的實際溫度。式(5)即為紅外測溫誤差修正公式的通用形式。當(dāng)被測物體表面滿足灰體時，可近似認(rèn)為ελ=αλ。

近距離測溫時可忽略大氣透過率的影響［12］，令τaλ=1，假定超出目標(biāo)的背景區(qū)域的溫度和大氣溫度與環(huán)境溫度相等。代入公式(5)，則式(5)可化簡為:

由公式(6)可得:

需要說明的是，在應(yīng)用上述公式修正誤差時，當(dāng)被測目標(biāo)的測溫表面為不規(guī)則形狀時，測溫儀與目標(biāo)之間的距離要保證紅外測溫儀的視場必須完全覆蓋被測目標(biāo)。不完全覆蓋目標(biāo)時，視場內(nèi)的被測目標(biāo)面積無法確定，這種情況下的修正方法還需進一步研究。若被測目標(biāo)的測溫表面為正多邊形，當(dāng)測溫儀視場超出被測目標(biāo)時，能夠通過數(shù)學(xué)方法確定此時視場內(nèi)被測目標(biāo)的面積，可應(yīng)用上述公式修正。當(dāng)被測目標(biāo)為圓形，視場溢出被測目標(biāo)時，視場內(nèi)被測目標(biāo)的表面積即被測目標(biāo)的表面積本身，可應(yīng)用上述公式進行修正。

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 實驗

在無風(fēng)、無陽光直射實驗室開展實驗測量，環(huán)境相對濕度為50%，以黑體作為標(biāo)準(zhǔn)源標(biāo)定測溫儀測溫誤差。黑體的型號為偵測器株式會社的BBZ5，黑體開口直徑為30 mm。采用的紅外測溫儀為VTIR 6816，其距離系數(shù)比為 200∶1，工作波段為8～14 μm。依據(jù)距離系數(shù)比及黑體開口直徑，確定本次測溫的有效測量距離為6 m。本次實驗測量距離從1～20 m，以1 m為間隔進行測量。將紅外測溫儀與黑體放置在同一水平直線上，調(diào)節(jié)紅外測溫儀和黑體開口的高度，使紅外測溫儀的同軸激光對準(zhǔn)黑體開口的中心。分別進行三組實驗:①環(huán)境溫度17℃，黑體溫度58℃。②環(huán)境溫度33℃，黑體溫度58℃。③環(huán)境溫度33℃，黑體溫度80℃。每組實驗分別進行三次測量，取三次實驗數(shù)據(jù)的平均值。實驗結(jié)果如圖2和圖3所示。

3.2 結(jié)果分析

圖2為環(huán)境溫度在17℃和33℃情況下，紅外測溫儀測量溫度隨距離變化曲線，從中可以看出，距離對紅外測溫儀測溫精度的影響不可忽視。超出紅外測溫儀有效距離后，隨著距離的增大，測溫誤差逐漸增大。兩條溫度曲線均呈下降趨勢，偏離被測目標(biāo)的真實溫度值，并且環(huán)境溫度與目標(biāo)溫度差值越大，溫度下降的趨勢越明顯，測溫的精度則越低。這是由于在使用過程中，紅外測溫往往受到很多因素的影響，如目標(biāo)發(fā)射率，環(huán)境溫度，大氣透射率，測溫距離等。當(dāng)測溫視場超出被測目標(biāo)表面積后，影響紅外測溫精度的因素不僅僅是測溫距離，而是由距離變化引起的多種影響因素的綜合作用。

圖2 環(huán)境溫度為17℃和33℃情況下紅外測溫儀溫度曲線(目標(biāo)溫度為58℃)Fig.2 The temperatures curve of infrared thermometer when the situation of ambient temperature is 17℃and 33℃(target temperature is 58℃)

考慮到實驗中測量距離較近，大氣透射率對測溫的影響可忽略不計，而環(huán)境溫度，發(fā)射率和測溫距離等因素對測溫的影響集中反映在背景環(huán)境上。隨著測溫儀與被測目標(biāo)體之間的距離增大，測溫視場逐漸增大。視場范圍中，超出目標(biāo)體表面積的部分所占比例逐漸增大，導(dǎo)致測溫過程中受到背景環(huán)境的影響逐漸增大，測溫誤差增大。由于實驗中目標(biāo)物體的溫度高于環(huán)境溫度，目標(biāo)物體的發(fā)射率高于背景發(fā)射率，故溫度曲線呈下降趨勢。因此背景溫度與被測目標(biāo)溫度相差越大，溫度下降趨勢越明顯。

圖3 被測目標(biāo)表面溫度為58℃和80℃情況下紅外測溫儀溫度曲線(環(huán)境溫度為33℃)Fig.3 The temperatures curve of infrared thermometer when the situation of target temperature is 58℃ and 80℃(ambient temperature is 33℃)

圖3中可以看出，隨著測溫距離的逐漸增加，所測溫度值曲線下降趨勢趨于平穩(wěn)并且逐漸靠近環(huán)境溫度。這是由于當(dāng)測溫儀與目標(biāo)體之間的距離增大到一定程度后，背景環(huán)境在整個測溫儀視場范圍內(nèi)的比例已經(jīng)很大，背景溫度成為影響測溫儀所測溫度的決定性因素。雖然隨著距離的增加視場范圍繼續(xù)擴大，但溫度在接近背景溫度后，下降趨勢將變緩。

設(shè)實驗中黑體的表面溫度為80℃，測溫儀與黑體之間的距離為9 m(超出有效距離)，此時紅外測溫儀測得的黑體的溫度為54℃，采用酒精溫度計測得環(huán)境溫度為33℃。由于測量距離相對較近，可以忽略大氣透射率的影響。黑體開口表面積為A0=πr2，r為黑體開口的半徑。采用上述誤差修正公式(7)對測量誤差進行修正，得到修正后的溫度為75.83℃，與黑體表面溫度真實值相近，極大降低了測溫誤差。當(dāng)測溫條件不允許近似計算時，可采用通用公式(5)進行修正。圖4中可以看出，與修正前相比，修正后的溫度值與被測目標(biāo)體真實溫度之間的誤差明顯降低，可以滿足測溫需求，提高了紅外測溫儀超出有效測溫距離之后的測溫準(zhǔn)確度。

圖4 三種實驗的溫度值修正前后的誤差對比曲線圖Fig.4 the comparison curves of temperatureerrors of 3 experiments before and after correction

4 結(jié)論

本文在分析紅外測溫原理的基礎(chǔ)上，提出了一種視場超出目標(biāo)輻射表面積的紅外測溫系統(tǒng)誤差修正方法。利用此方法對三組視場超出目標(biāo)輻射表面積的溫度數(shù)據(jù)進行修正。與修正前相比，測量溫度值與目標(biāo)真實溫度之間的最大相對誤差由0.607，0.374 和0.481 下降至0.093，0.058 和 0.034，修正效果明顯。因此在不增加操作難度的情況下，本方法一定程度上解決了紅外測溫儀瞬時視場超過被測目標(biāo)表面積時，誤差顯著增大的問題，在工程應(yīng)用中具備較好的實用價值。

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