電力工業(yè)中的新型紅外溫度傳感器

在電力生產(chǎn)過程中，溫度測量與控制十分重要，溫度參數(shù)的準(zhǔn)確測量對電能的輸出品質(zhì)、生產(chǎn)效率和安全可靠的運(yùn)行至關(guān)重要。目前，在電力生產(chǎn)和檢修過程中已逐漸開始采用先進(jìn)的紅外溫度計等非傳統(tǒng)測溫傳感器，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱電偶、熱電阻類的熱電式溫度傳感器，從而實(shí)現(xiàn)電力的生產(chǎn)過程或者重要設(shè)備的溫度監(jiān)視和控制。

　　紅外溫度傳感器的原理和優(yōu)點(diǎn)

　　紅外輻射俗稱紅外線，是指輻射波長大致為0.75-1000mm頻譜范圍內(nèi)的電磁波。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，當(dāng)物體溫度處于絕對零度以上時，其內(nèi)部帶電粒子的熱運(yùn)動就會向外發(fā)射出紅外線。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線就會越多，紅外輻射的能量也就越強(qiáng)。紅外溫度計是基于物體紅外輻射的能量大小及其波長的分布，與物體表面溫度的對應(yīng)關(guān)系，并通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，來準(zhǔn)確地測定物體的表面溫度。

　　與熱電偶、熱電阻等常規(guī)溫度傳感器相比，紅外溫度計具有測溫范圍寬、壽命長、性能可靠、反應(yīng)極快和非接觸性等諸多優(yōu)點(diǎn)。另外，紅外溫度計還特別適合測量腐蝕性的介質(zhì)和運(yùn)動物體的溫度，而且不會破壞到被測對象的溫度場。

　　近年來，隨著微處理器芯片和紅外測溫傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，紅外測溫傳感器的性能得到不斷的提高，其適用范圍已經(jīng)可以覆蓋到低、中、高溫的不同區(qū)段。

　　電氣設(shè)施及過程測控中的中低溫紅外溫度傳感器

　　英國Calex電子公司生產(chǎn)的PyroCoupleM系列微型化紅外溫度傳感器，其測溫范圍為-20℃～+500℃，精度可達(dá)讀數(shù)的±1%，重復(fù)性為讀數(shù)的±0.5%，響應(yīng)時間是200ms，防護(hù)等級達(dá)IP65，并可在環(huán)境溫度范圍為0℃～70℃和相對濕度為95%下的環(huán)境中使用，而且可以輸出電流、電壓或熱偶信號。在發(fā)電廠，其主要用于非接觸方式實(shí)時測量鍋爐空預(yù)器、匯流排、重要斷路器、電機(jī)軸承、電機(jī)繞組、變壓器繞組、UPS或其它電氣接頭處的溫度，并用來及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的熱點(diǎn)或連接故障等，從而提供電氣系統(tǒng)或設(shè)備的診斷、狀態(tài)檢修和維護(hù)等。

　　Fluke下屬的雷泰公司新推出的CM系列的小型集成式紅外溫度計，其輸出信號為0-5V或J、K型熱電偶的連續(xù)信號和開關(guān)報警的觸點(diǎn)信號，并帶有RS232的數(shù)字通訊接口，探頭狀態(tài)以及自診斷顯示LED，專用于工業(yè)制造流程的連續(xù)溫度監(jiān)視。在現(xiàn)場電磁干擾大的場合，可用于替代易受影響的普通熱電偶和熱電阻等。該溫度計響應(yīng)時間快，可達(dá)150ms，能夠?qū)崿F(xiàn)疏水管線溫度、疏水袋溫差式水位和抽氣管線積水的探測等場合的實(shí)時監(jiān)測功能，完全可以滿足電廠的防進(jìn)水保護(hù)，以及檢測的快速響應(yīng)時間和可靠性要求。

　　爐膛應(yīng)用中的紅外高溫計

　　一般測量高溫(700℃以上)的紅外溫度計，它的有用波段主要在0.76～3mm的近紅外區(qū)，透射的光學(xué)材料主要是選用光學(xué)玻璃或石英等。

　　雷泰公司生產(chǎn)的Marathon系列紅外測溫儀是專為惡劣的工業(yè)環(huán)境應(yīng)用所設(shè)計的工業(yè)級產(chǎn)品，測溫范圍為-40℃～3000℃，這款紅外測濕儀擁有高性能的光學(xué)鏡頭，光學(xué)分辨率最高可達(dá)300:1，響應(yīng)時間有2ms、60ms和120ms三種可選，并具備IP65的防護(hù)等級，可以防止安裝、設(shè)置和使用過程中的污染和損傷。而且?guī)?biāo)準(zhǔn)的模擬量、數(shù)字量和分布式的繼電器輸出，能夠同時傳輸數(shù)據(jù)、報警觸發(fā)和控制信號。內(nèi)置智能型的電路盒以及易于使用的操作界面等。此外，該紅外測溫儀堅(jiān)固的不銹鋼外殼也可以確保在苛刻的工業(yè)環(huán)境下能夠安全使用。

　　通過電廠的鍋爐爐膛和后爐膛區(qū)的溫度，不僅可以直接反應(yīng)出其內(nèi)燃料的燃燒強(qiáng)度的大小，燃燒過程中的效率優(yōu)劣，而且還能間接地影響到鍋爐的受熱面以及后續(xù)流程(如脫硝、灰份的控制等)的正常運(yùn)行。從電廠的安全控制和效率角度來看，爐膛區(qū)的溫度是十分重要的，而且需要運(yùn)行監(jiān)視的關(guān)鍵參數(shù)。在歐洲，有相當(dāng)一部分電廠或鍋爐的制造商(如法國Stein鍋爐)即采用上述類型的紅外光學(xué)高溫計，用來測量大型的鍋爐爐膛斷面的煙氣溫度，并借此實(shí)現(xiàn)鍋爐的全爐膛的火焰檢測和爐膛滅火的保護(hù)功能。

　　紅外成像儀的應(yīng)用優(yōu)勢

　　在電廠，運(yùn)行或檢修人員不僅需要知道被控對象表面的平均溫度，有時更需要知曉被監(jiān)測對象的溫度場的分布情況，以便分析和研究運(yùn)行是否正常，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否存在缺陷等。與先前敘述的點(diǎn)式紅外測溫傳感器不同，紅外成像儀則是采用面式測溫方式，能將對象的溫度場的分布以圖像形式直觀地顯示出來，以滿足溫度場監(jiān)視的需要。

　　紅外成像儀主要是檢測波長范圍在0.9～14mm內(nèi)的紅外電磁頻譜區(qū)的輻射量，通過熱圖像技術(shù)，給出熱輻射體的溫度值及溫度場分布圖，并轉(zhuǎn)換成可見的熱圖像。大多數(shù)的成像儀不是采用常規(guī)的CCD或CMOS傳感元件，而是采用特殊的FPA(焦平面陣列)，以感應(yīng)更長的波長段。最常用的FPA有InSb，InGaAs，HgCdTe和QWIP等。目前，世界上最先進(jìn)的紅外成像儀的溫度靈敏度可高達(dá)0.03℃。

　　在實(shí)際使用紅外熱像儀時，只需要將熱范圍、熱水平、大氣溫度、環(huán)境溫度、被測物體的發(fā)射率以及測量距離等相關(guān)的參數(shù)輸入到儀表內(nèi)嵌計算機(jī)，就可以自動地得出溫度分布等結(jié)果。

　　紅外成像儀可以快捷和準(zhǔn)確地探測電氣設(shè)備的接頭松動或不良接觸、負(fù)荷不平衡、過載、過熱等隱患(這些隱患可能造成的潛在危害是產(chǎn)生電弧、短路、設(shè)備起火或燒毀，以致釀成更加嚴(yán)重的事故或火災(zāi)等)。對于所有可以直接看見的設(shè)備，紅外成像儀能夠確定所有連接點(diǎn)的熱隱患，而對于那些由于遮蔽導(dǎo)致無法直接看到的部分，則可以根據(jù)其熱量傳導(dǎo)到外面部件上的情況來發(fā)現(xiàn)其潛在的隱患。這種情況對傳統(tǒng)的檢測方法來說，除解體檢查外，沒有其它更好的辦法。由此可見，在斷路器、導(dǎo)體、母線以及其它部件的運(yùn)行測試方面，紅外成像儀的作用是無可取代的。

　　另外，紅外成像儀也可以很容易地探測到輸電或供電回路過載或三相負(fù)載的不平衡情況。

　　紅外成像儀的檢測實(shí)例

　　在美國，有幾十家公司能夠提供紅外成像儀的檢查服務(wù)，他們可以為電力客戶的所有電氣設(shè)備、配電系統(tǒng)，包括高壓接觸器、熔斷器盤、主電源斷路器盤、接觸器以及所有的配電線、電動機(jī)和變壓器等來進(jìn)行紅外成像儀的檢查，以保證客戶所有運(yùn)行的電氣設(shè)備不存在潛伏性的熱隱患，并能夠有效地防止火災(zāi)事故的發(fā)生。圖4為利用成像儀可以輕松地檢測出左側(cè)熔斷器工作異常的紅外熱圖像。

　　此外，紅外成像儀還可通過用于監(jiān)視鍋爐爐膛的火焰和汽包的水位，來判定設(shè)備冷卻管是否堵塞不暢、汽輪發(fā)電機(jī)組或風(fēng)機(jī)/泵組/電機(jī)等軸承溫度是否過高、疏水管線的疏水是否流暢、調(diào)節(jié)閥/關(guān)斷閥等是否存在內(nèi)部泄漏、工藝管道或容器運(yùn)行是否正常、危險或有害氣體是否外漏等非正?，F(xiàn)象。例如，SF6(六氟化硫)是一種溫室氣體，其溫室效應(yīng)是CO2氣體有害程度的23900倍。而且由于它具有絕緣強(qiáng)度高，熱傳導(dǎo)性能良好和優(yōu)異的滅弧性能等優(yōu)點(diǎn)，因此，在高電壓的設(shè)備中普遍采用SF6氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)。