电力工业中的新型红外温度传感器

电力是现代社会使用最为广泛的二次能源，电力工业则是关系到国计民生的重要基础产业和公用事业。不言而喻，传感器相当于电力工业的视觉神经，是电力能够安全、可靠运行和保质保量稳定供应的重要保障。

在电力生产过程中，温度测量与控制十分重要，温度参数的准确测量对电能的输出品质、生产效率和安全可靠的运行至关重要。目前，在电力生产和检修过程中已逐渐开始采用先进的红外温度计等非传统测温传感器，来代替传统的热电偶、热电阻类的热电式温度传感器，从而实现电力的生产过程或者重要设备的温度监视和控制。

红外温度传感器的原理和优点

红外辐射俗称红外线，是指辐射波长大致为0.75-1000mm频谱范围内的电磁波。红外辐射的物理本质是热辐射，当物体温度处于绝对零度以上时，其内部带电粒子的热运动就会向外发射出红外线。物体的温度越高，辐射出来的红外线就会越多，红外辐射的能量也就越强。红外温度计是基于物体红外辐射的能量大小及其波长的分布，与物体表面温度的对应关系，并通过对物体自身辐射的红外能量的测量，来准确地测定物体的表面温度。

与热电偶、热电阻等常规温度传感器相比，红外温度计具有测温范围宽、寿命长、性能可靠、反应极快和非接触性等诸多优点。另外，红外温度计还特别适合测量腐蚀性的介质和运动物体的温度，而且不会破坏到被测对象的温度场。

近年来，随着微处理器芯片和红外测温传感技术的迅速发展，红外测温传感器的性能得到不断的提高，其适用范围已经可以覆盖到低、中、高温的不同区段。

电气设施及过程测控中的中低温红外温度传感器

英国Calex电子公司生产的PyroCouple M系列微型化红外温度传感器（见图1），其测温范围为-20℃～+500℃，精度可达读数的±1%，重复性为读数的±0.5%，响应时间是200ms，防护等级达IP65，并可在环境温度范围为0℃～70℃和相对湿度为95%下的环境中使用，而且可以输出电流、电压或热偶信号。在发电厂，其主要用于非接触方式实时测量锅炉空预器、汇流排、重要断路器、电机轴承、电机绕组、变压器绕组、UPS或其它电气接头处的温度，并用来及时发现设备的热点或连接故障等，从而提供电气系统或设备的诊断、状态检修和维护等。

图1

图2所示为Fluke下属的雷泰公司新推出的CM系列的小型集成式红外温度计，其输出信号为0-5V或J、K型热电偶的连续信号和开关报警的触点信号，并带有RS232的数字通讯接口，探头状态以及自诊断显示LED，专用于工业制造流程的连续温度监视。在现场电磁干扰大的场合，可用于替代易受影响的普通热电偶和热电阻等。该温度计响应时间快，可达150ms，能够实现疏水管线温度、疏水袋温差式水位和抽气管线积水的探测等场合的实时监测功能，完全可以满足电厂的防进水保护，以及检测的快速响应时间和可靠性要求。

图2

炉膛应用中的红外高温计

一般测量高温（700℃以上）的红外温度计，它的有用波段主要在0.76～3mm的近红外区，透射的光学材料主要是选用光学玻璃或石英等。

雷泰公司生产的Marathon 系列红外测温仪（见图3）是专为恶劣的工业环境应用所设计的工业级产品，测温范围为-40℃～3000℃，这款红外测湿仪拥有高性能的光学镜头，光学分辨率最高可达300:1，响应时间有2ms、60ms和120ms三种可选，并具备IP65的防护等级，可以防止安装、设置和使用过程中的污染和损伤。而且带标准的模拟量、数字量和分布式的继电器输出，能够同时传输数据、报警触发和控制信号。内置智能型的电路盒以及易于使用的操作界面等。此外，该红外测温仪坚固的不锈钢外壳也可以确保在苛刻的工业环境下能够安全使用。

图3

通过电厂的锅炉炉膛和后炉膛区的温度，不仅可以直接反应出其内燃料的燃烧强度的大小，燃烧过程中的效率优劣，而且还能间接地影响到锅炉的受热面以及后续流程（如脱硝、灰份的控制等）的正常运行。从电厂的安全控制和效率角度来看，炉膛区的温度是十分重要的，而且需要运行监视的关键参数。在欧洲，有相当一部分电厂或锅炉的制造商（如法国Stein锅炉）即采用上述类型的红外光学高温计，用来测量大型的锅炉炉膛断面的烟气温度，并借此实现锅炉的全炉膛的火焰检测和炉膛灭火的保护功能。

红外成像仪的应用优势

在电厂，运行或检修人员不仅需要知道被控对象表面的平均温度，有时更需要知晓被监测对象的温度场的分布情况，以便分析和研究运行是否正常，内部结构是否存在缺陷等。与先前叙述的点式红外测温传感器不同，红外成像仪则是采用面式测温方式，能将对象的温度场的分布以图像形式直观地显示出来，以满足温度场监视的需要。

红外成像仪主要是检测波长范围在0.9～14mm内的红外电磁频谱区的辐射量，通过热图像技术，给出热辐射体的温度值及温度场分布图，并转换成可见的热图像。大多数的成像仪不是采用常规的CCD或CMOS传感元件，而是采用特殊的FPA（焦平面阵列），以感应更长的波长段。最常用的FPA有InSb，InGaAs，HgCdTe和QWIP等。目前，世界上最先进的红外成像仪的温度灵敏度可高达0.03℃。

在实际使用红外热像仪时，只需要将热范围、热水平、大气温度、环境温度、被测物体的发射率以及测量距离等相关的参数输入到仪表内嵌计算机，就可以自动地得出温度分布等结果。

红外成像仪可以快捷和准确地探测电气设备的接头松动或不良接触、负荷不平衡、过载、过热等隐患（这些隐患可能造成的潜在危害是产生电弧、短路、设备起火或烧毁，以致酿成更加严重的事故或火灾等）。对于所有可以直接看见的设备，红外成像仪能够确定所有连接点的热隐患，而对于那些由于遮蔽导致无法直接看到的部分，则可以根据其热量传导到外面部件上的情况来发现其潜在的隐患。这种情况对传统的检测方法来说，除解体检查外，没有其它更好的办法。由此可见，在断路器、导体、母线以及其它部件的运行测试方面，红外成像仪的作用是无可取代的。

另外，红外成像仪也可以很容易地探测到输电或供电回路过载或三相负载的不平衡情况。

红外成像仪的检测实例

在美国，有几十家公司能够提供红外成像仪的检查服务，他们可以为电力客户的所有电气设备、配电系统，包括高压接触器、熔断器盘、主电源断路器盘、接触器以及所有的配电线、电动机和变压器等来进行红外成像仪的检查，以保证客户所有运行的电气设备不存在潜伏性的热隐患，并能够有效地防止火灾事故的发生。图4为利用成像仪可以轻松地检测出左侧熔断器工作异常的红外热图像。

此外，红外成像仪还可通过用于监视锅炉炉膛的火焰和汽包的水位，来判定设备冷却管是否堵塞不畅、汽轮发电机组或风机/泵组/电机等轴承温度是否过高、疏水管线的疏水是否流畅、调节阀/关断阀等是否存在内部泄漏、工艺管道或容器运行是否正常、危险或有害气体是否外漏等非正常现象。例如，SF6（六氟化硫）是一种温室气体，其温室效应是CO2气体有害程度的23900倍。而且由于它具有绝缘强度高，热传导性能良好和优异的灭弧性能等优点，因此，在高电压的设备中普遍采用SF6气体作为绝缘和灭弧介质。美国FLIR公司所生产的GasfindIR LW气体高敏感度式的红外成像仪，就可以检测出20余种温室或挥发性的有机化合物气体的泄漏或排放，也能用于实时检测电力设备是否存在SF6的泄漏，从而用以保护人类赖以生存的地球环境。