周 吉

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在線式接觸網(wǎng)紅外測(cè)溫裝置測(cè)溫誤差分析

周 吉

結(jié)合在線式接觸網(wǎng)紅外測(cè)溫裝置的工作原理和特點(diǎn)，通過實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了測(cè)溫距離和鍺窗口透過率對(duì)測(cè)溫誤差的影響，提出測(cè)溫誤差矯正補(bǔ)償方法，以提高供電檢測(cè)精確度，從而指導(dǎo)鐵路供電設(shè)備的檢修維護(hù)，提高設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量。

接觸網(wǎng)測(cè)溫；誤差分析；矯正補(bǔ)償

0 引言

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所、接觸網(wǎng)、電力機(jī)車3部分構(gòu)成。牽引變電所將來自國(guó)家電網(wǎng)的110 kV、220 kV高電壓降為27.5 kV，并以單相電的形式輸送至接觸網(wǎng)為電力機(jī)車供電；接觸網(wǎng)是架設(shè)在鐵路線路上空，向電力機(jī)車供給電能的一種特殊形式的輸電線路；而電力機(jī)車則依靠自身攜帶的受電弓與接觸網(wǎng)滑動(dòng)摩擦接觸獲取接觸網(wǎng)輸送的電能作為能量，由機(jī)車上的牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)車行進(jìn)。

在線式接觸網(wǎng)紅外測(cè)溫裝置（以下簡(jiǎn)稱測(cè)溫裝置）安裝在電力機(jī)車上，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)關(guān)鍵零部件進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度測(cè)量，并對(duì)高溫異常缺陷進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)監(jiān)測(cè)。該裝置采用紅外相機(jī)對(duì)接觸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全天候、全工況、非接觸式溫度測(cè)量，具有遠(yuǎn)距離、不停電、不接觸、直觀、快速、安全、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[3]。研究該紅外測(cè)溫裝置的測(cè)溫誤差影響因素，并進(jìn)行針對(duì)性矯正補(bǔ)償，可全面提高接觸網(wǎng)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，有利于指導(dǎo)鐵路供電設(shè)備檢修維護(hù)，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

1 測(cè)溫裝置的工作原理

自然界中的任何物體，只要溫度高于絕對(duì)零度（-273 ℃），就會(huì)以電磁波的形式向外輻射能量。當(dāng)物體的溫度在1 000 ℃以下時(shí)，熱輻射最強(qiáng)的是紅外輻射。高壓電氣設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，會(huì)向外輻射一定的紅外熱量[2]，因此利用紅外相機(jī)（紅外熱像儀）對(duì)鐵路接觸網(wǎng)進(jìn)行溫度測(cè)量從而達(dá)到檢測(cè)故障的目的是可行的[11]。

測(cè)溫裝置主要由護(hù)罩、紅外鍺窗口、紅外相機(jī)等構(gòu)成。其典型應(yīng)用是安裝在電力機(jī)車的車頂（圖1），隨著列車的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線接觸網(wǎng)區(qū)域的實(shí)時(shí)溫度測(cè)量，并對(duì)其中的典型高溫異常缺陷進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警。接觸網(wǎng)設(shè)備諸如接觸線、吊弦線夾、絕緣子、錨段、分段絕緣器等向周圍環(huán)境輻射能量，能量通過空氣傳輸，穿過紅外鍺玻璃，進(jìn)入紅外相機(jī)內(nèi)部。之后，該部分輻射的能量被紅外探測(cè)器（sensor）接收，通過光電（熱電）轉(zhuǎn)換，能量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過A/D采樣量化以及必要的濾波處理，轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，最終以紅外圖片的形式輸出。測(cè)溫裝置的工作原理[5，6]如圖2所示。

2 測(cè)溫誤差影響因素分析

由物體發(fā)出的紅外輻射在穿過大氣到達(dá)紅外相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，其衰減主要來自氣體分子（二氧化碳、硫化物、氮氧化合物、水蒸氣等）和各種微粒（塵埃、雨、雪等）的吸收和散射[2]，氣體分子吸收輻射，微粒散射輻射。衰減使得物體發(fā)出的紅外輻射無法全部進(jìn)入到測(cè)溫裝置，被測(cè)物體與測(cè)溫裝置之間的距離越遠(yuǎn)，輻射衰減越嚴(yán)重，測(cè)溫裝置的測(cè)溫誤差越大。

圖1 在線式接觸網(wǎng)紅外測(cè)溫裝置示意圖

圖2 測(cè)溫裝置工作原理

為驗(yàn)證測(cè)溫距離對(duì)測(cè)溫精度的影響，采用經(jīng)國(guó)家計(jì)量單位校準(zhǔn)的黑體作為標(biāo)準(zhǔn)熱源，測(cè)溫裝置位于不同距離的工作位置時(shí)，采集黑體靶面中心測(cè)量的平均溫度值。另外，為了使紅外相機(jī)能夠準(zhǔn)確聚焦、清晰成像，測(cè)溫裝置根據(jù)不同測(cè)溫距離，適配相應(yīng)焦距的鏡頭。采集的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)溫距離越長(zhǎng)，溫度誤差越大。

從圖2中不難發(fā)現(xiàn)，物體輻射的熱量在進(jìn)入到相機(jī)之前，必須透過護(hù)罩外的紅外鍺材料光學(xué)窗口。紅外鍺窗口作為一種光學(xué)玻璃器件，在紅外輻射透過的同時(shí)，必然會(huì)發(fā)生散射、折射甚至吸收部分能量[4，7]。因此，鍺窗口的透過率會(huì)影響測(cè)溫裝置的測(cè)溫精度[8，9]。為了驗(yàn)證鍺窗口透過率對(duì)測(cè)溫精度的影響，選擇使用年限不同的幾種鍺窗口安裝在測(cè)溫裝置護(hù)罩上，并在5 m遠(yuǎn)工作位置處放置黑體進(jìn)行測(cè)溫對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可知，使用年限越長(zhǎng)的鍺窗口，測(cè)溫誤差越大。

表1 不同測(cè)溫距離對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響 ℃

表2 不同使用年限的鍺窗口測(cè)溫結(jié)果對(duì)比 ℃

3 測(cè)溫裝置誤差矯正補(bǔ)償

根據(jù)上一節(jié)的描述和相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，影響測(cè)溫裝置測(cè)溫誤差的因素為被測(cè)目標(biāo)與測(cè)溫裝置的距離及鍺窗口透過率。因此，接觸網(wǎng)上被測(cè)目標(biāo)的真實(shí)溫度可以表示為

=0+(1) +(2) （1）

式中，0為相機(jī)實(shí)際測(cè)量的溫度；(1)為對(duì)測(cè)溫距離造成誤差的補(bǔ)償；(2)為對(duì)鍺窗口透過率造成誤差的補(bǔ)償。

針對(duì)不同工作距離引起的測(cè)溫誤差，根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)測(cè)溫裝置在不同工作距離下的測(cè)溫誤差，繪制得到圖3所示的二維折線圖。

圖3 不同距離的測(cè)溫誤差

顯然，測(cè)溫距離不同造成的測(cè)溫誤差，其補(bǔ)償矯正(1)可用一個(gè)線性函數(shù)表示，即

(1) =+（2）

不同測(cè)溫距離對(duì)應(yīng)的測(cè)溫補(bǔ)償矯正函數(shù)的參數(shù)略有區(qū)別，根據(jù)表1和圖3中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，利用函數(shù)擬合可以給出5～11 m測(cè)溫距離內(nèi)的和這2個(gè)參數(shù)的取值，如表3所示。實(shí)際測(cè)溫矯正補(bǔ)償過程中，根據(jù)該表格查找測(cè)溫裝置工作距離對(duì)應(yīng)的參數(shù)即可。根據(jù)測(cè)溫裝置的實(shí)際應(yīng)用，不存在測(cè)溫工作距離低于5 m或超過11 m的情況。如果在實(shí)際應(yīng)用過程中，受到電力機(jī)車車頂安裝空間等因素的限制，測(cè)溫裝置的實(shí)際工作距離無法在表3中查找到，則需要利用分段線性插值的方法進(jìn)行計(jì)算，即

式中，D和D+1代表測(cè)溫裝置實(shí)際工作距離處于表3的上下區(qū)間范圍，k和k+1表示上下區(qū)間對(duì)應(yīng)的距離誤差補(bǔ)償參數(shù)。

針對(duì)鍺窗口透過率引起的測(cè)溫誤差，根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)測(cè)溫裝置配置不同使用年限的鍺窗口所引起的測(cè)溫誤差，得到圖4所示的二維折線圖。

表3 測(cè)溫距離誤差矯正補(bǔ)償參數(shù)

圖4 不同使用年限的鍺窗口測(cè)溫誤差

根據(jù)表2和圖4中的相關(guān)數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)鍺窗口透過率引起的測(cè)溫誤差可以表示為

(2) = (1-)（5）

其中，紅外鍺窗口透過率定義為

式中，1為未使用鍺窗口遮擋的情況下，紅外相機(jī)測(cè)量的黑體溫度；2為使用鍺窗口遮擋情況下，紅外相機(jī)測(cè)量的黑體溫度。

對(duì)表2所使用的幾種鍺窗口的透過率進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見表4。

表4 鍺窗口透過率對(duì)比分析

綜合以上計(jì)算式，被測(cè)目標(biāo)的真實(shí)溫度可表示為

綜上所述，對(duì)測(cè)溫裝置測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行溫度矯正的步驟如下：

（1）根據(jù)測(cè)溫裝置的工作距離，參考表3選取相應(yīng)的距離矯正系數(shù)和；

（2）測(cè)量鍺窗口透過率，計(jì)算方法見式（6）；

（3）將相應(yīng)的參數(shù)代入式（7），計(jì)算得到被測(cè)目標(biāo)的真實(shí)溫度值。

為了驗(yàn)證以上溫度矯正補(bǔ)償方法的實(shí)際效果，隨機(jī)選取了測(cè)溫距離分別為5、7、9、11 m，鍺窗口使用年限在0～5年之間的測(cè)溫裝置，其進(jìn)行溫度矯正之后的測(cè)溫結(jié)果如表5所示。由表5數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過矯正補(bǔ)償后的測(cè)溫結(jié)果其誤差值大大降低，不同距離的測(cè)溫最大誤差值均在2 ℃以下，滿足《車載接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)裝置（3C）暫行技術(shù)條件》和《接觸網(wǎng)供電設(shè)備地面監(jiān)測(cè)裝置（6C）暫行技術(shù)條件》中測(cè)溫精度±2 ℃的相關(guān)要求。

表5 經(jīng)過矯正補(bǔ)償?shù)臏y(cè)溫結(jié)果 ℃

4 結(jié)語

本文根據(jù)在線式接觸網(wǎng)紅外測(cè)溫裝置的應(yīng)用場(chǎng)景和工作原理，分析并試驗(yàn)了測(cè)溫裝置誤差主要影響因素為測(cè)溫距離和鍺窗口透過率。結(jié)合接觸網(wǎng)紅外測(cè)溫裝置的實(shí)際應(yīng)用情況，通過相關(guān)分析，給出測(cè)溫裝置的溫度矯正補(bǔ)償計(jì)算方法，并對(duì)矯正補(bǔ)償效果進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該溫度矯正補(bǔ)償方法實(shí)用有效，可提高測(cè)溫的精確度。

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With connection to the working principles and characteristics of online OCS infrared temperature measurement device, and with analyzing the influences to the temperature measurement error caused by the distance for temperature measurement and window of transmittance of germanium on the basis of practical tested data, the corrective and compensative method for temperature measurement is put forward so as to improve the power supply inspection accuracy, guide the inspection and maintenance of railway power supply equipment and improve the equipment operation quality.

Temperature measurement of OCS; analysis of error; correction and compensation

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.013

U226.8

B

1007-936X(2018)05-0047-04

2018-03-26

周 吉.中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司供電處，工程師。