红外线测温仪自校准误差比对方法的研究

1 黑体辐射与红外测温原理
    一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系，因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，测温仪的光学系统在探测器上转为电信号并通过红外测温仪的显示部分显示出被测物体的表面温度，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。
    红外测温仪特点：非接触式测量，测温范围广，响应速度快，灵敏度高，但由于受被测对象的发射率影响，几乎不可能测到被测对象的真实温度，测量的是表面温度。
    红外线测温仪的标准化检定方法是采用黑体炉检定。黑体是指在任何情况下对一切波长的入射辐射的吸收率都等于1的物体，黑体是一种理想化的物体模型，因此引入了一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，即发射率，它的定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。物体的辐射与吸收红外辐射规律满足基尔霍夫定律，当一束辐射投射到任一物体表面时，根据能量守恒原理，物体对入射辐射的吸收率、反射率、透过率三者之和必等于1，一般发射率不容易测定，通常可通过测量吸收率来确定发射率，所以黑体辐射源作为辐射标准用来检定各种红外辐射源的辐射强度。
    红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。被测物体和反射源的辐射线经调制器解调后输入到红外检测器。两信号的差值经反放大器放大并控制反馈源的温度，使反馈源的光谱辐射亮度和物体的光谱辐射亮度一样。显示器指示出被测物体亮度温度。红外测温仪所测的温度是物体的辐射温度而不是物体的实际温度，由于绝对黑体是不存在的，在同一温度下实际物体热辐射总量总比绝对黑体辐射总量小，所以红外线测温仪测出的温度肯定应小于物体的真实温度。测温时应尽可能的将红外测温仪发射率设置(针对可调节发射率的红外线测温仪)成与被测材料相同的发射率值的发射率，尽可能使测量示值与被测物的真实温度一致。
    红外线测温仪目前用途广泛，已成为检测电气设备缺陷的重要工具。由于长期用于生产一线，现场测试变电站的电气设备出线接头、T型线夹、穿墙套管接头、母排节点、刀闸刀口、电缆接头；输电线路的导线连接管、线夹或导线连接处等。由于现场使用环境恶劣以及日常维护保养不当可能引起运行中的红外线测温仪不能准确测量甚至设备故障，导致测量失准，影响电网安全稳定运行。本文根据红外测温原理研究了运行中的红外线测温仪自校准方法，简单易行，使用单位可根据此方法自制自校准设备，在现场测试前对红外线测温仪进行自校准比对，判断红外线测温仪是否处于良好的工作状态，可开展测试工作，以减少安全隐患。

2 红外线测温仪的自校准方法介绍
    红外线测温仪确保测温精度最重要的因素是发射率，到光斑的距离，光斑的位置，视场。通过与红外测温专家和设备生产厂家技术人员的沟通和咨询，经过多种方法反复实践，参照黑体炉的原理自制了一套校准设备，并通过比对的方法验证了该方法自校准比对切实可行。自校准时完成基本误差的比对、测量距离变化影响、以及发射率的范围的确定，测试前将红外线测温仪调整到最佳状态再用于现场测试。
    现将红外线测温仪的自校准方法介绍如下：
2．1 自制简易黑体水箱
    参照黑体炉的原理和实际工作经验，在自校准中采用的比对标准是自制简易黑体水箱，水箱规格为450 mmx300 mm，自铁皮制作，内部装有电加热器。用一块稳定性较好的1．5级压力式温度计(可用检定过的玻璃液体温度计代替)作为标准器测试水箱内温度，考虑到由于对大多数有机材料、油漆或氧化表面的表面温度进行测量时要用黑胶布或平光黑漆涂于被测表面加以补偿，使黑胶布或黑漆达到与基底材料相同温度时，测量胶布或漆表面的温度，即为真实温度的工作经验。同时考虑光斑定位测试，用80 mmx80 mm的黑胶布粘贴在与压力式温度计探头同一深度的液面，待水箱中的水沸腾5 min后，水箱中的温场均匀时用红外线测试仪瞄准黑胶布中心点进行比对。

2．2 量值传递溯源
    为了保证开展的自校准工作有效，使用的比对标准器为BWY-803温度控制器，溯源到本企业二等水银温度计标准装置。[page]

2．3 技术要求
    红外线测温仪的基本误差和测量距离变化影响不超过表一的规定。

2．4 校准项目
    根据现场使用情况及实践经验，校准项目主要完成外观检查、基本误差的测定、测量距离变化影响的测定和发射率的范围确定。
2．5 校准方法
2．5．1 外观检查
    1)各部分装配完好，无缺损；
    2)字符、标志、刻度应完成清晰；
    3)外观和零部件应有良好处理，不得有锈蚀和霉斑；
    4)如出现“BAT”提示，及时更换电池；
    5)物镜、目镜无损伤，瞄准应清晰，如环境灰尘较大，应清洁透镜表面，用清洁空气吹掉表面浮尘，或用软毛刷刷掉灰尘。
2．5．2 基本误差的测定
    注意环境条件，不能有水蒸气、灰尘、烟雾、二氧化碳等中间介质，否则会阻挡仪器的光学系统而影响自校准结果。将被测红外线测温仪放置在(20+2)℃室温内预热20 min后再进行自校准。此方法校准100℃点基本误差、测量距离变化影响和发射率的范围确定，对设备进行定性测试分析。加热水箱至水沸腾5 min温场恒定后进行测试，调节红外线测温仪的发射率为0．94，距离为2 m，瞄准水箱上的黑胶布中心点进行测量，根据测量结果计算误差：
    γ=[(EBC-EB)／EB]×100％
    式中：
    γ为基本误差；
    EBC为被测红外线测温仪指示值(℃)；
    EB为修正后的标准温度计指示值(℃)；
2．5．3 测量距离变化影响
    保持基本误差测定规定的条件，逐一改变测量距离为4 m、6 m、8 m、10 m、12 m进行测量，依次记录测量结果，与基本误差测定的值进行比较，测量距离变化引起的误差改变不超过表一的规定。
2．5．4 发射率的范围确定
    发射率是影响测量结果的一项重要指标，选择合适的发射率至关重要。由于长时间的现场测试可能导致红外线测温仪的发射率测量范围的改变，使用前确定发射率的范围直接影响测量结果。调整测量距离为2 m，保持红外线测温仪的指示值(℃)与标准温度计指示值(℃)一致，反复多次调节被测红外线测温仪的发射率，此时被测红外线测温仪发射率的变化范围就是它工作的正常范围。
2．6 校准条件
    1)测定红外线测温仪时，要求温度为(20±2)℃，湿度≤85％；
    2)环境清洁、无振动，无水蒸气、灰尘、烟雾、二氧化碳等中间介质。
    3)水箱中的水沸腾5 min温场稳定后进行自校准。
    4)自校准时应正对自制加热水箱黑胶布中心，重复测量时要保持测量方位、距离一致。
2．7 校准间隔
    红外线测温仪的校准间隔为现场使用前，随时校准。
2．8 检定结果的处理
    1)红外线测温仪的测量误差按0．1的间隔进行修约，保留位右边的数字对保留位的数字1来说，若大于0．5，保留位加1；若小于0．5，保留位不变；若等于0．5，保留位是偶数(0，2，4，6，8)时不变，是奇数(1，3，5，7，9)时，保留位加1。并以修约后的结果判定是否合格。
    2)检定后出具校准记录，以便资料整理及归档。记录内容包括校准地址、被测红外线测温仪的编号、负荷、校准距离、校准结果、环境温度、湿度、校准日期、时间、校准人员等。

3 结论
    在开展红外线测温仪的工作原理探讨及自校准误差比对研究工作的过程中，掌握了大量的红外知识，了解了电力红外诊断过程及方法，研究了红外线测温仪的发射率、距离系数等参数对检测结果的影响，使技术人员熟练掌握了红外线测温仪正确的使用和维护方法。通过红外线测温仪的自校准误差比对研究工作，制定了企业内部自校准规范，并经批准实施，此校准方法已在企业内部推广应用，完善了对红外线测温仪的计量监督管理。此方法可有效发现红外线测温仪故障，确保运行中的红外线测温仪处于良好的工作状态，保障了量值传递的准确可靠，提高了安全系数，保证了工作质量。