本文主要描述如何采用紅外溫度陣列對(duì)當(dāng)今工業(yè)電力開關(guān)柜/匯流箱的熱圖像和故障進(jìn)行在線的非接觸檢測(cè)。
電力系統(tǒng)運(yùn)行中，載流導(dǎo)體會(huì)因?yàn)殡娏餍?yīng)產(chǎn)生電阻損耗，在電能輸送的整個(gè)回路上存在數(shù)目繁多的連接件、接頭或觸頭。一般情況下它們的接觸電阻低于相連導(dǎo)體部分的電阻，然而一旦某些連接件、接頭或觸頭因連接不良，會(huì)造成接觸電阻增大，對(duì)應(yīng)有更多的電阻損耗和更高的溫升，產(chǎn)生局部過熱。電力行業(yè)中，通常運(yùn)用紅外溫度傳感器在電力設(shè)備的安全檢修上，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理、預(yù)防重大事故的發(fā)生起到關(guān)鍵且有效的作用。
紅外溫度檢測(cè)有以下幾種方式：
1.單點(diǎn)溫度檢測(cè) – 利用單個(gè)溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)熱點(diǎn)的探測(cè)。該方式成本低，但卻不能有效地確認(rèn)發(fā)熱故障點(diǎn)，另外開關(guān)柜一般同時(shí)需要檢測(cè)好幾個(gè)接頭或觸頭，需要的傳感器數(shù)目也要增加；
2.紅外熱成像技術(shù) – 應(yīng)用非制冷紅外焦平面陣列的探測(cè)器。這種方式測(cè)溫范圍廣，精度高，但造價(jià)昂貴，且體積較大，不易集成和大規(guī)模使用；
3.Melexis的紅外陣列產(chǎn)品 - MLX90620 可有效地綜合上述兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，它集成64個(gè)紅外熱電堆和信號(hào)處理電路于同一TO-39封裝，并具有-50℃到300℃測(cè)溫范圍內(nèi)出廠校準(zhǔn)化，可同時(shí)感測(cè)64個(gè)點(diǎn)的物體溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)視場(chǎng)內(nèi)物體表面溫度分布的熱圖像或是目標(biāo)區(qū)域不同點(diǎn)的溫度讀數(shù)，能滿足電力開關(guān)柜內(nèi)多點(diǎn)溫度檢測(cè)的需要，并且體積小，易集成。
此外MLX90620還將許多功能，如高速I2C數(shù)字輸出、可調(diào)幀率（0.5Hz到64Hz）整合與一體。
MLX90620應(yīng)用于電力開關(guān)柜設(shè)備溫度檢測(cè)的連接圖非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樾酒С諭2C通信，應(yīng)用時(shí)只需外部連接MCU的I2C通信I/O口即可，具體電路圖如下所示：
圖1 MLX90620和MCU的連接圖
芯片內(nèi)部集成PTAT和64個(gè)紅外熱電堆，能實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度Ta和物體溫度To1到To64的測(cè)量，測(cè)量的原始數(shù)據(jù)存放于RAM中，外部MCU通過I2C接口來獲取，結(jié)合芯片內(nèi)EEPROM的校準(zhǔn)數(shù)值，來共同計(jì)算最終的環(huán)境溫度Ta和物體溫度To。圖2給出I2C接口讀取整個(gè)紅外熱電堆測(cè)量原始數(shù)據(jù)的波形圖。
圖2 MLX90620的I2C通信波形圖
應(yīng)用舉例：采用MLX90620測(cè)量太陽能光伏合盒內(nèi)部接點(diǎn)松動(dòng)的發(fā)熱故障。左圖給出松動(dòng)點(diǎn)的位置，右圖給出MLX90620的測(cè)量結(jié)果，最高溫度點(diǎn)To31對(duì)應(yīng)于松動(dòng)接點(diǎn)的溫度，同時(shí)給出了周邊四個(gè)相鄰像素To27、To30、To32和To35的溫度讀數(shù)。
圖3 MLX90620測(cè)量接點(diǎn)松動(dòng)的溫度效果圖
另外也可以對(duì)整個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，下圖給出所測(cè)像素點(diǎn)溫度曲線的變化圖。應(yīng)用中電路施加恒定的電壓，并通一較大的電流（10A-20A），可以觀察到測(cè)量物體溫度呈上升并恒定趨勢(shì)，環(huán)境溫度基本保持恒定。
圖 4 所測(cè)發(fā)熱點(diǎn)溫度及相鄰像素溫度變化圖
結(jié)論：MLX90620可大大簡(jiǎn)化2D熱成像系統(tǒng)，并能實(shí)時(shí)捕獲64個(gè)像素的熱圖像，非常適合通過檢測(cè)電力開關(guān)柜/匯流箱的熱圖像來判斷電力設(shè)備故障，從而快速進(jìn)行保護(hù)。另外由于其本身的在線監(jiān)測(cè)和測(cè)試精度，也可廣泛應(yīng)用于微波爐、辦公以及家居綠色HVAC系統(tǒng)；汽車空調(diào)系統(tǒng)和近距離盲點(diǎn)檢測(cè)。