ПИРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПЕРЕГРЕВА СКРУТОК ПРОВОДОВ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
43
УДК 621.384.3: 621.31 + 536.521
И. Т. РАЗУМОВСКИЙ
ПИРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПЕРЕГРЕВА СКРУТОК ПРОВОДОВ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
Предлагается пирометр для контроля перегрева скруток проводов в линиях электропередач, установленный на автомобильной платформе и состоящий из измерительного инфракрасного канала, визуального оптико-телевизионного канала и привода наведения. Прибор обслуживается оператором. Уровни контроля перегрева — 200, 400 и 600 °С при температурном разрешении не хуже 2 °С. Ключевые слова: пирометр, инфракрасный канал, визуальный канал.
Введение. Выход из строя участка линии электропередач не только создает неудобства для потребителей, но и вызывает серьезные финансовые проблемы у предприятий, эксплуатирующих данное энергооборудование. Известно, что из-за перепадов температур окружающей среды или внешних механических воздействий происходят обрывы проводов, при их же восстановлении возникают соединения, так называемые скрутки. Однако под действием неблагоприятных атмосферных условий скрутки окисляются, в результате чего их электрическое сопротивление резко возрастает, скрутки начинают перегреваться, и это снова приводит к аварийным ситуациям — разрыву проводов и отключению освещения.
Для контроля перегрева скруток проводов необходимо использовать диагностическое оборудование. Информативным видом такого оборудования может стать инфракрасный (ИК) пирометр. В настоящее время промышленность выпускает значительное число пирометров, близких по необходимым параметрам [1, 2]. Однако обеспечить контроль перегрева скруток, используя серийную аппаратуру, не удается.
Рассмотрим основные проблемы, возникающие при решении этой задачи. Первая из них связана с малыми размерами скрутки и достаточно большим до нее расстоянием. Если принять размер излучающей поверхности скрутки равным 10×80 мм2, а среднюю дистанцию до скрутки — 8 м, то требуемое поле зрения прибора будет не более 4,2′, т.е. показатель визирования прибора должен быть не менее 1:800. Столь малое поле зрения требует длиннофокусной инфракрасной оптики.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
44 И. Т. Разумовский
Вторая проблема вытекает из первой — для захвата измерительной инфракрасной сис-
темой столь малого объекта, как скрутка, прибор должен обладать чувствительной визуаль-
ной поисковой системой. Для решения этой проблемы необходим точный механический при-
вод с визирной наблюдательной системой, имеющей сменное увеличение (чтобы реализовать
большое поисковое поле и малое измерительное поле).
Третья проблема связана с точным совмещением полей зрения как измерительной, так и
визуальной систем. Для этого оптические оси этих систем должны быть аксиальны, чтобы
исключить их взаимный параллакс. Это не совсем просто, учитывая, что рабочие спектраль-
ные диапазоны измерительной (8—14 мкм) и визуальной (0,4—0,76 мкм) систем различны.
Обеспечить решение перечисленных проблем позволяет разработанный автором
специализированный ИК-пирометр, предназначенный именно для диагностики соединений
проводов на трассах линий наружного освещения. По показаниям ИК-пирометра, установ-
ленного на автомобильной платформе, ремонтная бригада, проезжая вдоль линий электропе-
редач, дистанционным способом осуществляет контроль всех скруток на перегрев, что позво-
ляет своевременно выявить и ликвидировать предаварийную ситуацию.
Устройство специализированного пирометра. Предлагаемый прибор, размещаемый в
кузове микроавтомобиля с возможностью питания от его бортовой сети, состоит из измери-
тельного инфракрасного канала 1 (рис. 1), выполненного по классической схеме. По сигналу
инфракрасного канала оценивается температура перегрева скрутки (Тп) относительно темпе-
78
9
3
4
ратуры окружающей среды в диапазоне от 200
5 до 600 °С при температурной чувствитель-
ности 2,5 °С. Результат перегрева скрутки вы-
2 водится на индикатор 2, который представля1 ет собой три разноцветных светодиода, заго-
рающиеся в зависимости от полученного ре-
зультата: зеленый светодиод — Тп < 200 °С — 6 рабочее состояние соединения; желтый свето-
10 диод — Тп = 200…400 °С — опасная ситуация, требующая быстрого устранения неисправности
11 линии; красный светодиод — Тп > 600 °С — аварийная ситуация, требующая немедленной
Рис. 1
ликвидации неисправности. Грубое наведение прибора на искомую скрутку осуществляется
оператором посредством механического визира 3, и далее поиск ведется при помощи оптико-
телевизионного визира 4 с отображением получаемой информации на экране монитора 5 (в
поле зрения выводятся два смежных изолятора, провода и скрутки).
Поиск скрутки оператор осуществляет вначале при малом увеличении. Окончательное
наведение на скрутку достигается при наибольшем увеличении визуального канала.
Непременное условие правильной работы прибора — согласованность полей зрения из-
мерительного и визуального каналов, что достигается точной их юстировкой при помощи
подвижек призмы 8 и зеркала 9.
Пирометр установлен на двухкоординатном поворотном устройстве 6. Дополнительным
необходимым элементом прибора служит устройство 10 его крепления к полу 11 автомобиля.
Измерительный инфракрасный канал. Измерительный инфракрасный канал (рис. 2)
работает следующим образом. Инфракрасное излучение от исследуемой поверхности прохо-
дит через зеркальный объектив 1, оптический фильтр 2, прозрачный в области 8—14 мкм,
вибратор 3 и фокусируется на фотоприемнике 5. Электрический сигнал U с приемника излу-
чения подается в блок обработки 6, где реализуется синхронное детектирование. С помощью
генератора опорного напряжения 4 вырабатываются импульсы тока, которые управляют ра-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
Пирометр для контроля перегрева скруток проводов линий электропередач
45
ботой электронного реле в блоке 6. Из блока обработки сигнал поступает на пороговое устройство 7 и далее на трехцветный светодиодный индикатор 8.
1
70° 4
2 3 6 78 5
Рис. 2
Основные параметры измерительного канала. Определим угловое поле ( ωоб ) объекта
измерения (скрутки) по следующей формуле: tgωоб = a / L , где а — наименьший размер объекта, L — расстояние до объекта. Пусть размер скрутки 10×80 мм2, расстояние до объекта 8 м. Тогда, подставив численные значения, получим
tgωоб = 10 / 8000 = 0, 00125, ωоб = 4, 2′ .
По этой же формуле определим угол между двумя ближайшими изоляторами при наблюдении их на дистанции 8 м: tgωиз = l / L′ , где l =250 мм — расстояние между двумя изоляторами, L′ — расстояние до изоляторов. Таким образом, получаем
tgωиз = 250 / 8000 = 0, 03125, ωиз = 1D45′ .
Исходя из полученных данных максимальное поле зрения визуального канала должно
быть не менее 1°45′, а минимальное — не более 4,2′. В разработанном приборе использован пироэлектрический приемник излучения БП2-6 с
диаметром чувствительной площадки 0,3 мм. Чтобы при оценке температуры перегрева показания измерительного канала оставались независимыми от расстояния до скрутки, необходимо реализовать так называемый случай протяженного объекта. Для этого размер изображе-
ния скрутки (а′) при любых измерениях должен всегда превышать размер чувствительной пло-
щадки приемника излучения. С учетом запаса на разброс размеров скруток примем а′= 0,5 мм.
При заданном размере скрутки (10×80 мм2) фокусное расстояние объектива измерительного ка-
нала определяется в соответствии с условием
а L
=
a′ f′
⇒
f
′
=
8000 ⋅ 0,5 10
=
400
мм
.
При
таком
значении f ′ на скрутке вырезается участок шириной не более 4 мм. Оптические материалы в радиометрических приборах должны соответствовать выбран-
ному для работы участку спектра (8—14 мкм), а также эксплуатационным требованиям, предъявляемым к аппаратуре. Поэтому оптика, наряду с высокой прозрачностью, должна быть некритичной к перепадам температур и негигроскопичной.
Центральная зона входного окна (иллюминатора) 7 (см. рис. 1) диаметром 35 мм выполнена прозрачной только для видимых лучей. Поэтому для создания визуального канала аксиальным измеряемому каналу в последнем применен зеркальный объектив, который без световых потерь согласуется с кольцевой зоной иллюминатора, прозрачной лишь в ИКдиапазоне (материал ИКС-29).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
46 И. Т. Разумовский
Объектив пирометра представляет собой сферическую зеркальную поверхность с контротражателем. Диаметр главного зеркала конструктивно выбран минимальным, размером 57 мм, чтобы его относительное отверстие было не хуже 1:7. Этого достаточно, чтобы аберрации объектива не увеличивали размеры изображения скрутки более чем на 20—30 %. Эффективный световой диаметр объектива при этом равен D=45 мм.
Минимальная разность температур двух соседних участков объекта, регистрируемая пирометром, может быть оценена из выражения [3]
∆Т min
=
µΦ kεσT 3α(1 − exp(−tи
/ τ))
f′ D2
∆fш = 2,5 °С, κ
где µ = 1 — коэффициент отношения сигнал/шум; Φ = 6, 3⋅10−8 Вт/Гц1/2 ⋅ см — пороговая
чувствительность приемника; k = 0,3 — коэффициент использования излучения фотоприем-
ником; ε = 0, 2 — коэффициент излучения объекта; σ — постоянная Стефана — Больцмана;
Т = 473 К — температура объекта; α — угловая разрешающая способность: α = d / f ′ =
= 0, 3 / 400 = 0, 00075 рад , d — размер чувствительной площадки приемника излучения;
tи = 5 с — длительность самого короткого импульса излучения; τ = 5 с — постоянная време-
ни системы приемник—усилитель; ∆fш = 0,1 Гц — частотная шумовая полоса усилительного тракта; κ = 1 — число чувствительных элементов приемника излучения.
Для выделения необходимого интервала спектра использован дисперсионный
фильтр со следующими параметрами: λmax =9,8 мкм, ∆λ = 5,0 мкм, коэффициент про-
пускания фильтра 55 %. Инструментальная температурная погрешность пирометра оценивается следующим вы-
ражением:
δТ =
δТш2
+ δТгр2
+
δТ
2 р
,
где δТш — погрешность, возникающая из-за шума системы; δТгр — погрешность градуировки прибора; δТр — погрешность, вносимая регистрирующим прибором.
Численное значение инструментальной погрешности оценивается как
δТ =
δТш2
+
δТгр2
+
δТ
2 р
= 3,5 °С.
Визуальный оптико-телевизионный канал. С помощью визуального канала осуществляется наведение на объект измерения — скрутку. Обычно на высоковольтном столбе имеется четыре провода и четыре изолятора, а значит, и четыре скрутки. Путем физического моделирования визуализации скрутки было установлено, что увеличение наблюдательного канала должно быть не меньше 30×. Однако при таком увеличении из-за малого поля зрения системы одновременно наблюдать хотя бы две скрутки не удается, что необходимо для правильной идентификации принадлежности скрутки к тому или иному проводу. Отсюда следует, что визуальный канал должен иметь перепад увеличений не менее 2×.
Визуальный канал представляет собой телескопическую систему с необходимостью излома визирной оси по эргономическим соображениям. Требование излома оси объясняется тем, что объект находится на расстоянии примерно 8 м под большим углом к прибору и оператору, осуществляющему наблюдение. Для реализации комфортных условий наблюдения было решено применить оптико-телевизионный канал, более „гибкий“ по конфигурации.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
Пирометр для контроля перегрева скруток проводов линий электропередач
47
Оптико-телевизионный канал (рис. 3) состоит из панкратического прицела I, где 1 — объектив прицела, 2 — система смены увеличения в прицеле, 3 — окуляр прицела, и видеопередающей телекамеры II, где 4 — объектив минивидеокамеры, 5 — ПЗС-матрица, 6 — телемонитор.
1
2
34
5
6
f ′об f ′ок f ′м
I II
Рис. 3
Для уменьшения затрат на создание прибора в качестве зрительной трубы был применен панкратический прицел ПО Veber (3—7)×20 с перепадом увеличения от 3× до 7×. Для визуализации поля зрения использован черно-белый монитор с электронно-лучевой трубкой с диагональю экрана 138 мм.
Для обеспечения необходимого максимального увеличения визуального канала был вы-
бран микрообъектив с фокусным расстоянием fм′ =25 мм. Расчет оптического увеличения визуального канала. Увеличение панкратического при-
цела Γ1= 3×…7×. Увеличение оборачивающей системы оптико-телевизионного канала опре-
деляется по формуле Γ2 = fм′ / fо′к , где fо′к = 50 мм — фокусное расстояние окуляра панкра-
тического прицела, fм′ =25 мм; таким образом, Γ2 = 25 / 50 = 0,5× . Минимальное оптическое увеличение оптико-телевизионного
канала
Γmin = Γ1Γ2 = 3 ⋅ 0,5 = 1, 5× , а максимальное — Γmax = Γ1Γ2 = 7 ⋅ 0,5 = 3,5×. Определим электронное увеличение минивидеокамеры. Размер ПЗС-матрицы, согласно
паспортным параметрам минивидеокамеры, 10×12 мм2. Размер экрана монитора 100×95 мм2.
Так как диагональ ПЗС-матрицы lПЗС = 102 + 122 = 15, 6 мм , а диагональ экрана монитора
lм = 1002 + 952 = 138 мм , то электронное увеличение βэл = lм / lПЗС = 138 /15, 6 = 9× . Общее увеличение оптико-телевизионного канала следующее:
— минимальное: Γ = Γminβэл = 1,5 ⋅ 9 = 13,5× ;
— максимальное: Γ = Γmaxβэл = 3,5 ⋅ 9 = 31,5× .
Методика измерения. В разработанном приборе для удобства предусмотрено грубое и точное наведение на скрутку. Используется готовый привод наведения. Угловая погрешность
механизма наводки составляет 1,8′. 1. С помощью механического визира грубой наводки, установленного на корпусе при-
бора, осуществляется наведение на объект измерения (скрутку) с использованием в поворотном устройстве механизма ускоренной наводки. Механический визир представляет собой мушку и целик.
В результате грубого наведения изображение скрутки должно попасть в поле зрения визуального канала при его минимальном увеличении 13,5×. Дальнейший контроль наведения осуществляется по монитору.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
48 И. Т. Разумовский
2. При помощи поворотного устройства точного наведения изображение скрутки приводится в центр поля зрения.
3. Путем изменения масштаба увеличения визуального канала до максимального значения (31,5×) осуществляется совмещение изображения скрутки с визирной маркой, нанесенной на экране монитора. Размер визирной марки на мониторе соответствует полю зрения измерительного канала.
4. С включением кнопки „Измерение“ на панели управления производится оценка температуры перегрева скрутки. Результат контроля перегрева скрутки выводится на светодиодный индикатор.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бордонский Г. С. Радиометр инфракрасного диапазона // Приборы и техника эксперимента. 1992. № 4. С. 169—171.
2. Васин А. С. и др. Радиационный пирометр // Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т. 39, № 2. С. 56—58.
3. Разумовский И. Т. Тепловизионные приборы: Учеб. пособие. Л.: ЛИТМО, 1983. С. 53.
Игорь Тимофеевич Разумовский
Сведения об авторе — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный уни-
верситет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; E-mail: itraz@rambler.ru
Рекомендована кафедрой компьютеризации и проектирования оптических приборов
Поступила в редакцию 26.04.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
УДК 621.384.3: 621.31 + 536.521
И. Т. РАЗУМОВСКИЙ
ПИРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПЕРЕГРЕВА СКРУТОК ПРОВОДОВ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
Предлагается пирометр для контроля перегрева скруток проводов в линиях электропередач, установленный на автомобильной платформе и состоящий из измерительного инфракрасного канала, визуального оптико-телевизионного канала и привода наведения. Прибор обслуживается оператором. Уровни контроля перегрева — 200, 400 и 600 °С при температурном разрешении не хуже 2 °С. Ключевые слова: пирометр, инфракрасный канал, визуальный канал.
Введение. Выход из строя участка линии электропередач не только создает неудобства для потребителей, но и вызывает серьезные финансовые проблемы у предприятий, эксплуатирующих данное энергооборудование. Известно, что из-за перепадов температур окружающей среды или внешних механических воздействий происходят обрывы проводов, при их же восстановлении возникают соединения, так называемые скрутки. Однако под действием неблагоприятных атмосферных условий скрутки окисляются, в результате чего их электрическое сопротивление резко возрастает, скрутки начинают перегреваться, и это снова приводит к аварийным ситуациям — разрыву проводов и отключению освещения.
Для контроля перегрева скруток проводов необходимо использовать диагностическое оборудование. Информативным видом такого оборудования может стать инфракрасный (ИК) пирометр. В настоящее время промышленность выпускает значительное число пирометров, близких по необходимым параметрам [1, 2]. Однако обеспечить контроль перегрева скруток, используя серийную аппаратуру, не удается.
Рассмотрим основные проблемы, возникающие при решении этой задачи. Первая из них связана с малыми размерами скрутки и достаточно большим до нее расстоянием. Если принять размер излучающей поверхности скрутки равным 10×80 мм2, а среднюю дистанцию до скрутки — 8 м, то требуемое поле зрения прибора будет не более 4,2′, т.е. показатель визирования прибора должен быть не менее 1:800. Столь малое поле зрения требует длиннофокусной инфракрасной оптики.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
44 И. Т. Разумовский
Вторая проблема вытекает из первой — для захвата измерительной инфракрасной сис-
темой столь малого объекта, как скрутка, прибор должен обладать чувствительной визуаль-
ной поисковой системой. Для решения этой проблемы необходим точный механический при-
вод с визирной наблюдательной системой, имеющей сменное увеличение (чтобы реализовать
большое поисковое поле и малое измерительное поле).
Третья проблема связана с точным совмещением полей зрения как измерительной, так и
визуальной систем. Для этого оптические оси этих систем должны быть аксиальны, чтобы
исключить их взаимный параллакс. Это не совсем просто, учитывая, что рабочие спектраль-
ные диапазоны измерительной (8—14 мкм) и визуальной (0,4—0,76 мкм) систем различны.
Обеспечить решение перечисленных проблем позволяет разработанный автором
специализированный ИК-пирометр, предназначенный именно для диагностики соединений
проводов на трассах линий наружного освещения. По показаниям ИК-пирометра, установ-
ленного на автомобильной платформе, ремонтная бригада, проезжая вдоль линий электропе-
редач, дистанционным способом осуществляет контроль всех скруток на перегрев, что позво-
ляет своевременно выявить и ликвидировать предаварийную ситуацию.
Устройство специализированного пирометра. Предлагаемый прибор, размещаемый в
кузове микроавтомобиля с возможностью питания от его бортовой сети, состоит из измери-
тельного инфракрасного канала 1 (рис. 1), выполненного по классической схеме. По сигналу
инфракрасного канала оценивается температура перегрева скрутки (Тп) относительно темпе-
78
9
3
4
ратуры окружающей среды в диапазоне от 200
5 до 600 °С при температурной чувствитель-
ности 2,5 °С. Результат перегрева скрутки вы-
2 водится на индикатор 2, который представля1 ет собой три разноцветных светодиода, заго-
рающиеся в зависимости от полученного ре-
зультата: зеленый светодиод — Тп < 200 °С — 6 рабочее состояние соединения; желтый свето-
10 диод — Тп = 200…400 °С — опасная ситуация, требующая быстрого устранения неисправности
11 линии; красный светодиод — Тп > 600 °С — аварийная ситуация, требующая немедленной
Рис. 1
ликвидации неисправности. Грубое наведение прибора на искомую скрутку осуществляется
оператором посредством механического визира 3, и далее поиск ведется при помощи оптико-
телевизионного визира 4 с отображением получаемой информации на экране монитора 5 (в
поле зрения выводятся два смежных изолятора, провода и скрутки).
Поиск скрутки оператор осуществляет вначале при малом увеличении. Окончательное
наведение на скрутку достигается при наибольшем увеличении визуального канала.
Непременное условие правильной работы прибора — согласованность полей зрения из-
мерительного и визуального каналов, что достигается точной их юстировкой при помощи
подвижек призмы 8 и зеркала 9.
Пирометр установлен на двухкоординатном поворотном устройстве 6. Дополнительным
необходимым элементом прибора служит устройство 10 его крепления к полу 11 автомобиля.
Измерительный инфракрасный канал. Измерительный инфракрасный канал (рис. 2)
работает следующим образом. Инфракрасное излучение от исследуемой поверхности прохо-
дит через зеркальный объектив 1, оптический фильтр 2, прозрачный в области 8—14 мкм,
вибратор 3 и фокусируется на фотоприемнике 5. Электрический сигнал U с приемника излу-
чения подается в блок обработки 6, где реализуется синхронное детектирование. С помощью
генератора опорного напряжения 4 вырабатываются импульсы тока, которые управляют ра-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
Пирометр для контроля перегрева скруток проводов линий электропередач
45
ботой электронного реле в блоке 6. Из блока обработки сигнал поступает на пороговое устройство 7 и далее на трехцветный светодиодный индикатор 8.
1
70° 4
2 3 6 78 5
Рис. 2
Основные параметры измерительного канала. Определим угловое поле ( ωоб ) объекта
измерения (скрутки) по следующей формуле: tgωоб = a / L , где а — наименьший размер объекта, L — расстояние до объекта. Пусть размер скрутки 10×80 мм2, расстояние до объекта 8 м. Тогда, подставив численные значения, получим
tgωоб = 10 / 8000 = 0, 00125, ωоб = 4, 2′ .
По этой же формуле определим угол между двумя ближайшими изоляторами при наблюдении их на дистанции 8 м: tgωиз = l / L′ , где l =250 мм — расстояние между двумя изоляторами, L′ — расстояние до изоляторов. Таким образом, получаем
tgωиз = 250 / 8000 = 0, 03125, ωиз = 1D45′ .
Исходя из полученных данных максимальное поле зрения визуального канала должно
быть не менее 1°45′, а минимальное — не более 4,2′. В разработанном приборе использован пироэлектрический приемник излучения БП2-6 с
диаметром чувствительной площадки 0,3 мм. Чтобы при оценке температуры перегрева показания измерительного канала оставались независимыми от расстояния до скрутки, необходимо реализовать так называемый случай протяженного объекта. Для этого размер изображе-
ния скрутки (а′) при любых измерениях должен всегда превышать размер чувствительной пло-
щадки приемника излучения. С учетом запаса на разброс размеров скруток примем а′= 0,5 мм.
При заданном размере скрутки (10×80 мм2) фокусное расстояние объектива измерительного ка-
нала определяется в соответствии с условием
а L
=
a′ f′
⇒
f
′
=
8000 ⋅ 0,5 10
=
400
мм
.
При
таком
значении f ′ на скрутке вырезается участок шириной не более 4 мм. Оптические материалы в радиометрических приборах должны соответствовать выбран-
ному для работы участку спектра (8—14 мкм), а также эксплуатационным требованиям, предъявляемым к аппаратуре. Поэтому оптика, наряду с высокой прозрачностью, должна быть некритичной к перепадам температур и негигроскопичной.
Центральная зона входного окна (иллюминатора) 7 (см. рис. 1) диаметром 35 мм выполнена прозрачной только для видимых лучей. Поэтому для создания визуального канала аксиальным измеряемому каналу в последнем применен зеркальный объектив, который без световых потерь согласуется с кольцевой зоной иллюминатора, прозрачной лишь в ИКдиапазоне (материал ИКС-29).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
46 И. Т. Разумовский
Объектив пирометра представляет собой сферическую зеркальную поверхность с контротражателем. Диаметр главного зеркала конструктивно выбран минимальным, размером 57 мм, чтобы его относительное отверстие было не хуже 1:7. Этого достаточно, чтобы аберрации объектива не увеличивали размеры изображения скрутки более чем на 20—30 %. Эффективный световой диаметр объектива при этом равен D=45 мм.
Минимальная разность температур двух соседних участков объекта, регистрируемая пирометром, может быть оценена из выражения [3]
∆Т min
=
µΦ kεσT 3α(1 − exp(−tи
/ τ))
f′ D2
∆fш = 2,5 °С, κ
где µ = 1 — коэффициент отношения сигнал/шум; Φ = 6, 3⋅10−8 Вт/Гц1/2 ⋅ см — пороговая
чувствительность приемника; k = 0,3 — коэффициент использования излучения фотоприем-
ником; ε = 0, 2 — коэффициент излучения объекта; σ — постоянная Стефана — Больцмана;
Т = 473 К — температура объекта; α — угловая разрешающая способность: α = d / f ′ =
= 0, 3 / 400 = 0, 00075 рад , d — размер чувствительной площадки приемника излучения;
tи = 5 с — длительность самого короткого импульса излучения; τ = 5 с — постоянная време-
ни системы приемник—усилитель; ∆fш = 0,1 Гц — частотная шумовая полоса усилительного тракта; κ = 1 — число чувствительных элементов приемника излучения.
Для выделения необходимого интервала спектра использован дисперсионный
фильтр со следующими параметрами: λmax =9,8 мкм, ∆λ = 5,0 мкм, коэффициент про-
пускания фильтра 55 %. Инструментальная температурная погрешность пирометра оценивается следующим вы-
ражением:
δТ =
δТш2
+ δТгр2
+
δТ
2 р
,
где δТш — погрешность, возникающая из-за шума системы; δТгр — погрешность градуировки прибора; δТр — погрешность, вносимая регистрирующим прибором.
Численное значение инструментальной погрешности оценивается как
δТ =
δТш2
+
δТгр2
+
δТ
2 р
= 3,5 °С.
Визуальный оптико-телевизионный канал. С помощью визуального канала осуществляется наведение на объект измерения — скрутку. Обычно на высоковольтном столбе имеется четыре провода и четыре изолятора, а значит, и четыре скрутки. Путем физического моделирования визуализации скрутки было установлено, что увеличение наблюдательного канала должно быть не меньше 30×. Однако при таком увеличении из-за малого поля зрения системы одновременно наблюдать хотя бы две скрутки не удается, что необходимо для правильной идентификации принадлежности скрутки к тому или иному проводу. Отсюда следует, что визуальный канал должен иметь перепад увеличений не менее 2×.
Визуальный канал представляет собой телескопическую систему с необходимостью излома визирной оси по эргономическим соображениям. Требование излома оси объясняется тем, что объект находится на расстоянии примерно 8 м под большим углом к прибору и оператору, осуществляющему наблюдение. Для реализации комфортных условий наблюдения было решено применить оптико-телевизионный канал, более „гибкий“ по конфигурации.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
Пирометр для контроля перегрева скруток проводов линий электропередач
47
Оптико-телевизионный канал (рис. 3) состоит из панкратического прицела I, где 1 — объектив прицела, 2 — система смены увеличения в прицеле, 3 — окуляр прицела, и видеопередающей телекамеры II, где 4 — объектив минивидеокамеры, 5 — ПЗС-матрица, 6 — телемонитор.
1
2
34
5
6
f ′об f ′ок f ′м
I II
Рис. 3
Для уменьшения затрат на создание прибора в качестве зрительной трубы был применен панкратический прицел ПО Veber (3—7)×20 с перепадом увеличения от 3× до 7×. Для визуализации поля зрения использован черно-белый монитор с электронно-лучевой трубкой с диагональю экрана 138 мм.
Для обеспечения необходимого максимального увеличения визуального канала был вы-
бран микрообъектив с фокусным расстоянием fм′ =25 мм. Расчет оптического увеличения визуального канала. Увеличение панкратического при-
цела Γ1= 3×…7×. Увеличение оборачивающей системы оптико-телевизионного канала опре-
деляется по формуле Γ2 = fм′ / fо′к , где fо′к = 50 мм — фокусное расстояние окуляра панкра-
тического прицела, fм′ =25 мм; таким образом, Γ2 = 25 / 50 = 0,5× . Минимальное оптическое увеличение оптико-телевизионного
канала
Γmin = Γ1Γ2 = 3 ⋅ 0,5 = 1, 5× , а максимальное — Γmax = Γ1Γ2 = 7 ⋅ 0,5 = 3,5×. Определим электронное увеличение минивидеокамеры. Размер ПЗС-матрицы, согласно
паспортным параметрам минивидеокамеры, 10×12 мм2. Размер экрана монитора 100×95 мм2.
Так как диагональ ПЗС-матрицы lПЗС = 102 + 122 = 15, 6 мм , а диагональ экрана монитора
lм = 1002 + 952 = 138 мм , то электронное увеличение βэл = lм / lПЗС = 138 /15, 6 = 9× . Общее увеличение оптико-телевизионного канала следующее:
— минимальное: Γ = Γminβэл = 1,5 ⋅ 9 = 13,5× ;
— максимальное: Γ = Γmaxβэл = 3,5 ⋅ 9 = 31,5× .
Методика измерения. В разработанном приборе для удобства предусмотрено грубое и точное наведение на скрутку. Используется готовый привод наведения. Угловая погрешность
механизма наводки составляет 1,8′. 1. С помощью механического визира грубой наводки, установленного на корпусе при-
бора, осуществляется наведение на объект измерения (скрутку) с использованием в поворотном устройстве механизма ускоренной наводки. Механический визир представляет собой мушку и целик.
В результате грубого наведения изображение скрутки должно попасть в поле зрения визуального канала при его минимальном увеличении 13,5×. Дальнейший контроль наведения осуществляется по монитору.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
48 И. Т. Разумовский
2. При помощи поворотного устройства точного наведения изображение скрутки приводится в центр поля зрения.
3. Путем изменения масштаба увеличения визуального канала до максимального значения (31,5×) осуществляется совмещение изображения скрутки с визирной маркой, нанесенной на экране монитора. Размер визирной марки на мониторе соответствует полю зрения измерительного канала.
4. С включением кнопки „Измерение“ на панели управления производится оценка температуры перегрева скрутки. Результат контроля перегрева скрутки выводится на светодиодный индикатор.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бордонский Г. С. Радиометр инфракрасного диапазона // Приборы и техника эксперимента. 1992. № 4. С. 169—171.
2. Васин А. С. и др. Радиационный пирометр // Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т. 39, № 2. С. 56—58.
3. Разумовский И. Т. Тепловизионные приборы: Учеб. пособие. Л.: ЛИТМО, 1983. С. 53.
Игорь Тимофеевич Разумовский
Сведения об авторе — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный уни-
верситет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; E-mail: itraz@rambler.ru
Рекомендована кафедрой компьютеризации и проектирования оптических приборов
Поступила в редакцию 26.04.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11