低成本高精度红外温度检测模块应用于电力设备

【摘要】电力系统运行中,在电能输送的整个回路上存在数目繁多的连接件、接头或触头,这些部件很容易因连接不良产生局部过热。因此，在电力设备的安全检修上，对及时发现、处理、预防重大事故显得尤为重要。本文主要描述如何采用红外温度阵列对当今工业电力开关柜/汇流箱的热图像和热故障进行在线的非接触检测。

一、传统温度检测方式的弊端

单点温度检测 ：利用单个温度传感器实现对发热点的探测。该方式成本低，但却不能有效地确认发热故障点，另外开关柜一般同时需要检测好几个接头或触头，需要的传感器数目也相应增加，操作也相对复杂。

红外热成像技术：应用非制冷红外焦平面阵列的探测器。这种方式测温范围广，精度高，但造价昂贵，且体积较大，不易集成和大规模使用。

二、红外阵列温度检测扬长避短

世强代理Melexis的红外温度检测模块（红外阵列产品）MLX90621 可有效地综合上述两种方案的优缺点，它集成64个红外热电堆和信号处理电路于同一TO-39封装，并具有-50℃到300℃测温范围内出厂校准化，可同时感测64个点的物体温度，实现对视场内物体表面温度分布的热图像或是目标区域不同点的温度读数，能满足电力开关柜内多点温度检测的需要，并且体积小，易集成。此外，MLX90621还将许多功能，如高速I2C数字输出、可调帧率（0.5Hz到64Hz）整合与一体。

三、红外阵列温度检测应用于电力开关柜实例

MLX90621应用于电力开关柜设备温度检测的连接图非常简单，因为芯片支持I2C通信，应用时只需外部连接MCU的I2C通信I/O口即可，具体电路图如图1：

图1：MLX90621和MCU的连接图

芯片内部集成PTAT和64个红外热电堆，能实现环境温度Ta和物体温度To1到To64的测量，测量的原始数据存放于RAM中，外部MCU通过I2C接口来获取，结合芯片内EEPROM的校准数值，来共同计算最终的环境温度Ta和物体温度To。图2给出I2C接口读取整个红外热电堆测量原始数据的波形图。

图2 MLX90621的I2C通信波形图

采用MLX90621测量太阳能光伏合盒内部接点松动的发热故障。左图给出松动点的位置，右图给出MLX90621的测量结果，最高温度点To31对应于松动接点的温度，同时给出了周边四个相邻像素To27、To30、To32和To35的温度读数。

图3 MLX90621测量接点松动的温度效果图

另外也可以对整个测量数据进行记录，下图给出所测像素点温度曲线的变化图。应用中电路施加恒定的电压，并通一较大的电流（10A-20A），可以观察到测量物体温度呈上升并恒定趋势，环境温度基本保持恒定。

图4：所测发热点温度及相邻像素温度变化图

【结论】MLX90621可大大简化2D热成像系统，并能实时捕获64个像素的热图像，非常适合通过检测电力开关柜/汇流箱的热图像来判断电力设备故障，从而快速进行保护。另外由于其本身的在线监测和测试精度，也可广泛应用于微波炉、办公以及家居绿色HVAC系统；汽车空调系统和近距离盲点检测。