Scientific Journal of Information Engineering June 2014, Volume 4, Issue 3, PP.72-77
On Temperature Measurement with IR for Sensor Node Deployment in Oil-Gas GatheringTransferring Station ——Information Processing Technology Rui Dan, Xueyu Zou# Electronics Information School, Yangtze University, Jingzhou 434023, China #
Email: xyzou729@126.com
Abstract According to infrared (IR) radiation attenuation mechanism at different distance to monitor a special object‟s apparent temperature in oil-gas gathering-transferring station, in this paper, a temperature measuring equivalent model with IR attenuation coefficient method in the whole measuring range was proposed, and the sensing distance of IR temperature measurement for an equivalent sensitivity was derived. The number of nodes and sensors needed for determined deployment in WSN were presents consequently. The effects of the object‟s alert temperature and air‟s on the measurement of equivalent atmosphere attenuation were analyzed by numerical calculation. The object‟s real apparent temperatures were estimated by the measured values at different distance between the sensor and object. The results shows that the maximal relative error of temperature measurement was not exceed 7.57% (K), so, it can offer some reference for the scene of temperature monitoring sensor deployment in oil-gas gathering-transferring station. Keywords: Infrared Temperature Measurement; Air Attenuation Coefficient; Sensor Deployment; WSN
油气集输站场传感器节点部署的红外测温研究* 但瑞，邹学玉 长江大学 电子信息学院，湖北 荆州 434023 摘 要：以监测油气集输站场特定物体表面辐射温度为目标，依据红外辐射随距离衰减机理，提出了一种满视场条件下衰 减系数法的红外测温等效模型，给出了等效大气衰减系数的测量方法，推导了等效灵敏度条件下红外测温的感测距离， 进一步导出了 WSN 节点确定性部署的节点与传感器数量。通过数值计算分析了待测目标警戒温度和大气温度对等效大 气衰减系数测量的影响，通过不同距离测温实验数据估计了目标实际表面温度，实验结果表明，满视场条件红外测温最 大相对误差不超过 7.57%(K)，为油气集输站场温度监测部署提供理论依据与技术参考。 关键词：红外测温；大气衰减系数；节点部署；无线传感器网络
引言 在现代工业中，温度测量约占各种监测总量的 50%[1]，而且对温度测量的精确性和实时性要求越来越高。 以不停运、不接触、不取样待测目标设备为主要特点的快速、准确地在线红外温度诊断具有重要实用价值。 在电力、冶金、交通等行业[2-4]，设备内部故障（或缺陷）的在线红外诊断技术，也在研究发展之中。由于 工业设备故障的红外温度诊断[5]都是以设备在运行状态下外部特征温度场的红外感测方式，红外测温的精确 程度通常受到测量距离和视场角等因素 [6-9]的影响，这将直接影响诊断判别的准确性，温度感测的准确性也 *基金资助：受中石油科技创新基金（2011D-5006-0605） 、湖北省教育厅重点项目（D20091204） 、湖北省国家级大学生创新训 练计划（201310489005）支持资助 - 72 http://www.sjie.org
直接关系到工业生产和生命财产的安全。 温度是石化行业安全生产的重要监测指标之一 [10]，关于油气集输站场红外测温应用研究还不多见。本 文将引入无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)实时监测区域内的目标，由于 WSN 是一种自组织 的多跳无线网络，易于实现协作感知、处理和传输网络覆盖区域内感测对象，并将监测信息报告给数据控 制中心。要准确、无遗漏地监测目标，节点部署是网络正常工作首要问题，而节点部署与传感器的感测能 力有关。本文以液化石油气集输站罐体安全信息--温度监测为目标，基于红外温度传感器模型，研究红外传 感器测温原理及其感测能力，分析给定测温灵敏度下红外传感器的临界感测距离，给出确定性节点部署方 案时临界监测距离的计算方法。
1
红外温度传感器模型 根据“黑体辐射”的物理学原理：只要物体的温度高于绝对零度，就会不停地向四周辐射红外，辐射的红
外光波长与物体的温度有关。为避免环境温度对红外测温结果的影响，依据温度随距离衰减机理，文献[6] 采用温度衰减系数修正法分析待测目标表面发射的红外辐射在大气中的传输衰减和红外测温原理，在保障 被测目标表面始终充满红外温度传感器接收光学系统视场的条件下，给出了在距离 R 处红外传感器接收到 的被测设备表面发射的红外辐射功率为 M ( , Tt ) 1 P( R) ( R) t AS AD 2 AD M t ( , Tt ) tan 2 0 e R R 2
（1）
式中，Tt 是被测设备表面的真实温度(K)；AS 为被测目标在红外传感器视场内辐射面积；AD 为红外传感 器光学孔径面积；τ(R)=e-βR 为大气光谱透射率；β 为红外辐射至传感器的等效大气衰减系数；θ0 为红外传感 器视场角，当待测目标充满整个视场时，tan2(θ0/2)为常数； Δλ=λ2 - λ1 是红外传感器响应波长范围(λ1，λ2)；εΔλ 为设备表面在波长(λ1，λ2)光谱区间的红外发射率； Mt(Δλ,Tt)为黑体在某光谱区间(λ1，λ2)辐射；考虑到环境对被测目标的影响[7~9]，则红外探测器接收到的能量 有目标自身的净辐射能量(Wt(Δλ,Tt)-Wt(Δλ,Ta))，目标反射环境物体辐射能量 We(Δλ,Te)（Te 为环境物体温度）， 大气辐射能量 Wa(Δλ,Ta)（Ta 为大气温度），即 W(Δλ,Tb)=Wt(Δλ,Tt) - Wt(Δλ,Ta)+ We(Δλ,Te)+ Wa(Δλ,Ta)
（2）
被测目标表面的辐射亮度为： L(λ1→λ2)= εΔλ(Lt(Δλ,Tt) - Lt(Δλ,Ta))+ ρΔλ Le(Δλ,Te)
（3）
则作用于红外传感器的辐射为 Mλ1→λ2(T)=τ(R)[εΔλ(Mt(Δλ,Tt) -Mt(Δλ,Tt))+ ρΔλ Me(Δλ,Te)]+ εΔλMa(Δλ,Ta)
（4）
若被测目标近似黑体时，ρΔλ≈0，则根据斯蒂芬-玻耳兹曼定理其在某光谱区间(λ1，λ2)辐射简单表示为 M ( , T ) kT m T 4 （5） 式中，k 和 m 在光谱范围(λ1，λ2)为常数；δ 为斯特凡常数。因红外传感器吸收辐射能量后的示值等效为 黑体亮度温度 Tb，即有 .. 式中，αΔλ 为红外传感器在波长(λ1，λ2)光谱区间红外吸收率。令 ξΔλ=εΔλ/αΔλ，则
Tbm ( R) [(Tt m Tam )e R Tam ]
（6）
在距离 R 为 0、∞时可得
Tbm (0) Tt m Tbm () Tam
（7）
其中，Tb(0)是传感器距离待测目标距离 R=0 时测量值（待测设备表面温度示值），而 Tb(∞)为环境温度 测量值，ξΔλ 可以通过红外感测大气温度值与实际大气温度值 Ta 测量，一般近似为 1。式（7）代入式（6） 后，在 R 处的红外测量值可表示为 - 73 http://www.sjie.org
Tbm ( R) [Tbm (0) Tbm ()]e R Tbm ()
（8）
式（8）表明，温度测量值将随感测距离负指数规律衰减。当 R=rβ=1/β 时（称为大气衰减等效距离）， Tbm (r ) [Tbm (0) Tbm ()]e1 Tbm ()
（9）
rβ 的物理意义是：目标温度测量值的 m 方与大气温度测量值的 m 方之差衰减 e-1 倍时大气衰减系数的等 效距离。则在任何环境条件下红外测温时，由式（9）计算出 Tb(rβ)，然后测量出对应的 rβ，rβ 与待测目标温 度和大气环境的有关，据此计算当前大气条件下的等效大气衰减系数 β=1/rβ 。若在不同距离测量值分别 Tb(r1)、Tb(r1)估算出 β。
T m (r ) Tbm () 1 ln bm 1 r2 r1 Tb (r2 ) Tbm ()
（10）
令 fT ( R) Tbm ( R) Tbm () ， fT (0) Tbm (0) Tbm () ，则式（8）可以改写为
fT ( R) fT (0)e R
（11）
| fT' ( R) | fT (0)e R
（12）
对式（11）微分后取绝对值后可得 式（12）表 Tb(R)对感测距离 R 的等效灵敏度，显然，随距离 R 的增加等效灵敏度下降。若以|fT'(rβ)|为 基准，定义等效灵敏度下降 ζ 倍的感测距离为 rmζ，即|fT'(rmζ)|=ζ|fT'(rβ)|，则可得
rm (1 ln ) / (1 ln )r
2
（13）
待测目标和红外传感器尺寸对感测距离的影响 在式（1）模型的传感器模型中，当待测目标距离红外传感器较远时，使得目标没有充满整个视场，则
待测目标辐射至红外传感器的能量是视角 θ(θ<θ0)的非线性函数，即红外传感器的亮度温度测量值也是视角 θ 的非线性函数，为避免视角 θ 引起的测量误差，本文以待测目标充满红外传感器整个视场的模型，根据红 外传感器相关参数求解其临界感测距离 r0。如图 1 所示，ls 为传感器感测表面半径，le 为传感器镜头半径，d 为镜头与感光靶的间距，r0 为待测目标离感光靶的距离，θ0 是红外温度传感器的视角。 0 / 2
感 光 靶
d ls
镜 头
le
h待 测 目 标
r0 图 1 红外温度传感器示意图
当待测目标直径为 h 时，则待测目标充满传感器整个视场时的临界感测距离 r0 为 h d r0 ( le ) 2 le ls
（14）
表明临界感测距离 r0 正比于目标尺寸 h，通常用物距比(h׃r0)来表征其感测能力。为满足红外测温的测 量精度要求，测温既要满足红外传感器的等效灵敏度要求，又要满足待测目标充满感测视场要求，则传感 器最大感测距离 rm 应满足如下关系 rm=min{r0，rmζ}
3
（15）
确定性部署时红外传感器数量 传感器节点部署是指在指定的监测区域内，通过适当的方法布置 WSN 节点以满足某种特定的需求[11-12]
（覆盖、连通、能耗）。如何进行合理的节点部署，是提高网络工作效率、优化利用网络资源的关键所在。 传感器节点部署 [11]分为移动节点部署和静止节点部署，静止节点的部署又可分为确定性部署和随机部署； - 74 http://www.sjie.org
确定性部署指的是手工部署 WSN 节点，节点间按预定的间隔距离和路由进行数据采集与传输；随机部署是 指在监测区域环境恶劣或存在危险时，节点部署无法手工实现，采用随机抛撒节点形式的部署方式。由于 油气集输站的温度监测目标基本固定，属于定点测温，红外温度监测区域环境在可允许的情况下，采用确 定性部署方案可以获得最佳的部署方案。据此，在保证监测覆盖的条件下，寻求确定性的最佳节点部署。 L
rm W
d1
d2
图 2 正六边形网格划分示意图
若传感器能够实现全方位感测，设其感测半径为 rm，则在给定矩形监测区域 S(LxW)内，采用确定性部 署时，采用正六边形网格划分方法（如图 2 所示）可以实现完全无缝覆盖，同时又最大限度减少感测区域之 间的重叠，其最少节点数 N 为 L W L 2W N d 2 d1 3rm 3rm
（16）
式中， x 为不小于 x 的最小整数。节点部署时红外温度传感器的视角应该是全方位，若红外传感器最 大视角为 θ0，则需要组合排列多个红外传感器构成一个传感器节点来满足全方位无遗漏的监测，考虑到部 分边界节点有无需监测的部分区域，则所需红外传感器数 Ns 为 L 2W 360 N s ( 1) 3rm 0 3rm
（17）
由式（17）可知，红外传感器部署数与测温等效灵敏度成正比。
数值计算与实验结果分析
4
4.1 待测目标警戒温度和大气温度对等效大气衰减系数测量的影响 365
340
360 355
Tb(rβ) (K)
Tb(rβ) (K)
335
330
350 345 340 335
325
330 325
320
320
315 270
280
290 300 310 Air temperature (K)
320
330
315 340
350
图 3 Tb(rβ)随大气温度的变化曲线
360
370 380 390 Alert temperature (K) 400
410
420
430
图 4 Tb(rβ)随警戒温度的变化曲线
由于油气集输站场安全信息感测的主要对象是油气储罐，以液化天然气爆炸温度极限检测感测为例， - 75 http://www.sjie.org
其安全警戒温度为爆炸极限温度 Tb(0)=363K(90°C)，当大气温度 Tb(∞)=273~323K(0°C~50°C)变化时，由式 （9）可知，测量特定大气温度条件下 β 时 rβ 处温度 Tb(rβ)与 Tb(∞)的关系曲线图 3 所示。数据结果表明：随 着大气温度的增加，测量 β 时的 Tb(rβ)近似线性增加。 对于监测不同警戒温度的应用，在相同等效灵敏度监测条件下，若大气温度 Tb(∞)=300K(27°C)保持不 变 ， 要 测 量 特 定 大 气 温 度 条 件 下 β 所 对 应 的 Tb(rβ) ， 图 4 给 出 了 温 度 Tb(rβ) 随 警 戒 温 度 Tb(0)=363K(70°C~200°C)的关系曲线。数据结果表明：随着警戒温度的增加，测量 β 时的 Tb(rβ)也随之近似 线性增加。
4.2 感测距离对红外测温精度的影响 本文采用 MLX90614 红外传感器，其物距比为 1:11.6，在大气温度为 292.19K，在 20cm~200cm 距离范 围内对面积为 11.0cm*15.5cm、表面辐射温度为 353.23K 的目标测温，测量数据如图 5 所示，其中，“*”为传 感器在不同距离时的目标温度测量值,“x”为相应的大气温度测量值。由式（9）可得 Tb(rβ)=318.84K，有测量 数据插值可求得 rβ=145.1cm，而由物距比可知，r0=127.6cm，即 r0<rβ，则本文只采用 r<r0 的测量数据用式 （10）估算大气等效衰减系数均值 =0.65m-1。图 5 中的“°”为该衰减系数时理论计算结果，由测量值估算 目标表面辐射温度用曲线“□”示出。数据结果分析表明：目标表明红外测温最大绝对误差为 6.07ºC，最大相 对误差 7.57%(K)。 360
Temperature (K)
350
340
330
320
„-x-‟: air temperature „-*-‟: object‟s measures „-o-‟: object‟s theoreticals „-□-‟: object‟s estimations
310
300
290
0
20
40
60
80
100
120
Distance (cm)
140
160
180
200
图 5 MLX90614 的 Tb(r)的测量值、理论值与测量距离 r 的关系曲线
因此，在一定检测误差范围内，对监测油气集输站场温度应用而言，可以根据油气储罐的尺寸确定 r0， 根据测温等效灵敏度确定一定大气温度条件下的测量距离 rmζ。然后依据由式（13）~（17）可以获得确定性 部署时所需节点数和传感器数量。
5
结语 考虑到大气温度对红外传感器测量的影响，衰减系数法红外测温模型可以较好地测量出等效大气温度
衰减系数 β，实验结果表明，通过标定传感器模型参数和已知测量距离就较为准确得获得待测目标表面辐射 实际温度，因此该模型具有广泛的适应性和实用性。对于监测给定待测目标警戒温度，参照红外传感器相 关参数，利用该模型为 WSN 确定性节点部署方案提供理论依据和技术参考。
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【作者简介】 但瑞（1992-），男，汉族，湖北省战
邹学玉（1965-），男，汉，博士，教
略性新兴（支柱）产业人才培养计划
授，研究方向，信号检测与处理、石油
项目--电子信息工程专业试点班 2011
物联网、无线传感器网络。学习经历：
级。研究方向：信号采集与处理、无
1988 获江汉石油学院地球物理勘探专业
线传感网。
学士学位，1999 年获武汉大学电路与系
Email: danrui@yangtzeu.edu.cn
统专业硕士学位，2008 获武汉大学通信 与信息系统专业博士学位。 Email: xyzou729@126.com
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