0
0

ИК-тепловидение как средство сверхраннего обнаружения пожара или перегрева оборудования

ИК-тепловидение как средство сверхраннего обнаружения пожара или перегрева оборудования

Идея сверхраннего обнаружения перегрева и пожара витает давно. Это очень заманчиво, - предотвратить пожар на стадии, когда для тушения достаточно стакана воды или для предотвращения опасного перегрева достаточно выдернуть вилку прибора из сети. При этом практически нет ущерба не только от пожара, но и от тушения пожара.

Также, при своевременном обнаружении перегрева, прибор остаётся исправным.

Для этого нужно контролировать температуру поверхности физических тел, выделяя температуру ненормальную для контролируемого тела.

Зная температуру на поверхности вещества в начальный момент и в некоторый зарегистрированный (или контролируемый) момент времени, можно оценить ситуацию и спрогнозировать характер развития будущего пожара и остальные параметры, необходимые для принятия мер по предупреждению дальнейших негативных последствий.

Нужно отметить, что при возникновении пожарной ситуации именно тепло является первичным признаком пожара.

Но если знать, что поверхность объекта уже достигла температуры, которой в обычной ситуации быть не может, приняла ненормальную температуру, то можно принять действия по устранению такой ситуации и предотвратить опасное развитие событий.

ИК-тепловидение как средство сверхраннего обнаружения места пожара или перегрева оборудования

Процесс перегрева может быть длительным, непостоянным, зависеть от нагрузки (электрической, механической) и других факторов. Например, процесс развития дефекта в болтовом электрическом контактном соединении был исследован фирмой «Инфраметрикс» (США) на действующем присоединении при токе нагрузки 200 А [7]. На рис.1. показана зависимость избыточной температуры болтового контактного соединителя от тока нагрузки. Эксперимент показал, что процесс развития дефекта при отсутствии внешних климатических, вибрационных и иных факторов и стабильной во времени нагрузке может протекать весьма длительно.

Конечно, к каждому вероятному источнику пожара, к каждому устройству не прикрепишь термометр. Наиболее реально контролировать температуру поверхности тела с помощью бесконтактного способа, дистанционно анализируя инфракрасное излучение от объекта.

Зависимость избыточной температуры болтового контактного соединителя от тока нагрузки

Рисунок 1 – Зависимость избыточной температуры болтового контактного соединителя от тока нагрузки: 1 — при сокращении площади соприкосновения контактных поверхностей на 40 %; 2 — то же, на 80 %

Инфракрасный анализ поверхности объекта.

Инфракрасная термография – достаточно эффективная технология для обнаружения точек повышенного нагрева оборудования и нагретых точек контактов в местах электрических соединений.

Тепловизионные приборы (тепловизоры) определяют поверхностную температуру объекта бесконтактным способом, что позволяет провести количественный анализ повышения температуры. Это позволяет контролировать процессы, которые проходят скрытыми от глаз, за оболочкой или преградами, вне зависимости от условий освещения.

Впервые инфракрасное излучение было зарегистрировано английским астрономом сэром Уильямом Гершелем. Произошло это в 1800 году. Гершель проводил серию опытов, чтобы выяснить, какой нагревательной способностью обладают различные участки солнечного света. Исследуя спектр, он разложил солнечный свет призмой и подносил ртутный термометр к разным цветовым полосам спектра. Разные участки спектра по-разному нагревали термометр. Учёный обнаружил, что нагрев термометра стал расти при перемещении термометра за красную границу оптического диапазона спектра. Гершель пришёл к выводу, что кроме оптически видимого излучения есть ещё излучение, не видимое глазом, тепловое или инфракрасное излучение.

В 20 веке использование инфракрасного излучения как метод исследования обрело строгую научную базу благодаря фундаментальным исследованиям Планка, Эйнштейна, Кирхгофа, Ламберта, Голицина, Вина в области теплового излучения.

Практическому применению тепловидения дало мощный толчок развитие полупроводниковой электроники в 60-70 годах прошлого века.

Сейчас тепловизор – доступное устройство. Это произошло из-за того, что появились электронные матричные системы, неохлаждаемые болометрические матрицы, улучшены метрологические характеристики тепловизоров.

Используя закон Кирхгофа, получено основное уравнение ИК термографирования [3]. Поскольку объект контроля всегда находится в окружении других физических тел, также испускающих и отражающих ИК (тепловое) излучение, то суммарное излучение тела, регистрируемое тепловизором, складывается из собственного, прошедшего и отражённого излучения. С учётом того, что, как правило, мы имеем дело с непрозрачными объектами и того, что при дальности контроля до 50 метров можно пренебречь поглощением в атмосфере уравнение термографирования показывает связь между истинной температурой и радиационной температурой:

основное уравнение ИК термографирования

где
Tap – кажущаяся (apparent) или радиационная температура;
T – истинная температура;
Tamb – температура среды (ambient), в нашем случае температура воздуха;
ε – коэффициент излучения (или степень черноты), характеризует свойства поверхности объекта, температуру которого измеряет направленный на него пирометр. Этот коэффициент определяется как отношение энергии, излучаемой данной поверхностью при определённой температуре к энергии излучения абсолютно чёрного тела при той же температуре. Коэффициент излучения может принимать значения от 0,1 до близких к 1.
n – параметр, зависящий от длины волны. Для длины волны 7-14 мкм n = 5.

ИК тепловизор измеряет радиационную температуру. Значит, получив Tap, зная Tamb и ε, можно рассчитать истинную температуру T поверхности, излучающую в инфракрасном диапазоне.

Зная истинную температуру можно выделить критическое состояние объекта.

Критическое состояние – это предельное состояние объекта, выход из которого приводит к повреждению или возгоранию объекта.

Критическое состояние характеризуется абсолютной температурой объекта T, температурой относительной к температуре воздуха (T-Tamb) или скоростью приращения абсолютной температуры объекта ΔT/ Δt.

Конструкции тепловизоров.

Типовая конструкция тепловизора хорошо описана в Википедии [6]:

Теплови́зор (тепло + лат. vīsio «зрение; видение») — устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее как цветная картинка, где разным температурам соответствуют разные цвета.

Такое устройство применимо для эпизодических осмотров с участием оператора, но не подойдёт для задачи непрерывного контроля с целью обнаружения сверхраннего обнаружения пожара или перегрева оборудования.

Нужен другой способ контроля, устройство, которое использует тепловизионную матрицу и принимает решение о тревожной ситуации автоматически, без участия оператора, работает в режиме 24/7. Такие устройства существуют и делятся на два типа:

  1. Тепловизор, который интегрируется в систему видеомониторинга и передаёт термограммы без анализа тепловизором. На основе анализа видеокадра тревожную ситуацию выделяет программное обеспечение, размещённое на сервере системы видеонаблюдения. Примером может служить система Opgal Optronic Industries Ltd., США [11], предназначенная для предприятий по переработке отходов. На этих предприятиях перерабатываемый материал складируется в большие кучи, представляющие собой смесь тканей, пластика, металла и резины, часто промасленные. Эта смесь материалов очень чувствительна к воспламенению и горению.
  2. Автоматический аналитический тепловизор – это измерительное тепловизионное устройство, которое автоматически анализирует термограмму, выделяет тревожную ситуацию по критериям, устанавливаемым пользователем при инсталляции устройства, и передаёт на верхний уровень факт обнаружения тревожной ситуации (рис.2).

Для таких устройств сервер, специальное программное обеспечение для обработки телевизионных изображений или внешние видеоинтерфейсы больше не нужны. Аналитические тепловизионные камеры предлагают полное, законченное решение. Это значительно снижает сложность системы, затраты на установку, затраты на эксплуатацию, затраты на верхний уровень системы, в то время как стабильность системы значительно улучшается.

Такие устройства выпускает, например, FLIR Systems, США – тепловизионные камеры FLIR FC-серии S с функцией измерения температуры и программируемым предупреждением об опасности [9]. При превышении или уменьшении температуры объекта контроля срабатывает сигнализация, которая проинформирует оператора по E-mail, подаст цифровой сигнал по TCP/IP.

Также Automation Technology GmbH, Германия в серии IRSX предлагает интеллектуальные автономные тепловизионные системы, предназначенные для промышленного использования [8]. Камеры IRSX реализуют подход «всё-в-одном»: объединяют калиброванный тепловизионный датчик с мощным процессором обработки данных и различные промышленные интерфейсы в компактном прочном корпусе класса защиты IP67, который можно разместить даже в ограниченном пространстве.

Тепловизор

Тепловизор

Рисунок 2 – Реакция на неисправный ролик транспортёра при использовании ручного и автоматического тепловизоров.

а). Термограмма неисправного ролика транспортёра, полученная ИК-сканером Titanium 570M. При эпизодическом осмотре оператор должен принять решение об исправности ролика;

б). Термограмма тревожной ситуации, обнаруженной ТИКС «Снегирь». Зафиксировано превышение температуры ролика транспортёра порога 100°С в зоне 3 (зелёный контур с заливкой) и зоне 4 (красный контур с заливкой). В зонах 1 (жёлтый контур) и 2 (оранжевый контур) превышения температуры выше пороговой не обнаружено.

Система контроля исправности оборудования круглосуточно получает от ТИКС сигнал срабатывания с указанием зон с тревожной ситуацией.

Тепловизионный индикатор критических состояний «Снегирь» (ООО «ЭТРА-спецавтоматика», Новосибирск, Россия).

«Снегирь» относится к автоматическим аналитическим тепловизорам.

ТИКС «СНЕГИРЬ»

Для того чтобы упростить использование, он отнесён к категории индикаторов. Индикаторные устройства не подвергаются поверке, поэтому нет необходимости для периодического демонтажа, поверки и повторного монтажа. Достаточно (и необходимо) осуществлять контроль над исправностью устройства, чтобы использовать средства измерения контроля над технологическими параметрами, для которых не нормируется точность измерений.

Назначение устройства – автоматический контроль над критическим состоянием объекта, которое характеризуется установленным порогом абсолютной температуры.

Исходя из назначения и конструктивных особенностей, устройство именуется Тепловизионный Индикатор Критических Состояний (ТИКС) «Снегирь».

ТИКС «Снегирь» это стационарный прибор, который обеспечивает непрерывное автоматическое тепловизионное наблюдение за объектом на протяжении нескольких лет.

Естественно, что при таком режиме наблюдения, никакой оператор не может длительно контролировать тепловизионное изображение (термограмму).

ТИКС «Снегирь» с интервалом 1,3 секунды автоматически получает и анализирует термограмму. Алгоритм оценки высокого риска возгорания (часто называемый алгоритмом поиска горячих точек) исследует термограмму и определяет пиксели, в которых превышен температурный порог, заданный пользователем. Если будут найдены признаки критического состояния, то ТИКС передаёт сигнал о тревоге.

Посмотрите видео о ТИКС «СНЕГИРЬ»


За подробностями Вы можете обратиться в любое ближайшее к вам представительство

ТЕЛЕФОНЫ В САРАТОВЕ: (8452) 33-89-01, 33-89-02, 33-89-03

или на мобильный телефон офиса: +7-917-200-0127