自安裝井口平臺無人化建設(shè)中紅外在線測溫技術(shù)的應(yīng)用

呂瑞升，韓 旭

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津 300457)

0 引 言

隨著海上平臺無人化推進(jìn)步伐的日益加快，自安裝井口平臺無人化的相關(guān)數(shù)字化及智能化技術(shù)應(yīng)用越來越需要合理布局。鑒于自安裝井口平臺上的開關(guān)柜、變頻器柜、變壓器、UPS等集成了多種電氣元件，結(jié)構(gòu)緊湊、空間間隙小，且設(shè)備處于密封及帶電狀態(tài)，無法直觀察看內(nèi)部情況，安全風(fēng)險大。由于開關(guān)柜、變頻器柜、變壓器、UPS等長期經(jīng)受電、熱、機(jī)械等負(fù)荷作用，以及粉塵、凝露、鹽霧、高溫等海洋環(huán)境的影響，極易引起老化、磨損甚至短路，從而發(fā)生故障，而大部分電力故障的征兆表現(xiàn)為異常高溫。傳統(tǒng)的解決方案分為2種：其一是安裝接觸式多點溫度傳感器，為此需要安裝多個測溫點，無法準(zhǔn)確定位故障點且不能滿足高電壓大電流場合；其二是利用手持式紅外熱成像儀巡檢，人工巡檢效率低，依賴人工無法完成實時監(jiān)控以及數(shù)據(jù)管理，高壓柜測溫存在帶電作業(yè)風(fēng)險。

目前全新的測溫方式，即紅外在線測溫解決方案，采用24h不間斷的實時、在線溫度監(jiān)測，具有直觀、可視的溫度監(jiān)測，體積小巧、易安裝、可自動報警、自動生成溫度曲線和報表功能。全面在線測溫具備全面覆蓋點測溫、線測溫、面測溫，分區(qū)域、分設(shè)備靈活配置，溫度變化可視、智能判斷，測溫精準(zhǔn)且系統(tǒng)響應(yīng)靈敏，等特點。

1 紅外熱成像研究現(xiàn)狀

近年來，對紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行了持續(xù)的研究。表1展示了通過百度學(xué)術(shù)統(tǒng)計的近十年來與紅外熱像技術(shù)相關(guān)的研究文獻(xiàn)數(shù)量，從中可以看出近年來該領(lǐng)域研究數(shù)量呈上升的趨勢。紅外熱成像儀有著諸多優(yōu)點，隨著技術(shù)的發(fā)展與研究的深入，與安全科學(xué)中不同學(xué)科相結(jié)合，可進(jìn)行安全隱患排查及安全風(fēng)險監(jiān)測，應(yīng)用越來越廣泛[1]。

表1 近十年紅外熱成像技術(shù)在各行業(yè)的研究文獻(xiàn)數(shù)量(篇) Tab.1 Number of research literature on infrared thermal imaging technology in various industries in recent ten years

王俊影等[2]使用基于邊緣特征的圖像配準(zhǔn)方法，將相同場景的2個圖像(可見光圖像和紅外熱圖像)轉(zhuǎn)換為相同分辨率的圖像，并調(diào)用輪廓搜索和遮罩方法，使用邊緣檢測、角點檢測和其他函數(shù)來查找關(guān)鍵點，完成2個已處理圖像的點對點配準(zhǔn)，并刪除不匹配的點。在源圖像對中顯示匹配的結(jié)果，并且進(jìn)行透視變換，以實現(xiàn)自動配準(zhǔn)可見圖像和紅外圖像，從而建成自動匹配測溫系統(tǒng)，并對流動人群進(jìn)行體溫篩查。余耀等[3]利用紅外熱像儀測量小麥葉片的溫度，根據(jù)葉片上30個點的溫度求平均值，并以此作為其溫度特征，來研究低空氣濕度對葉片氣孔的影響。劉飛等[4]利用紅外圖像作為監(jiān)控圖像以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測車廂內(nèi)的狀況，減少了光源輻射的干擾，通過對紅外圖像的溫度判定及基于高斯分布和采用離散余弦來建立火警概率模型，以達(dá)到高效的火災(zāi)預(yù)警。于占忠[5]為解決高爐熱風(fēng)爐危險區(qū)域無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，需派遣巡檢人員以排除隱患確保安全的人力問題及安全問題，基于紅外熱像技術(shù)不同溫度不同紅外強(qiáng)度的理論設(shè)計了一套紅外熱像監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)現(xiàn)場考察而設(shè)置的數(shù)個測溫點將監(jiān)測到的紅外熱像圖及數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)，通過軟件進(jìn)行分析處理，從而實現(xiàn)了熱風(fēng)爐及熱風(fēng)管等危險區(qū)域的實時監(jiān)測，確保了人員及生產(chǎn)安全。曾凱[6]為解決高壓配電設(shè)備實時溫度監(jiān)測難的問題，基于紅外熱像技術(shù)設(shè)計了紅外在線監(jiān)測系統(tǒng)，以紅外熱像儀為核心，運用LabVIEW 編寫了控制系統(tǒng)和交互界面，利用掃描云臺實現(xiàn)測溫儀對高壓配電設(shè)備進(jìn)行實時在線監(jiān)測，該系統(tǒng)操作簡單、運行可靠、測量溫度精度高，實現(xiàn)了包括數(shù)據(jù)采集、顯示、儲存、處理在內(nèi)的在線實時監(jiān)測。

2 紅外熱成像工作原理及性能參數(shù)

任何溫度高于絕對零度的物體，由于其內(nèi)部熱運動的存在，都會輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波[7]。紅外光譜波長介于0.75～1000μm之間，由于大氣對紅外輻射的選擇性吸收，在大氣中紅外輻射僅能夠在1～2.5μm、3～5μm和8～14μm 3個波段內(nèi)有效地傳輸。

紅外線輻射是自然界中存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區(qū)域。這種紅外線輻射基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會產(chǎn)生自身的分子和原子無規(guī)則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量。分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大；反之，輻射的能量愈小。

在自然界中，一切物體都會輻射紅外線，因此利用探測器測定目標(biāo)本身和背景之間的紅外線差可以得到不同的紅外圖像，稱為熱圖像。同一目標(biāo)的熱圖像和可見光圖像不同，它不是人眼所能看到的可見光圖像，而是目標(biāo)表面溫度分布的圖像?；蛘哒f，它是將人眼不能直接看到的目標(biāo)表面溫度分布，變成人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。運用這一方法，便能實現(xiàn)對目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)圖像成像和測溫，并可進(jìn)行智能分析判斷。

紅外熱成像技術(shù)是一種被動紅外夜視技術(shù)，其原理基于自然界中一切溫度高于絕對零度(-273.15℃)的物體每時每刻都輻射出紅外線，同時這種紅外線輻射都載有物體的特征信息，這就為利用紅外技術(shù)判別各種被測目標(biāo)的溫度高低和熱分布場提供了客觀的基礎(chǔ)。利用這一特性，通過光電紅外探測器將物體發(fā)熱部位輻射的功率信號轉(zhuǎn)換成電信號后，成像裝置就可以一一對應(yīng)地模擬出物體表面溫度的空間分布，最后經(jīng)系統(tǒng)處理，形成熱圖像視頻信號，傳至顯示屏幕上，就得到與物體表面熱分布相對應(yīng)的熱像圖，即紅外熱圖像。

光學(xué)系統(tǒng)接受被測目標(biāo)的紅外輻射后，經(jīng)光譜濾波將紅外輻射能量分布圖形反映到焦平面上的紅外探測器陣列的各光敏元上，探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號，由探測器偏置與前置放大電路輸出的放大信號注入到讀出電路，以便進(jìn)行多路傳輸。高密度、多功能的CMOS多路傳輸器的讀出電路能夠執(zhí)行稠密的線陣和面陣紅外焦平面陣列的信號積分、傳輸、處理和掃描輸出，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以送入微機(jī)作視頻圖像處理。由于被測目標(biāo)物體各部分的紅外輻射的熱像分布信號非常弱，缺少可見光圖像那種層次和立體感，需進(jìn)行一些圖像亮度與對比度的控制、實際校正與偽彩色描繪等處理。經(jīng)過處理的信號送入到視頻信號形成部分進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換并形成標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號，最后通過電視屏或監(jiān)視器顯示被測目標(biāo)的紅外熱像圖。

紅外焦平面陣列的工作性能除了與探測器性能，如量子效率、光譜響應(yīng)、噪聲譜、均勻性等有關(guān)外，還與探測器探測信號的輸出性能有關(guān)，如輸入電路中的電荷存儲、均勻性、線性度、噪聲譜、注入效率，讀出電路中的電荷轉(zhuǎn)移效率、電荷處理能力、串?dāng)_，等。其工作原理圖示意如圖1所示。

圖1 紅外熱成像工作原理示意圖 Fig.1 Schematic diagram of working principle of infrared thermal imaging

不同類型的通用微型紅外熱成像檢測儀參數(shù)如表2所示。

表2 通用微型紅外熱成像檢測儀參數(shù)對比表 Tab.2 Parameter comparison of general miniature infrared thermal imaging detector

3 紅外熱成像系統(tǒng)架構(gòu)

紅外熱成像系統(tǒng)架構(gòu)分3層，分別是物理層、傳輸層及應(yīng)用層。物理層指現(xiàn)場級，紅外在線測溫模塊針對設(shè)備的測溫點進(jìn)行安裝檢測；傳輸層指數(shù)據(jù)交換機(jī)，從現(xiàn)場級采集的數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)交換機(jī)的傳輸和處理；應(yīng)用層指終端顯示系統(tǒng)，從傳輸層經(jīng)數(shù)據(jù)交換機(jī)傳輸?shù)臄?shù)字或視頻信號在應(yīng)用層進(jìn)行顯示，最終起到監(jiān)控功能。紅外熱成像系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 紅外熱成像系統(tǒng)架構(gòu)示意圖 Fig.2 Schematic diagram of infrared thermal imaging system architecture

4 紅外熱成像系統(tǒng)優(yōu)勢

紅外熱成像系統(tǒng)具備6方面優(yōu)勢，其中包括：非接觸式在線測溫；全視場面測溫，實現(xiàn)實時點、線、面測溫；自動生成溫度數(shù)據(jù)報表及曲線；支持溫度趨勢分析、溫度預(yù)警；危險判別、故障定位；遠(yuǎn)程參數(shù)配置、批量設(shè)備升級?？蛻舳藘?nèi)嵌溫度診斷算法有5種，分別是：表面溫度判斷法，即遵照已有的標(biāo)準(zhǔn)，對設(shè)備顯示溫度過熱的部位按照相關(guān)的規(guī)定判斷它的狀態(tài)正常與否；相對溫差判斷法，即“相對溫差”，指 2臺設(shè)備狀況相同或基本相同的2個對應(yīng)測點之間的溫差，與其中較熱測點溫升比值的百分?jǐn)?shù)；同類比較法，即同類設(shè)備之間進(jìn)行比較，所謂“同類”設(shè)備的含義是指同一回路的同型設(shè)備或同一設(shè)備的三相；檔案分析法，即將測量結(jié)果與設(shè)備的紅外技術(shù)檔案相比較而進(jìn)行分析；圖譜異常判斷法，即根據(jù)熱像圖譜出現(xiàn)的異常，判斷設(shè)備的運行工況。運用這些診斷算法，保證了紅外熱成像在監(jiān)測過程中統(tǒng)計的有效性。

5 應(yīng)用效果

目前紅外熱成像已經(jīng)在海上某平臺得到應(yīng)用，如圖3、圖4所示。可以實現(xiàn)多路圖像、溫度動態(tài)變化曲線可視化展現(xiàn)、各測溫點趨勢智能分析統(tǒng)計等，通過這些功能的輔助，為海上平臺電氣設(shè)備的預(yù)防性溫度監(jiān)測及故障診斷分析提供了有力的技術(shù)支持。

圖3 多路圖像、溫度動態(tài)變化曲線可視化展現(xiàn) Fig.3 Visualization of multi-channel image and dynamic temperature change curve

圖4 各測溫點趨勢智能分析統(tǒng)計曲線 Fig.4 Statistical curves of intelligent trend analysis at each temperature measurement point

6 結(jié) 語

針對自安裝井口平臺無人化研究，紅外熱成像系統(tǒng)解決方案的后續(xù)應(yīng)用將對設(shè)備安全運行監(jiān)測起到積極的作用。紅外熱像技術(shù)作為先進(jìn)的測溫方式及機(jī)器視覺技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用在石化行業(yè)，發(fā)揮 了著越來越重要的作用，紅外熱成像系統(tǒng)已有海上平臺應(yīng)用的成功案例，還將在紅外熱成像系統(tǒng)運維、現(xiàn)場反饋及系統(tǒng)優(yōu)化升級上積累素材，為紅外熱成像系統(tǒng)在自安裝井口無人化研究中的應(yīng)用推廣進(jìn)一步做出貢獻(xiàn)?！?/p>