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

Сайдулин Е.Г.
директор ООО «ЭТРА-спецавтоматика», Новосибирск
E-mail автора - Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script

Шатохин В.А.
ведущий инженер ООО «ЭТРА-спецавтоматика», Новосибирск
E-mail автора - Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script

Рукин М.В.
член комитета по безопасности Торгово-промышленной палаты РФ, Генеральный директор ООО «Компания ЭРВИСТ», Москва
E-mail автора - Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script

Аннонтация. Предлагается устройство, которое с помощью тепловизионной съёмки автоматически без участия оператора осуществляет круглосуточный контроль над перегревом оборудования. Анормальные температуры поверхностей могут приводить к повреждению оборудования и возгоранию.

Идея сверхраннего обнаружения перегрева и пожара витает давно. Это очень заманчиво: предотвратить пожар на стадии, когда 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 ремонтопригодным. Для этого нужно контролировать температуру поверхности физических тел, выделяя температуру ненормальную для контролируемого тела. Как отмечено в работе [1]: 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.

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.

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:

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.

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.

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»

Посмотрите видео-презентацию прибора с выставки – "Нефтегаз - 2019"

Посмотрите вебинар "Тепловизионный индикатор критических состояний ТИКС «Снегирь»"

Признаком критического состояния является абсолютный порог температуры, превышение которого означает тревогу. Порог температуры устанавливается при инсталляции ТИКС.

В поле зрения могут находиться объекты, у каждого из которых может быть свой порог критической температуры. Например, в комнате может находиться чайник, для которого температура поверхности +80°С – это нормальная рабочая температура. В той же комнате может быть розетка, для которой температура поверхности +60° - это явно ненормальная температура. Чтобы осуществить наблюдение за объектами с разными критериями критического состояния при настройке ТИКС можно указать до 8-ми зон, очертив их контура на термограмме сервисной программы, для каждой из зон можно указать свой порог критической температуры. Зоной может быть как площадь внутри контура (контур включения) (рис.3), так и площадь за пределами контура (контур исключения). После указания зон компьютер с сервисной программой передаёт данные о зонах (координаты и пороговая температура) в ТИКС «Снегирь».

Для предыдущего примера можно исключить чайник из анализа, не реагировать при любой его температуре, а для розетки установить порог критического состояния +40°С.

Поскольку ТИКС ищет критическое состояние, то анализируемая температура критического состояния цели составляет от +20 до +230°С.

Рисунок 3 – Термограммы ТИКС «Снегирь».

а). Электродвигатель. В зоне 1 (красный контур с заливкой) найдено превышение пороговой температуры 80°С, в зоне 2 (жёлтый контур с заливкой) найдено превышение пороговой температуры 80°С. Превышение в зонах 1 и 2 соответствует перегреву статора. В зоне 3 (оранжевый контур) отсутствует превышение подшипником ротора пороговой температуры 110°С;

б). Кабеля, подключённые к силовым электрическим автоматам. В зоне 2 (оранжевый контур с заливкой) зафиксировано превышение пороговой температуры 60°C. В зонах 1 и 3 (синий и красный контура) превышения пороговой температуры не произошло.

Так как тревожный сигнал формируется автоматически, то ТИКС должен иметь очень малую частоту ложных тревог. Для этого используется алгоритм, который в термограмме выделяет пиксели с температурой не ниже установленного порога критического состояния, в последующих кадрах анализирует их поведение (сохранились, расширились, исчезли) и, на основании этого, ТИКС принимает решение о выдаче тревожного сигнала.

Индикатор ТИКС может быть установлен в различных местах, в том числе труднодоступных. Для облегчения «контакта» с ТИКС компьютер со служебной программой может подключаться к ТИКС по беспроводному каналу WiFi. Собственно канал обмена нужен весьма редко: при наладке или при считывании кадра тревожной термограммы из памяти устройства. Беспроводной канал связи позволяет не прокладывать кабель для столь редких нужд.

Для повышения точности измерения тепловизионными приборами нужно учитывать меняющиеся параметры, такие как солнечная радиация, резкие перепады окружающего воздуха, порывы ветра. ТИКС предназначен для работы внутри строительных конструкций, в которых относительно медленно меняется температура воздуха, сила воздушных потоков, отсутствует прямое солнечное излучение.

Поставляемый ТИКС «Снегирь» полностью готов к установке (рис.4).

Системная интеграция ТИКС «Снегирь».

Средством передачи сигналов тревоги являются «сухие» контакты восьми реле (по количеству контуров зон), которые коммутируются при обнаружении или исчезновении критического состояния, а также отдельные «сухие» контакты реле, которые коммутируются при обнаружении неисправности устройства.

Предусмотрено подключение по интерфейсу RS422.

Для получения термограммы используется компьютер с установленной сервисной программой, который подключается к ТИКС по интерфейсу RS422 или по беспроводному интерфейсу WiFi.

Для определения тревожной ситуации ТИКС визуальную термограмму непрерывно оператору не передаёт, поскольку выделение критического состояния происходит автоматически.

Визуальная термограмма является вспомогательным средством. Она нужна при настройке индикатора на объекте, когда можно увидеть, что находится в поле зрения ТИКС, указать контурами зоны контроля и пороги температуры.

Кроме этого, если есть необходимость увидеть, что послужило причиной тревоги, в каком месте поля зрения, можно получить фиксированный кадр, который автоматически сохраняется в памяти ТИКС при тревоге. В фиксированном кадре отмечается контур зоны, в которой было выделено критической состояние.

Технические характеристики ТИКС.

В индикаторе ТИКС используется модуль инфракрасной матричной камеры, разрешение 80 х 60 пикселей. Это гораздо более эффективно, чем использование одноточечного болометра, поскольку в этом случае можно контролировать большую площадь и использовать алгоритмы защиты от ложных тревог, контролировать несколько объектов.

Вместе с тем, по сравнению с ИК камерами большого разрешения, такой модуль при меньших затратах решает задачу обнаружения критического состояния оборудования и помещений.

ТИКС «Снегирь»(Exd) – взрывозащищённый вариант индикатора (рис.4б), относится к взрывозащищённому электрооборудованию групп I, II и III по ГОСТ 31610.0-2014 (IEC 60079-0:2011) и предназначен для применения во взрывоопасных зонах в соответствии с установленной маркировкой взрывозащиты,

Маркировка взрывозащиты:

• - оболочка из алюминиевого сплава 1Ex d [ia Ga] II C T6 Gb X / Ex tb [ia Da] IIIC T85°C Db X
• - оболочка из нержавеющей стали 1Ex d [ia Ga] II C T6 Gb X / РВ Ex d [ia Ma] I Mb X /Ex tb [ia Da] IIIC T85°C Db X

Рисунок 4 – Варианты исполнений ТИКС «Снегирь»

а). Общепромышленный вариант ТИКС «Снегирь»;

б). Взрывозащищённый вариант ТИКС «Снегирь»(Exd) в оболочке из алюминиевого сплава.

Особенности ТИКС «Снегирь».

• - устройство ТИКС обеспечивает непрерывное измерение, анализ температуры поверхностей физических тел и определение критического состояния автономно, без участия оператора;
• - устройство ТИКС обеспечивает безопасность оператора. Оператору нет необходимости находиться рядом с прибором при измерениях. Особенно это важно, если измерения проводятся при высокой температуре, при высокой влажности или опасных газах;
• - устройство ТИКС обеспечивает контроль в труднодоступных местах. Есть поверхности и устройства, расположенные в труднодоступных местах, контролировать их нужно, но добраться до них невозможно. Устройство, заранее размещённое в таких местах, будет осуществлять автоматический контроль;
• - устройство ТИКС показательно. Термограмма позволяет увидеть причину тревоги. Мы можем получить срабатывание по тревожной ситуации. При этом термограмма, которая при срабатывании сохраняется в памяти прибора, позволяет впоследствии увидеть причину и опасное место, которое было обнаружено устройством;
• - устройство ТИКС определяет точное месторасположение. Позволяет с большой точностью определить место анормальной температуры, что позволяет не тратить время на поиски места перегрева;
• - устройство ТИКС малоинерционно;
• - устройство ТИКС позволяет контролировать движущиеся объекты;
• - устройство ТИКС «не видит» потоков горячего и холодного воздуха;
• - устройство ТИКС «не видит» пары, туман и пыль в воздухе;
• - устройство ТИКС не требует периодической метрологической поверки.

Возможное использование ТИКС «Снегирь».

• - Мониторинг технологического оборудования. Контроль над узлами и устройствами производственных линий или другого технологического оборудования, у которых существует риск разрушения или возгорания в результате перегрева или неправильной работы [2].
• - Мониторинг мест хранения материалов. Контроль пожарной опасности, предотвращение самовозгорания или загрузки горячего материала в угольных складах [10], отвалах, в нефтяной и химической промышленности, в складах древесины.
• - Противопожарный контроль обеспечит сверхраннее обнаружение пожара. Эта возможность предоставлена обнаружением истинной температуры объекта на расстоянии с малым временем реакции на нарушение порога температуры.
• - В энергетике и электротехнике. Обнаружение перегрева токоведущих частей, вызванное увеличением сопротивления контакта, обнаружение предаварийного и аварийного режима высоковольтных устройств, трансформаторов, электродвигателей и прочее [3,5].
• - Мониторинг в транспортных тоннелях (рис.5). Контроль над возгоранием в тоннеле. Система из ТИКС может быть организована так, чтобы определять место возгорания.
• - Мониторинг теплового режима технологического процесса. В этом случае критическим состоянием является нарушение технологического процесса в результате выхода температуры за пределы допустимого диапазона.

Рисунок 5 – ТИКС «Снегирь» в автомобильном тоннеле. Зафиксировано превышение пороговой температуры 60°С в зоне 1 (красный контур с заливкой) верхней части кузова грузового автомобиля.

Выводы.

При непрерывном наблюдении за состоянием объектов с помощью ИК-термографии возможна своевременная реакция на накапливающиеся изменения в оборудовании с целью вывода в ремонт, не дожидаясь необратимых повреждений.

Определение анормальной температуры объекта также позволяет своевременно выделить место потенциального пожара.

Автоматические аналитические тепловизоры позволяют осуществлять непрерывный контроль за тепловым состоянием объекта. Эти устройства предоставляют возможность перехода от эпизодического обследования к непрерывному наблюдению и анализу состояния объекта.

Список литературы

1. Артамонов В.С. Сверхраннее и раннее обнаружение загораний: понятия, границы применения и единство / Артамонов В.С., Поляков А.С., Иванов А.Н. // Пожаровзрывобезопасность. – 2016. – том 25 N 4. – с.78-83. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.09.78-83
2. Лунегов М.В. Возможности инфракрасной термографии при оценке технического состояния элементов ленточных конвейеров [Электронный ресурс]. / Лунегов М.В., Кузин Е.Г. // IX Всероссийская научно-практическая конференция молодых учёных «Россия молодая», 18-21 апреля 2017 г.
3. Назаров А.А. Проверка пожарной опасности электрооборудования жилых и общественных зданий с помощью тепловизора. Методические рекомендации / Назаров А.А., Пехотиков В.А., Грузинова О.И., Рябиков А.И. // ФГБУ ВНИИПО МЧС России. – М:2004.
4. Нестерук Д.А. Тепловой контроль и диагностика. Учебное пособие для подготовки специалистов I, II, III уровня / Нестерук Д.А., Вавилов В.П. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. – 104 с.
5. РД 153-34.0-20.363-99 Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ [Электронный ресурс].
6. Тепловизор [Электронный ресурс]: Википедия. Свободная энциклопедия. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Тепловизор, свободный – (04.10.2020)
7. Электрические сети, оборудование, документация, инструкции. Анализ результатов тепловизионного контроля контактных соединений [Электронный ресурс].
8. Automation Technology. IRSX Series. Smart Infrared Cameras for Industry 4.0 [Электронный ресурс].
9. FLIR. Fixed Network Thermal Cameras FLIR FC-Series R (Automation) Model: FLIR FC-324R [Электронный ресурс].
10. Sobocińska A. The Use of Thermovision in the Monitoring of Coal Storage Facilities as an Element of Safety Management in the Warehouse Management [Электронный ресурс]. / Sobocińska A., Sobociński M.
11. Thermal Cameras Spare Recyclers from Fire Damage [Электронный ресурс].