自安裝井口平臺無人化建設中紅外在線測溫技術的應用

呂瑞升，韓 旭

(中海油能源發展采油服務公司 天津 300457)

0 引 言

隨著海上平臺無人化推進步伐的日益加快，自安裝井口平臺無人化的相關數字化及智能化技術應用越來越需要合理布局。鑒于自安裝井口平臺上的開關柜、變頻器柜、變壓器、UPS等集成了多種電氣元件，結構緊湊、空間間隙小，且設備處于密封及帶電狀態，無法直觀察看內部情況，安全風險大。由于開關柜、變頻器柜、變壓器、UPS等長期經受電、熱、機械等負荷作用，以及粉塵、凝露、鹽霧、高溫等海洋環境的影響，極易引起老化、磨損甚至短路，從而發生故障，而大部分電力故障的征兆表現為異常高溫。傳統的解決方案分為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控以及數據管理，高壓柜測溫存在帶電作業風險。

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、在線溫度監測，具有直觀、可視的溫度監測，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，分區域、分設備靈活配置，溫度變化可視、智能判斷，測溫精準且系統響應靈敏，等特點。

1 紅外熱成像研究現狀

近年來，對紅外熱成像技術進行了持續的研究。表1展示了通過百度學術統計的近十年來與紅外熱像技術相關的研究文獻數量，從中可以看出近年來該領域研究數量呈上升的趨勢。紅外熱成像儀有著諸多優點，隨著技術的發展與研究的深入，與安全科學中不同學科相結合，可進行安全隱患排查及安全風險監測，應用越來越廣泛[1]。

表1 近十年紅外熱成像技術在各行業的研究文獻數量(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方法，將相同場景的2個圖像(可見光圖像和紅外熱圖像)轉換為相同分辨率的圖像，并調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來查找關鍵點，完成2個已處理圖像的點對點配準，并刪除不匹配的點。在源圖像對中顯示匹配的結果，并且進行透視變換，以實現自動配準可見圖像和紅外圖像，從而建成自動匹配測溫系統，并對流動人群進行體溫篩查。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控圖像以實現遠距離監測車廂內的狀況，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，以達到高效的火災預警。于占忠[5]為解決高爐熱風爐危險區域無法實現實時監測，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，基于紅外熱像技術不同溫度不同紅外強度的理論設計了一套紅外熱像監測系統，經現場考察而設置的數個測溫點將監測到的紅外熱像圖及數據傳輸給計算機，通過軟件進行分析處理，從而實現了熱風爐及熱風管等危險區域的實時監測，確保了人員及生產安全。曾凱[6]為解決高壓配電設備實時溫度監測難的問題，基于紅外熱像技術設計了紅外在線監測系統，以紅外熱像儀為核心，運用LabVIEW 編寫了控制系統和交互界面，利用掃描云臺實現測溫儀對高壓配電設備進行實時在線監測，該系統操作簡單、運行可靠、測量溫度精度高，實現了包括數據采集、顯示、儲存、處理在內的在線實時監測。

2 紅外熱成像工作原理及性能參數

任何溫度高于絕對零度的物體，由于其內部熱運動的存在，都會輻射包括紅外波段在內的電磁波[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，它在電磁波連續頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區域。這種紅外線輻射基于任何物體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，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，而是目標表面溫度分布的圖像。或者說，它是將人眼不能直接看到的目標表面溫度分布，變成人眼可以看到的代表目標表面溫度分布的熱圖像。運用這一方法，便能實現對目標進行遠距離熱狀態圖像成像和測溫，并可進行智能分析判斷。

紅外熱成像技術是一種被動紅外夜視技術，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判別各種被測目標的溫度高低和熱分布場提供了客觀的基礎。利用這一特性，通過光電紅外探測器將物體發熱部位輻射的功率信號轉換成電信號后，成像裝置就可以一一對應地模擬出物體表面溫度的空間分布，最后經系統處理，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的熱像圖，即紅外熱圖像。

光學系統接受被測目標的紅外輻射后，經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，并進行A/D轉換，以送入微機作視頻圖像處理。由于被測目標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。經過處理的信號送入到視頻信號形成部分進行D/A轉換并形成標準的視頻信號，最后通過電視屏或監視器顯示被測目標的紅外熱像圖。

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、噪聲譜、均勻性等有關外，還與探測器探測信號的輸出性能有關，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移效率、電荷處理能力、串擾，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如表2所示。

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

3 紅外熱成像系統架構

紅外熱成像系統架構分3層，分別是物理層、傳輸層及應用層。物理層指現場級，紅外在線測溫模塊針對設備的測溫點進行安裝檢測；傳輸層指數據交換機，從現場級采集的數字信號通過數據交換機的傳輸和處理；應用層指終端顯示系統，從傳輸層經數據交換機傳輸的數字或視頻信號在應用層進行顯示，最終起到監控功能。紅外熱成像系統架構如圖2所示。

圖2 紅外熱成像系統架構示意圖 Fig.2 Schematic diagram of infrared thermal imaging system architecture

4 紅外熱成像系統優勢

紅外熱成像系統具備6方面優勢，其中包括：非接觸式在線測溫；全視場面測溫，實現實時點、線、面測溫；自動生成溫度數據報表及曲線；支持溫度趨勢分析、溫度預警；危險判別、故障定位；遠程參數配置、批量設備升級。客戶端內嵌溫度診斷算法有5種，分別是：表面溫度判斷法，即遵照已有的標準，對設備顯示溫度過熱的部位按照相關的規定判斷它的狀態正常與否；相對溫差判斷法，即“相對溫差”，指 2臺設備狀況相同或基本相同的2個對應測點之間的溫差，與其中較熱測點溫升比值的百分數；同類比較法，即同類設備之間進行比較，所謂“同類”設備的含義是指同一回路的同型設備或同一設備的三相；檔案分析法，即將測量結果與設備的紅外技術檔案相比較而進行分析；圖譜異常判斷法，即根據熱像圖譜出現的異常，判斷設備的運行工況。運用這些診斷算法，保證了紅外熱成像在監測過程中統計的有效性。

5 應用效果

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

圖3 多路圖像、溫度動態變化曲線可視化展現 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計曲線 Fig.4 Statistical curves of intelligent trend analysis at each temperature measurement point

6 結 語

針對自安裝井口平臺無人化研究，紅外熱成像系統解決方案的后續應用將對設備安全運行監測起到積極的作用。紅外熱像技術作為先進的測溫方式及機器視覺技術，目前已被廣泛應用在石化行業，發揮 了著越來越重要的作用，紅外熱成像系統已有海上平臺應用的成功案例，還將在紅外熱成像系統運維、現場反饋及系統優化升級上積累素材，為紅外熱成像系統在自安裝井口無人化研究中的應用推廣進一步做出貢獻。■