自安装井口平台无人化建设中红外在线测温技术的应用

吕瑞升，韩 旭

(中海油能源发展采油服务公司 天津 300457)

0 引 言

随着海上平台无人化推进步伐的日益加快，自安装井口平台无人化的相关数字化及智能化技术应用越来越需要合理布局。鉴于自安装井口平台上的开关柜、变频器柜、变压器、UPS等集成了多种电气元件，结构紧凑、空间间隙小，且设备处于密封及带电状态，无法直观察看内部情况，安全风险大。由于开关柜、变频器柜、变压器、UPS等长期经受电、热、机械等负荷作用，以及粉尘、凝露、盐雾、高温等海洋环境的影响，极易引起老化、磨损甚至短路，从而发生故障，而大部分电力故障的征兆表现为异常高温。传统的解决方案分为2种：其一是安装接触式多点温度传感器，为此需要安装多个测温点，无法准确定位故障点且不能满足高电压大电流场合；其二是利用手持式红外热成像仪巡检，人工巡检效率低，依赖人工无法完成实时监控以及数据管理，高压柜测温存在带电作业风险。

目前全新的测温方式，即红外在线测温解决方案，采用24h不间断的实时、在线温度监测，具有直观、可视的温度监测，体积小巧、易安装、可自动报警、自动生成温度曲线和报表功能。全面在线测温具备全面覆盖点测温、线测温、面测温，分区域、分设备灵活配置，温度变化可视、智能判断，测温精准且系统响应灵敏，等特点。

1 红外热成像研究现状

近年来，对红外热成像技术进行了持续的研究。表1展示了通过百度学术统计的近十年来与红外热像技术相关的研究文献数量，从中可以看出近年来该领域研究数量呈上升的趋势。红外热成像仪有着诸多优点，随着技术的发展与研究的深入，与安全科学中不同学科相结合，可进行安全隐患排查及安全风险监测，应用越来越广泛[1]。

表1 近十年红外热成像技术在各行业的研究文献数量(篇) Tab.1 Number of research literature on infrared thermal imaging technology in various industries in recent ten years

王俊影等[2]使用基于边缘特征的图像配准方法，将相同场景的2个图像(可见光图像和红外热图像)转换为相同分辨率的图像，并调用轮廓搜索和遮罩方法，使用边缘检测、角点检测和其他函数来查找关键点，完成2个已处理图像的点对点配准，并删除不匹配的点。在源图像对中显示匹配的结果，并且进行透视变换，以实现自动配准可见图像和红外图像，从而建成自动匹配测温系统，并对流动人群进行体温筛查。余耀等[3]利用红外热像仪测量小麦叶片的温度，根据叶片上30个点的温度求平均值，并以此作为其温度特征，来研究低空气湿度对叶片气孔的影响。刘飞等[4]利用红外图像作为监控图像以实现远距离监测车厢内的状况，减少了光源辐射的干扰，通过对红外图像的温度判定及基于高斯分布和采用离散余弦来建立火警概率模型，以达到高效的火灾预警。于占忠[5]为解决高炉热风炉危险区域无法实现实时监测，需派遣巡检人员以排除隐患确保安全的人力问题及安全问题，基于红外热像技术不同温度不同红外强度的理论设计了一套红外热像监测系统，经现场考察而设置的数个测温点将监测到的红外热像图及数据传输给计算机，通过软件进行分析处理，从而实现了热风炉及热风管等危险区域的实时监测，确保了人员及生产安全。曾凯[6]为解决高压配电设备实时温度监测难的问题，基于红外热像技术设计了红外在线监测系统，以红外热像仪为核心，运用LabVIEW 编写了控制系统和交互界面，利用扫描云台实现测温仪对高压配电设备进行实时在线监测，该系统操作简单、运行可靠、测量温度精度高，实现了包括数据采集、显示、储存、处理在内的在线实时监测。

2 红外热成像工作原理及性能参数

任何温度高于绝对零度的物体，由于其内部热运动的存在，都会辐射包括红外波段在内的电磁波[7]。红外光谱波长介于0.75～1000μm之间，由于大气对红外辐射的选择性吸收，在大气中红外辐射仅能够在1～2.5μm、3～5μm和8～14μm 3个波段内有效地传输。

红外线辐射是自然界中存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。这种红外线辐射基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量。分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大；反之，辐射的能量愈小。

在自然界中，一切物体都会辐射红外线，因此利用探测器测定目标本身和背景之间的红外线差可以得到不同的红外图像，称为热图像。同一目标的热图像和可见光图像不同，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是目标表面温度分布的图像。或者说，它是将人眼不能直接看到的目标表面温度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温，并可进行智能分析判断。

红外热成像技术是一种被动红外夜视技术，其原理基于自然界中一切温度高于绝对零度(-273.15℃)的物体每时每刻都辐射出红外线，同时这种红外线辐射都载有物体的特征信息，这就为利用红外技术判别各种被测目标的温度高低和热分布场提供了客观的基础。利用这一特性，通过光电红外探测器将物体发热部位辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置就可以一一对应地模拟出物体表面温度的空间分布，最后经系统处理，形成热图像视频信号，传至显示屏幕上，就得到与物体表面热分布相对应的热像图，即红外热图像。

光学系统接受被测目标的红外辐射后，经光谱滤波将红外辐射能量分布图形反映到焦平面上的红外探测器阵列的各光敏元上，探测器将红外辐射能转换成电信号，由探测器偏置与前置放大电路输出的放大信号注入到读出电路，以便进行多路传输。高密度、多功能的CMOS多路传输器的读出电路能够执行稠密的线阵和面阵红外焦平面阵列的信号积分、传输、处理和扫描输出，并进行A/D转换，以送入微机作视频图像处理。由于被测目标物体各部分的红外辐射的热像分布信号非常弱，缺少可见光图像那种层次和立体感，需进行一些图像亮度与对比度的控制、实际校正与伪彩色描绘等处理。经过处理的信号送入到视频信号形成部分进行D/A转换并形成标准的视频信号，最后通过电视屏或监视器显示被测目标的红外热像图。

红外焦平面阵列的工作性能除了与探测器性能，如量子效率、光谱响应、噪声谱、均匀性等有关外，还与探测器探测信号的输出性能有关，如输入电路中的电荷存储、均匀性、线性度、噪声谱、注入效率，读出电路中的电荷转移效率、电荷处理能力、串扰，等。其工作原理图示意如图1所示。

图1 红外热成像工作原理示意图 Fig.1 Schematic diagram of working principle of infrared thermal imaging

不同类型的通用微型红外热成像检测仪参数如表2所示。

表2 通用微型红外热成像检测仪参数对比表 Tab.2 Parameter comparison of general miniature infrared thermal imaging detector

3 红外热成像系统架构

红外热成像系统架构分3层，分别是物理层、传输层及应用层。物理层指现场级，红外在线测温模块针对设备的测温点进行安装检测；传输层指数据交换机，从现场级采集的数字信号通过数据交换机的传输和处理；应用层指终端显示系统，从传输层经数据交换机传输的数字或视频信号在应用层进行显示，最终起到监控功能。红外热成像系统架构如图2所示。

图2 红外热成像系统架构示意图 Fig.2 Schematic diagram of infrared thermal imaging system architecture

4 红外热成像系统优势

红外热成像系统具备6方面优势，其中包括：非接触式在线测温；全视场面测温，实现实时点、线、面测温；自动生成温度数据报表及曲线；支持温度趋势分析、温度预警；危险判别、故障定位；远程参数配置、批量设备升级。客户端内嵌温度诊断算法有5种，分别是：表面温度判断法，即遵照已有的标准，对设备显示温度过热的部位按照相关的规定判断它的状态正常与否；相对温差判断法，即“相对温差”，指 2台设备状况相同或基本相同的2个对应测点之间的温差，与其中较热测点温升比值的百分数；同类比较法，即同类设备之间进行比较，所谓“同类”设备的含义是指同一回路的同型设备或同一设备的三相；档案分析法，即将测量结果与设备的红外技术档案相比较而进行分析；图谱异常判断法，即根据热像图谱出现的异常，判断设备的运行工况。运用这些诊断算法，保证了红外热成像在监测过程中统计的有效性。

5 应用效果

目前红外热成像已经在海上某平台得到应用，如图3、图4所示。可以实现多路图像、温度动态变化曲线可视化展现、各测温点趋势智能分析统计等，通过这些功能的辅助，为海上平台电气设备的预防性温度监测及故障诊断分析提供了有力的技术支持。

图3 多路图像、温度动态变化曲线可视化展现 Fig.3 Visualization of multi-channel image and dynamic temperature change curve

图4 各测温点趋势智能分析统计曲线 Fig.4 Statistical curves of intelligent trend analysis at each temperature measurement point

6 结 语

针对自安装井口平台无人化研究，红外热成像系统解决方案的后续应用将对设备安全运行监测起到积极的作用。红外热像技术作为先进的测温方式及机器视觉技术，目前已被广泛应用在石化行业，发挥 了着越来越重要的作用，红外热成像系统已有海上平台应用的成功案例，还将在红外热成像系统运维、现场反馈及系统优化升级上积累素材，为红外热成像系统在自安装井口无人化研究中的应用推广进一步做出贡献。■