红外热成像仪在火灾防范中的作用

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关键词:一、什么是红外热成像   光线是大家熟悉的。光线是什么?光线就是可见光,是人眼能够感受的电磁波。可见光的波长为:0.38—0.78微米。比0.38微米短的电磁波和比0.78微米长的电磁波,人眼都无法感受。比0.38微米短的电磁波位于可见光光谱紫色以外,称为紫外线,比0.78微米长的电磁波位于可见光光谱红色以外,称为红外线。红外线,又称红外辐射,是指波...
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一、什么是红外热成像
  光线是大家熟悉的 。光线是什么?光线就是可见光 ,是人眼能够感受的电磁波。可见光的波长为:0.38—0.78微米。比0.38微米短的电磁波和比0.78微米长的电磁波,人眼都无法感受 。比0.38微米短的电磁波位于可见光光谱紫色以外,称为紫外线 ,比0.78微米长的电磁波位于可见光光谱红色以外,称为红外线。红外线,又称红外辐射 ,是指波长为0.78~1000微米的电磁波。其中波长为0.78~2.0微米的部分称为近红外,波长为2.0~1000微米的部分称为热红外线 。
  照相机成像得到照片,电视摄像机成像得到电视图像 ,都是可见光成像。自然界中 ,一切物体都可以辐射红外线,因此利用探测仪测定目标的本身和背景之间的红外线差并可以得到不同的红外图像,热红外线形成的图像称为热图。
  目标的热图像和目标的可见光图像不同 ,它不是人眼所能看到的目标可见光图像,而是目标表面温度分布图像,换一句话说 ,红外热成像使人眼不能直接看到目标的表面温度分布,变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像 。
二 、 红外热成像的特点
  有位著名的美国红外学者指出:“人类的发展可分为三个阶段 。第一个阶段是人类通过制造工具,扩展体力活动的能力 ,第二阶段通过提高判断能力,寻求更清晰和更广泛的理解与判断事物的标准,而人类近年来致力的增强获得输入信息的能力 ,扩大感觉范围或增添新的感官,使我们的大脑能接受更多的信息,正是人类发展的第三阶段。在这个阶段中 ,红外技术的发展已经把人类的感官由五种增加到六种” 。这一席话 ,我认为恰如其分的道出了红外成像技术在当代的重要性 。因为,我们周围的物体只有当它们的温度高达1000℃以上时,才能够发出可见光。相比之下 ,我们周围所有温度在绝对零度(-273℃)以上的物体,都会不停地发出热红外线。例如,我们可以计算出 ,一个正常的人所发出的热红外线能量,大约为100瓦 。所以,热红外线(或称热辐射)是自然界中存在最为广泛的辐射。热辐射除存在的普遍性之外 ,还有另外两个重要的特性。
  1.大气、烟云等吸收可见光和近红外线,但是对3~5微米和8~14微米的热红外线却是透明的 。因此,这两个波段被称为热红外线的“大气窗口 ” 。利用这两个窗口 ,可以使人们在完全无光的夜晚,或是在烟云密布的战场,清晰地观察到前方的情况。
2.物体的热辐射能量的大小 ,直接和物体表面的温度相关 。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析 ,从而为消防等电气火灾预知性检测等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。
三、红外热成像仪
  根据物体能够发射红外线的特点,各国竞相开发出各种红外热成像仪器。
  美国德克萨斯仪器公司(TI)在1964年首次研制成功第一代的热红外成像装置,叫红外前视系统(FLIR) ,这类装置利用光学元件运动机械,对目标的热辐射进行图像分解扫描,然后应用光电探测器进行光——电转换 ,最后形成视频图像信号,并在荧屏上显示,红外前视系统至今仍是军用飞机 、舰船和坦克上的重要装置 。
  六十年代中期瑞典AGA公司和瑞典国家电力局 ,在红外前视装置的基础上,开发了具有温度测量功能的热红外成像装置 。这种第二代红外成像装置,通常称为热像仪。
  七十年代法国汤姆荪公司研制出 ,不需致冷的红外热电视产品。 九十年代出现致冷型和非致冷型的焦平面红外热成像产品,这是一种最新一代的红外电视产品,可以进行大规模的工业化生产 ,把红外热成像的应用提高到一个新的阶段 。
  七十年代中国有关单位已经开始对红外热成像技术进行研究 ,到八十年代初,中国在长波红外元件的研制和生产技术上有了一定进展。到了八十年代末和九十年代初,中国已经研制成功了实时红外成像样机 ,其灵敏度、温度分辨率都达到很高的水平。
  进入九十年代,中国在红外成像设备上使用低噪音宽频带前置放大器,微型致冷器等关键技术方面有了发展 ,并且从实验 走向应用,主要用途用于部队,例如便携式野战热像仪 ,反坦克飞弹、防空雷达以及坦克 、军舰火炮等 。
  中国在红外热成像技术方面,已经投入了大量人力物力,形成了相当规模的研发力量,在国际上 ,美国、法国、以色列 、中国是这方面的先行者,其它国家包括俄罗斯均处下游水平。
  近几年来,在党的政策方针指引下 ,中国的红外成像技术得到突飞猛进的发展 ,与西方的差距正在逐步缩小,有些设备的先进性也可同西方同步,相信中国和西方的差距会进一步缩小 ,尤其在新技术的应用方面更可以独树一帜。
四 、红外热像仪在消防中的作用
  火灾往往是由不明显的隐火引发的 。这是毁灭性火灾的根源,用现有的普通方法,很难发现这种隐性火灾苗头。然而采用红外热成像仪 ,则可以快速有效地发现这些隐火,把火灾消灭在最初。
  加拿大林业学院早在1975年就开始进行森林防火试验,从飞机上检查尚未起燃地潜在火源 ,加拿大森林研究中心利用直升飞机采用AGA750便携式热成像仪,在一个火灾季节中发现15次隐火 。谷物粮仓往往会发生自燃现象,这种自燃现象往往时间长、来势猛、损失大。目前一般采用温度计测量其粮仓地温度变化加以防范。采用热像仪可以准确判定这些火灾的地点和范围 ,做到早知道早预防,早扑灭 。采用热像仪方便简单,速度快 ,扑灭及时 。
  红外热像仪还可以用来探测电气设备的不良接触 ,以及过热的机械部件,以免引起严重短路和火灾。
  1980年至1983年四年中,我国利用国产的热像仪对华北电力网内的20座发电厂 、8座变电站和24条高压线的10000多个插头进行了过热检查 ,发现不正常发热点500多处,严重过热为100处,由于及时处理 ,未发生火灾事故。在国外,美国保险公司的统计数据表明,在所有电气设备隐患中的25%以上是引发火灾的主要原因 ,都是由于插头接触不良引发的,所以美国国家防火协会的《电气维修手册70B》规定,在任何电气插头按照规定的力距被紧固之后 ,只要这个力矩值不变化,以后就不应当再进行紧固 。所以制造良好,安装正常的电气插头 ,根本不需要定期紧固 ,只有发现其功能异常和其过热才要去处理。
  对于所有可以直接看见的设备,红外热成像产品都能够确定所有连接点的热隐患。对于那些由于屏蔽而无法直接看到的部分,则可以根据其热量传导到外面的部件上的情况 ,来发现其热隐患,这种情况对传统的方法来说,除了解体检查和清洁接头外 ,是没有其它的办法 。断路器、导体、母线及其它部件的运行测试,红外热成像产品是无法取代。然而红外热成像产品可以很容易地探测到回路过载或三相负载的不平衡。
  美国MAI公司对许多已经进行过一般电气预防性设备做红外热成像产品检查,发现其中不少已接受过维修的设备仍然存在电气故障 。例如一个重要电子产品生产厂家 ,这个公司对其电气设备每两年进行一次停电维修。在这停电运行期间,进行设备清扫,对所有连接点紧固和断路器的跳闸试验。并对高 、低压开关装置安装进行测试 。在传统维修之后进行的红外热成像产品检查 ,仍然确定了一些隐患。在不同设备上发现的严重隐患有19个,一般隐患有179个。这些严重隐患是指被测设备的表面温度超过NEMA或UL的最大设计温度 。大多数隐患是在电动机控制设备上发现的,另外也在开关装置和动力盘上发现一些隐患 。又例如一个联邦政府办公用建筑物内一个主要电动机控制中心发生火灾之后 ,每六个月对设备进行一次预防性维修。在这次火灾之后进行过两次维修 ,又进行一次红外热成像产品检查,其结果是:严重隐患预防维修之前为3个,而预防维修之后还是3个。所以红外热成像产品检查的必要性是显而易见的 。
  此外 ,使用红外热成像产品代替传统方法的清扫和紧固可以节省大量费用。这种节约有两个原因:首先是红外热成像产品检查进行的十分快,而不像传统的方法那样花费大量人力去进行设备的清扫和紧固。另外红外热成像产品检查在进行时,不要求设备停电 ,而只是在找出隐患后,在进行修理时才要求短时间停电 。并且为修理个别隐患的停电只是局部性的,停电时间很有限 ,甚至可能安排在计划停电时间内进行修理。下面是几个例子。
  1、美国的一个《资产管理公司》推行一个包括所有电动机控制设备、照明 、动力盘和开关装置的完整维修项目(不包括断路器跳闸试验) 。其收费标准根据工作量而定,一个典型的办公大楼(250,000平方英尺,10层)平均维修费用为6,500美元。同样的大楼进行红外热成像产品检查 ,只要一天便可以完成对所有电动机控制,配电盘和开关装置的检查(并包括各种机械设备),其红外热成像产品检查服务费大约为600美元到800美元。因此 ,红外热成像产品的费用仅是传统方法费用的1/10 。
2、一个《电子设备制造厂》在签定红外热成像产品检查合同之前 ,是采用4天停电,由3个组5个电工进行传统维修,工人每天工作为12小时 ,以便清洁和紧固所有开关装置、电动机控制设备和动力盘中的连接点。这些工作的人工费用为30,000美元。对于同样设备的红外热成像产品检查也进行了4天,并在2个工厂工人协助下完成,其费用只有3,000美元 。
  3 、一个大型《办公/旅馆/售货商业综合楼》每三年进行一次高、低开关装置的传统维修 ,在维修期间花在清洁和紧固工作上的费用至少有20,000美元 。而对同样设备进行红外热成像产品检查则只用12小时,花费仅2,000美元,发现了12隐患 ,其中两个为能引发火灾的严重隐患。
  4、通过红外热成像产品检查和分析,一家《美国小型工厂》每年将耗费由160个减少到40个工时。如按25美元/小时的费用(包括加班)计算每年节省120小时,也就是可以节省3000美元 。
  根据美国的上述经验 ,用红外热成像产品检查代替传统维修中的定期清扫和紧固工作,可以节约费用50%—90%,并可有效防止火灾的发生。例如在1985年7~8月期间 ,华盛顿邮报根据几乎每天都发生的许多电气设备停电事故 ,在头版上描述了这些事故造成的火灾 、人身伤亡 、财产破坏和在生产、税收方面的损失。例如其中当地一家旅馆的

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