16+
Регистрация
РУС ENG
http://www.eprussia.ru/epr/391-392/2431907.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 11-12 (391-392) июнь 2020 года

Тепловизор – от контроля электрических подстанций к контролю над эпидемиями

Производство для энергетики В.К. Попов, В.В. Старцев 1286

Тепловизионный метод контроля основан на том, что любые процессы в природе и человеческой деятельности изменяют внутреннюю энергию тела, которая пропорциональна температуре объекта. Известно, что в ИК-диапазоне сосредоточена основная доля собственного электромагнитного излучения человека и окружающих объек­тов естественного и искусственного происхождения. В результате поверхности физических тел приобретают специфическое температурное распределение.

В основу принципа действия тепловизионных приборов положено двумерное преобразование собственного теплового излучения от объектов в видимое изображение. Тепловизионная техника обладает рядом присущих только ей возможностей: обнаружение удаленных теплоизлучающих объектов независимо от уровня естественной освещенности, а также, до определенной степени, тепловых или других помех (дыма, дождя, тумана и т.п.). Инфракрасные камеры воссоздают образ и характеристики теплого объекта по сигналам от первичных детекторов теплового излучения. Инфракрасная энергия от объектов фокусируется посредством оптики на ИК-детектор, информация от него передается на электронику для обработки изображения, которое транслируется на стандартный видеоэкран. Информация выдается в понятном человеческому глазу виде – псевдо-видеоизображении тепловой картины, принимаемой приемником. Характер температурного поля может показать специфику нарушения состояния исследуемого объекта и позволит принять необходимые меры.

Настоящая статья посвящена анализу применений тепловизоров производства АО «ОКБ «АСТРОН» в различных областях – от контроля работы силовых электрических станций до противоэпидемического контроля. АО «ОКБ «АСТРОН» с 2007 года проводит исследования и разработки в области дальнего инфракрасного излучения. Основным направлением деятельности предприятия является разработка и производство тепловизионной техники, детекторов, а также приборов на их основе. Разработанные изделия используются в нефтегазовом секторе, на железной дороге и др., при этом компания обеспечивает поддержку работоспособности системы в течении всего жизненного цикла изделия. Товарный выпуск тепловизионных объективов, например, для нужд РЖД РФ составляет более 1200 единиц в год.



Как работает тепловизор

Первое, о чем следует говорить – это детектор ИК-излучения. Сегодня большинство мировых производителей матричных неохлаждаемых тепловых детекторов (которые используются в тепловизорах данного класса) достигли уровня, который вполне удовлетворяет требованиям точного отображения температуры неподвижного или медленно двигающегося объекта – размер пикселя 17-25 мкм, формат матрицы от 320х288 до 640х512 пикселей. Такие матрицы производит и ОКБ «АСТРОН». Подобные параметры являются оптимальными по соотношению «цена-качество» и останутся такими ближайшие 5-10 лет. (Подробнее здесь: https://astrohn.ru/wp-content/uploads/2019/02/naumov-ivk-09-mikrobolometry-2019.pdf )





Рис.1 Матричное фотоприемное устройство производства ОКБ «АСТРОН». ©Пресс-служба ОКБ «АСТРОН»


Следующий объект рассмотрения – инфракрасная оптика, которая собирает излучение и направляет его на детектор. Если в оптике видимого диапазона применяются прозрачные стекла, то в инфракрасном диапазоне используются иные материалы – те, которые хорошо пропускают ИК-излучение: полупроводниковый германий (Ge), а также селенид цинка (ZnSe) и инфракрасное стекло (ИКС).





Рис.2 Германиевая линза тепловизора производства ОКБ «АСТРОН». ©Пресс-служба ОКБ «АСТРОН»



Также следует отметить, то расчет ИК-оптических систем – задача далеко не тривиальная. Думаем, что хватит пальцев одной руки, чтобы перечесть количество хороших расчётчиков ИК-систем в нашей стране. (Подробнее можно ознакомиться здесь: https://astrohn.ru/wp-content/uploads/2018/11/66-70.pdf)





Рис.3 Инфракрасные объективы тепловизора производства ОКБ «АСТРОН». ©Пресс-служба ОКБ «АСТРОН»



Это означает, что те производители, которые, подобно «ОКБ «АСТРОН» профессионально много лет занимаются созданием матричных фотоприемных устройств, а также расчетом и производством оптических инфракрасных объективов и систем, получают весьма серьезное преимущество перед прочими. (https://astrohn.ru/wp-content/uploads/2017/07/082-097-Astron-.pdf)



Преимущества тепловизионного контроля силового оборудования

Поскольку тепловизионный контроль проводится без отключения оборудования и в любое время, тепловизионное обследование не мешает предприятию выполнять производственную задачу. Также важно, что поскольку повреждения выявляются на работающем оборудовании, то имеется запас времени для подготовки вывода дефектного оборудования в ремонт, не отключая электроустановку и сокращая время ремонта.

Иными словами, тепловизионный контроль в условиях производства и ремонта по фактическому состоянию энергетического оборудования является единственным средством мониторинга оборудования во время его работы и наиболее информативным, и точным. Это позволяет сократить объем, продолжительность и стоимость ремонтных работ, увеличить межремонтные сроки и повысить надежность работы.



Отечественная система тепловизионного мониторинга Астрон-ТА

Данные задачи возможно решить при помощи «Автоматизированной системы круглосуточной тепловизионной диагностики электротехнического оборудования», изготавливаемой отечественным производителем АО «ОКБ «АСТРОН». Система выпускается на основе серийно производимых тепловизионных модулей марки АСТРОН-ТА. Автоматизированная система круглосуточной тепловизионной диагностики АО «ОКБ «АСТРОН» состоит из:

1.      тепловизионных модулей с аналитической системой обработки температурных полей;

2.      датчиков (температурного, климатического, влажности, скорости ветра и прочие);

3.      оптоволоконной линии передачи сигнала;

4.      сервера хранения и обработки данных;

5.      автоматического рабочего места пользователя.

Модуль является блоком полной заводской готовности, он специально разработан для работы в сложных условиях. Разработаны также типовые схемы размещения системы на реальных объектах. (Рис.4,5).





Рис.4 Схема расположения тепловизоров АСТРОН-ТА на типовом объекте. ©Пресс-служба ОКБ «АСТРОН»

            





Рис.5 Пример расположения тепловизионных модулей АСТРОН-ТА в автоматизированной системе круглосуточной тепловизионной диагностики. ©Пресс-служба ОКБ «АСТРОН»

 



Табл.1 Характеристики автоматизированной системы круглосуточной тепловизионной диагностики

Условия эксплуатации

УХЛ 1 или ЭХЛ 1 ГОСТ 15150

Источник питания

АС 220V±20%, АС 24V±20%

Частота сети

50 Гц

Спектральный диапазон

7-14 мкм

Размер пикселя

17 мкм

Защищенность

IP67

Энергопотребление

Максимум 30 Вт, в момент включения Максимум 12 Вт, нагрев/охлаждение Максимум 6 Вт, без нагрева/охлаждения

Изоляция по входу

3000 В

Импульсный ток

До 20 кА

Категория стойкости изоляции блоков питания

ГОСТ Р50571.19-2000

Размеры

330×230×180 без бленды 330×300×180 с блендой

 



Встроенная аналитика Астрон-ТА

Работа автоматизированной системы, изготовленной АО «ОКБ «АСТРОН», осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения, поддерживающего одновременную стабильную круглосуточную работу нескольких тепловизионных камер, запись полученных данных в видео-формате и его обработку в реальном времени, а также поддержку внешних устройств. Мониторинг осуществляется автоматически средствами видеонаблюдения, встроенной в систему интеллектуального анализа распределения температурных полей (термоаналитики). На основании полученных данных с тепловизионных полей, система сравнивает показатели с выше заданными параметрами и в случае превышения показателей выдает сигнал тревоги в систему сбора и обработки информации. Сигнал тревоги по системе передачи данных, по оптоволоконным линиям связи, передается на существующий сервер для записи, а также отображает сигнал тревоги в АРМе с выводом на экран термограммы проблемного объекта. (Рис.6)





Рис.6 Схема работы автоматизированной системы, изготовленной АО «ОКБ «АСТРОН». ©Пресс-служба ОКБ «АСТРОН»



 

Некоторые особенности практической работы

При проведении тепловизионного обследования электрооборудования существенное значение имеет выявление и устранение систематических и случайных погрешностей, оказывающих влияние на результаты измерения. Ими могут являться воздействие солнечной радиации, выбор излучательной способности, ветер, тепловая инерция, дождь или снег, магнитные поля и др. Измерения необходимо проводить при отсутствии прямого сол­нечного излучения, при этом сплошная облачность не пропускает ИК излучение Солнца и в некоторых случаях возможно проведение тепловизионной диагностики днем при сплошной облачности. Важ­но, чтобы измерялось собственное ИК излучение обследуемого объ­екта, которое связано с наличием дефекта и степенью его развития. Поэтому практически все измерения должны выполняться в вечернее и ночное время. Измерения в летний период производятся не менее чем через два часа после захода солнца для исключения погрешно­стей от дневного нагрева солнцем. При проведении диагностики необходимо учитывать коэффициент излучения поверхности обследуемого объекта, а также угол между осью тепловизионного приемника и нормалью к излучающей поверх­ности объекта. При обнаружении более нагретых зон система оценивает, не является ли это следствием разницы в коэффициентах излучения, не связано ли это с наличием отверстий или расположен­ных под углом плоскостей.

Встроенная в систему термоаналитика позволяет проводить мониторинг всех типов оборудования по индивидуальным алгоритмам, соответствующим группам оборудования, согласно РД 153-34.0-20.363-99 «Методика инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ». Чувствительность тепловизора и качество изображения позволяет локализовать перегрев до 0.1оС, осуществлять тепловизионные испытания электрооборудования при значениях токов линий, значительно отличающихся от номинальных значений, при этом условия испытаний различаются по температуре окружающей среды, скорости ветра, габаритам объектов и т.п.

Возможность установки тепловизионного оборудования для круглосуточного контроля энергетического оборудования является существенным шагом в целях бесперебойного безаварийного электроснабжения. Применение отечественной системы автоматической сигнализации Астрон-ТА на основе круглосуточного тепловизионного наблюдения позволит диагностировать проблемы на ранних стадиях их возникновения.



Противоэпидемический контроль

Инфракрасная термография, как теперь общеизвестно, позволяет обнаружить распространение опасных вирусных заболеваний - «птичий грипп», H1N1 и COVID- 19, выявляя повышенную температуру, как один из симптомов болезни. Еще после появления вируса атипичной пневмонии в 2002-2003 годах органы здравоохранения во всем мире озаботились поиском быстрого, бесконтактного метода выявления повышенной температуры тела у людей и им оказался тепловизор. Неудивительно, что теперь спрос на тепловизоры, резко возрос.      

Федеральная служба России по надзору в сфере защиты прав потребителей выпустила нормативное требование «О рекомендациях для работодателей по профилактике коронавирусной инфекции на рабочих местах» от 07.04.2020 г. в котором предписывается «контроль температуры тела работников при входе работников в организацию (предприятие), и в течение рабочего дня (по показаниям), с применением аппаратов для измерения температуры тела бесконтактным или контактным способом (электронные, инфракрасные термометры, переносные тепловизоры) с обязательным отстранением от нахождения на рабочем месте лиц с повышенной температурой тела и с признаками инфекционного заболевания». Ряд предприятий уже столкнулись с крупными реальными штрафами за невыполнение предписаний. Правительство России выделило денежные средства Минпромторгу на производство отечественных тепловизоров и обеспечения работы федеральных органов исполнительной власти тепловизорами.

В настоящее время на российском рынке появилось огромное количество предложений тепловизионных систем. Большая часть из них является изделиями известных зарубежных производителей в широком ценовом диапазоне. Значительная часть предложений декларируется как отечественные разработки, без детализации того, какие именно компоненты являются отечественными. Наконец, часть изделий являются российскими с высокой долей оригинальных разработок.



Проблемы измерения температуры человека тепловизором

Температура человеческого тела - сложный феномен. Люди являются теплокровными существами и излучают тепло в окружающую среду. Экраном, разделяющим человеческое тело и внешний мир, является кожный покров. Этот экран постоянно подстраивает температуру к оптимуму между физиологическими потребностями организма и условиями окружающей среды. Температура тела человека меняется в течение дня, достигает пика ближе к вечеру. Также температура отличается в зависимости от времени года, от того, ел ли человек перед измерением (после еды температура повышается), температуры окружающей среды и других факторов. Температура кожи человека не равна температуре тела. Установлено, что точкой, дающей наиболее точную температуру, соответствующую внутренней температуре тела, являются уголки глаз, там, где расположены слезные каналы. Поэтому в теории при тепловизионном измерении рекомендуется снимать субъекта анфас с заранее определенного расстояния 1- 1,6 метра таким образом, чтобы на термограмме отобразилось полностью все лицо. Обследуемому человеку достаточно взглянуть в объектив тепловизора в течение 1 секунды. Обследуемые могут не снимать с себя ни защитную маску, ни головной убор. Но поскольку стекло и пластик не пропускают тепловое излучение, обследуемые должны снять очки. Для обеспечения эффективного выявления потенциального носителя вирусной инфекции, у которого уже началось проявление симптоматики заболевания, выражающееся в повышении температуры, тепловизоры для замера температуры тела должны обладать точностью ±0.3 °С. Часто можно прочитать, что тот или иной тепловизор «обеспечивает точность 0.05 ºС». Это, безусловно, лукавство. Речь идет о параметре т.н. «температурная чувствительность болометра, равная минимальной эквивалентной шуму разности температур» (Noise Equivalent Temperature Difference – NETD). Это характеристика температурной чувствительности собственно микроболометра – какую минимальную температуру, превышающую его собственные внутренние тепловые шумы, он теоретически сможет почувствовать. Суммарная погрешность всего измерительного тракта будет, безусловно, выше.

Практика, как часто бывает, лежит в несколько иной плоскости. Для того, чтобы узнать, повышена ли у человека температура и его нужно отделить от толпы, нет нужды точно измерять абсолютную температуру. Для определения степени надежности тепловизионного метода обследования была проведен следующий эксперимент: у здоровых людей была измерена температура тела с помощью медицинского термометра, а затем измерения повторили с помощью тепловизора, диагностировавшего температуру в уголках глаз. В результате была рассчитана разница между температурой тела и температурой в уголках глаз. Опыт показал, что разница температур остается неизменной и составляет 0,8 -1,2°С, в зависимости от внешних условий проведения измерений: температуры окружающей среды, наличия кондиционеров воздуха, ветра, погодных условий и тд.

Это привело к появлению сравнительно простой и точной системы сортировки потока людей. Важно понимать, что задача измерения в данном случае – отделить здоровых людей от заболевших, не прибегая к академически правильному измерению абсолютной температуры. После диагностики температуры тела первых 10 человек, тепловизор автоматически рассчитывает среднюю температуру с поправкой на температуру помещения. Вслед за этим оператору нужно установить параметры сигнализации, срабатывающей, если температура следующего человека превышает рассчитанную среднюю температуру на 1 градус Цельсия. Встроенная цветовая сигнализация позволяет немедленно принять решение о необходимости дальнейшего обследования пассажира с повышенной температурой тела. В дополнение к этому, тепловизор должен быть оснащены звуковой сигнализацией, срабатывающей при обнаружении человека с повышенной температурой тела. Такой пассажир может быть моментально отделен от группы других людей для более тщательного обследования.



Противоэпидемический комплекс «АСТРОН-ТТ2019»

В связи с обострившейся ситуацией в России некоторые предприятия, которые ранее не выпускали стационарные тепловизионные медицинские регистраторы температуры тела, перестроились и наладили выпуск продукции. Большинство отечественных производителей стационарных регистраторов температуры тела, применяемые в сфере эпидемиологической безопасности, начали выпуск оборудования в 2020 г.

В отличии от «новичков» рынка тепловизоров, ОКБ «АСТРОН» является единственным российским производителем микроболометров и фотоприемных устройств полного цикла. (https://astrohn.ru/wp-content/uploads/2018/04/astrohn_s.pdf)

Компания ОКБ «АСТРОН» представляет аппаратно-программный комплекс бесконтактного определения людей с повышенной температурой «АСТРОН-ТТ2019». Комплекс состоит из: оптического блока (тепловизионный модуль и видеокамера); программного обеспечения и рабочего места оператора. Тепловизионный модуль, составляющий основу Комплекса АСТРОН-ТТ2019 позволяет менее чем за одну секунду с высокой точностью (до 0,3 °C) определить наличие повышенной температуры тела человека. Возможна поставка в комплекте с эталонным модулем АЧТ (абсолютно черное тело) для калибровки комплекса. Программное обеспечение Комплекса АСТРОН-ТТ2019 отображает на видеоизображении, полученном с видеокамеры, область с повышенной температурой тела человека. На монитор выводится видеоизображение и инфракрасное тепловое изображение, а также численные значения температур. При этом выводятся лишь те тревожные события, которые относятся к передвигающимся через пункт пропуска гражданам. Фотографии людей, у которых выявлена повышенная температура тела, превышающая заданный предел (устанавливается оператором), передаются в базу данных с привязкой ко времени и месту пропуска людей. При обнаружении человека с повышенной температурой автоматически формируется страница акта (отчёта) с указанием времени, места, фотографией, термограммой и температурными данными, которая автоматически сохраняется в базе данных. (https://astrohn.ru/thermal-imaging-security-systems/temperature)





Рис.7 Комплекс «Астрон-ТТ2019» для бесконтактного определения людей с повышенной температурой производства ОКБ «АСТРОН». ©Пресс-служба ОКБ «АСТРОН»


 



Как не разориться при покупке тепловизора

Ключевые составляющие комплекса АСТРОН-ТТ2019 (германиевая оптика, микроболометр, тепловизионный модуль и программное обеспечение) являются полностью российскими продуктами, разработанными и произведенными АО «ОКБ «АСТРОН». Кстати, еще один аспект практической эксплуатации по понятным причинам пока не учитывается заказчиками – слишком мало прошло времени. Воздействие окружающей среды на входную оптику тепловизора при длительной эксплуатации – неочевидный сегодня, но важный фактор практической эксплуатации. Тепловизор, стоящий на проходной московского офиса, может не испытывать этого воздействия годами, а вот тепловизор, стоящий на силовой подстанции, проходной ТЭЦ или горно-химического комбината подвержен этому воздействию в гораздо большей мере. Это означает, что преимущество получат компании, обеспечивающие поддержку системы в течении всего жизненного цикла.



Вместо заключения – что же действительно важно при выборе?

Очень важно достижение баланса между приемлемым качеством изображения и оптимальным захватом области измерения. Для этого необходимо осуществить тщательный подбор параметров оптической системы объектива прибора. Они должны соответствовать выбранному разрешению инфракрасного детектора. Это означает, что те производители, которые профессионально занимаются созданием матричных фотоприемных устройств, а также расчетом и производство оптических инфракрасных объективов и систем, получают весьма серьезное преимущество перед прочими.

Далее, для того, чтобы теплотелевизионный регистратор в автоматическом режиме выделял только требуемые объекты контролируемой подстанции или людей в толпе и корректно измерял тепловое излучение, исходящее от них в требуемой области, игнорируя другие излучающие объекты в поле зрения, прочие помехи и т.д. необходимо использовать развитое программное обеспечение. Наличие корректного ПО – единственное, что устранит методологические ошибки измерения, которые неизбежны, даже при наличии хорошего детектора и хорошей оптики. Это означает, что в команде создателей хорошего тепловизионного комплекса должны быть разработчики собственного программного обеспечения.

Все это позволяет ОКБ «Астрон» предложить не только конкурентные цены, но и оперативно ответить на вопросы покупателя, которые неизбежно возникнут при эксплуатации системы, а также обеспечить поддержку в течении всего жизненного цикла изделия.



Электротехника

Отправить на Email

Похожие Свежие Популярные

Войти или Зарегистрироваться, чтобы оставить комментарий.