矿用红外热像仪性能指标与测试方法研究.pdf

第27卷第6期 2020年6月 仪器仪表用户 INSTRUMENTATION Vo l. 27 2020 No . 6 矿用红外热像仪性能指标与测试方法研究 王东匚2 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺113122） 摘 要针对近年来矿用红外热像仪市场不断扩大而检验规范相对缺失所造成的产品质量良莠不齐现象，通过釆用 理论与相关测试经验相结合的方法，分析了目前矿用红外热像仪在煤矿井下应用情况，介绍了 NETD （噪声等效温 差）、MRTD （最小可分辨温差）、模拟环境成像性能、测温一致性、温度漂移、允许误差、连续稳定工作时间等主 要性能指标的基本概念及具体要求，详细阐述了主要技术指标相应的检验测试方法，为矿用红外热像仪的研制、生 产、检验及煤矿行业标准的制定提供了可靠的理论依据和技术支撑。 关键词矿用红外热像仪；NETD ; MRTD ;检验测试 DOI 10. 396 9/j . issn. 16 71-1041.2020. 06 . 001 中图分类号TN215 文献标志码A 文章编号16 71-1041 （2020）06 -0001-03 Resea rch o n Perfo rma nce Ind ex a nd Test Metho d o f Mine Infra red Ca mera Wang Dong12 （1.China Co a l Techno lo gy a nd Engineering Gro u p Shenya ng Resea rch Institu te, Lia o ning, Fu shu n, 113122,China ; 2. Sta te Key La bo ra to ry o f Co a l Mine Sa fety Techno lo gy, Lia o ning, Fu shu n, 113122,China ） Abst r act Aiming a t the pheno meno n o f u neven pro d u ct qu a lity ca u sed by the expa nd ing ma rket o f mining infra red ca mera s in recent yea rs a nd the rela tive la ck o f inspectio n specifica tio ns, by u sing the co mbina tio n o f theo ry a nd releva nt testing experience, the cu rrent a pplica tio n o f mining infra red therma l ima ging ca mera s in co a l mines is a na lyzed , then the ba sic co ncepts a nd specific requ irements o f ma in perfo rma nce ind ica to rs su ch a s NETD, MRTD , ima ging enviro nment simu la tio n perfo rma nce, tempera tu re mea su rement co nsistency, tempera tu re d rift, a llo wa ble erro r, a nd co ntinu o u s a nd sta ble wo rking time a re intro d u ced , a t la st the co rrespo nd ing inspectio n a nd testing metho d s o f the ma in technica l ind ica to rs a re expla ined in d eta il, which pro vid es a relia ble theo retica l ba sis a nd d evelo pment fo r the d evelo pment, pro d u ctio n, inspectio n o f co a l mine infra red ca mera s a nd the fo rmu la tio n o f co a l ind u stry sta nd a rd s Technica l Su ppo rt. Key wor ds mining infra red therma l ima ging ca mera s; NETD; MRTD; inspectio n test 0引言 红外线属于电磁波的一种，自然界中温度超过绝对零 度的物体无时无刻不向周围外界空间辐射红外能量。根据 维恩位移定律和斯蒂芬玻尔兹曼定律可知不同温度的 辐射曲线永不会相交，随温度增加辐射能量增大而峰值波 长减小，能量对温度的变化非常灵敏叫正是基于物体辐 射的红外光的这种温度效应，相应的红外热成像技术不断 发展起来。 收稿日期2020-03-26 作者简介王东（1983-）,男，江苏徐州人，硕士，助理研究员，从事矿用防爆电气设备检测检验工作。 2 仪器仪表用户INSTRUMENTATION第27卷 红外热像仪是一种被动式的红外线接收装置，探测目 标物体发射的红外辐射，通过光电转换、电信号处理等手 段最终将物体的温度分布信息转换成物体表面相应热分布 的热像图，具有非接触、快速、实时性等特点，被广泛应 用于军事、工业、煤矿等众多领域。 1矿用红外热像仪应用 目前，红外热像仪在煤矿井下主要应用在以下方面 1）监控矿用设备状态。对于I类煤矿设备最高表面温度， 当设备表面可能堆积煤尘时不允许超过150[2],固定式红 外热像仪可实时监测电气设备、电缆、皮带运输机等的表 面温度变化，根据温升情况预防出现电气、运输皮带故障 后产生的高温，及时消除隐患；2）探测井下隐性危险源。 通过固定式红外热像仪可连续监测堆积的煤炭、开采的煤 层，避免热量逐渐累积甚至自燃的发生；3）应急救援生命 探测。矿难时，救援人员可以利用便携式红外热像仪能在 黑暗、浓烟浓雾的恶劣环境下进行搜寻工作的优势，进行 快速搜救，确定幸存者的确切位置，大大提高救援效率增 加矿工存活几率。 2矿用红外热像仪主要性能指标 矿山井下环境复杂，井下灾变环境应急救援时被测矿 工与背景温度相差不大，红外辐射较弱，因此评价热成像 系统性能时，NETD （噪声等效温差）和MRTD （最小可分 辨温差）指标对红外热像仪正确判断影响巨大国;井下含 有大量煤尘，煤层中还会释放甲烷、一氧化碳等气体，影 响红外辐射吸收，因此必须考核灰尘环境下的热像仪成像 性能；为尽可能大概率并且准确捕捉到热像仪所需的热图 像，需要测温一致性、温度漂移、允许误差等指标。 2.1矿用红外热像仪分类 为适应不同要求可分为便携式和固定式分别考虑性能 指标，便携式一般用来对被测物大体识别后的判断，可以 在浓烟下工作，具备红外图像显示和温度指示功能，可用 于生命探测和火源探测。固定式一般用来对目标长期监测， 具备图像显示，温度分析和图像存储功能。要求测温准确 度相对高，可实时给出被测目标的温度图像信息。 2.2主要技术指标 1）噪声等效温差（NETD）即热灵敏度，是热像仪 可分辨出的最小温差，是描述温度分辨率的一种参数，主 要通过仪器而非人的测量来定量获得热像仪的温度分辨率, 是评价热像仪探测目标灵敏度和噪声大小的客观参数。 采用热像仪对目标进行观察时，当目标的信号电压 的峰峰值Vs与背景的噪声电压均方根VN之比即信噪比 （SNR）为1时，目标与背景之间的温差△ T为噪声等效温 差，简称NETDO可用公式（1）或公式（2）表示 NETD 护 1 NETI唏 （2） 其中，AT为目标与背景之间温差，5为噪声电压均 方根，AV为与4T相对应的电压信号变化量，SiTF为信号 传递函数。 环境温度在23七5兀，50mm焦距，相对孔径为1 时，NETD宜小于0.15Ko 2） 最小可分辨温差（MRTD）可以反映热像仪的热 灵敏度和空间分辨率，是评价红外成像性能的最重要参数。 与NETD不同的是它与人的主观性有很大关系，其核心思 想是当人眼感觉到图像信噪比大于等于视觉阈值信噪比时, 目标与背景之间的温差就是MRTD。对特定空间频率下的 四杆靶（高宽比71 ）标准黑体图案，观察者在显示端不限 时观察，调节目标与背景之间的温差，由零逐渐增大到观 察者刚好能分辨岀靶标的图案为止。此时背景与目标之间 的温差即为该空间频率下的最小可分辨温差MRTD。技术 指标宜规定MRTD小于1.0K（四杆靶图案观察法）o 3） 允许误差环境温度23七5七时，固定式热像仪 的测温准确度应不超过土 2七或测量值的 2 （七）（取 绝对值大者）。便携式热像仪应不超过10七或测量值的 10 （兀）（取绝对值大者）o 4） 连续稳定工作时间在允许误差满足的条件下，热 像仪连续稳定工作的时间不小于2ho 5） 测温一致性热像仪视场范围内，不同区域的测 量温度的偏差值应不超过2弋或视场中心区域测量值的 2 （弋）（取绝对值大者）□ 6） 温度漂移热像仪在不同环境温度下，其测量值 之间的差别应小于2弋或者小于黑体设定温度值的2 （取绝对值小的）O 7） 模拟环境成像性能便携式热像仪应在煤尘类的场 所仍能清晰观察到目标轮廓。 3红外热像仪技术指标测试方法 3.1 NETD 测试 方法一在一定的靶标或黑体的选择区域内（寸N个 测试点测量信号电压，计算求出噪声电压均方根5,调节 标准温差黑体的温差AT （通常2七），使得目标图像占全 视场1/10以上，测出其对应的信号电压变化值，通过公式 （1）计算得到NETDO 方法二选取黑体辐射面的区域为信号区，选取靶标 表面区域为背景区，设置温差步进变化，每增加一次步进 值，采集一次图像，采集完成后，将不同温差值的热像仪 第6期 王东矿用红外热像仪性能指标与测试方法研究 3 图1热像仪成像画面分布图 Fig.1 Ima ge d istribu tio n o f therma l ima ger 123 456 789 对应的图像灰度值记录并绘制成曲线；取线性响应区的直 线部分，计算其斜率，即为信号传递函数SiTF。然后，再 测试热像仪的噪声即信号区的统计涨落值，通过公式（2） 获得NETDo 3.2 MRTD测试 1） 热像仪探测平稳放置光学平台上，镜头视轴与面源 黑体、四杆靶、准直仪的主光轴同轴。 2） 调节热像仪焦距，使得靶标成像清晰，四杆靶为垂 直方向。 3） 调节黑体温度，使得初始黑体温度高于靶标温度 Tc,此时靶标为白杆图像；接着调低黑体温度，直到观察者 刚好不能分辨四杆靶图像时（试验通常需要至少两人认为 恰好能分辨出四杆靶），此时的黑体温度为Tl, AT1T1-Tco 4） 继续缓慢调低黑体温度，黑体温度低于靶标温度会 出现黑杆图像，继续调低黑体温度，当观察者刚好不能分 辨四杆靶图像时（试验通常需要至少两人认为恰好能分辨 出四杆靶），此时的黑体温度为T2, AT2Tc-T2o 5 ）则该空间频率下的MRTD为MRTD （AT1AT2） /2O 3.3允许误差测试 将黑体置于热像仪规定的工作位置，调节热像仪使其 能清晰成像，测温准确。设置黑体温度分别为每个量程的 最高、最低和中点温度。读出热像仪所测数据，依据下式 计算允许误差。 当 to io o r时，eti-to ；当 to 工 io o r时，o （ti-to）/ t0 xio o 0式中，e为测量误差，to为标准黑体温度，单 位七；ti热像仪测温读数，单位兀。 当所有测试点均满足规定的技术要求时，合格。 3.4连续稳定工作时间测试 把黑体设置为50兀左右，将热像仪置于规定位置， 使其清晰成像准确测温。在非人工干预的情况下，每隔 lOmin测量一次测温点，测试时间为2h。热像仪应仍能清 晰成像且连续读岀的数据满足允许误差的要求。 3.5测温一致性测试 根据热像仪实际使用情况或根据用户要求设定黑 体辐射源的温度，该值应在热像仪测温范围内（通常 10弋〜100兀）。将被检红外热像仪的成像画面等分为以下 9个区域，各区域的中心点均如图1作标记。 将面源黑体置于规定位置，调节热像仪清晰成像，选 取图1中区域1〜9的中心位置分别作为测温点，调整热 像仪或黑体面源，使黑体的正中心成像于标记点，使用热 像仪测量黑体面源中心温度，记录所测量标记点n的温度 m和热像仪中心温度t5。按公式（3）计算各点的测温一 致性 ① nt5-tn （ 3 ） 公式（3）中 n第1〜9区域。 On测温一致性，COCO tn区域n的测温读数，兀。 t5区域5的测温读数，兀。 On均应满足的相应技术要求。 3.6温度漂移测试 设置温度试验箱温度为20七时，将热像仪放置试验箱 内，待温度稳定后保温2h后开启热像仪，预热15min后测 量已设置好的黑体温度（测温范围内任一温度），记录测量 值t0 ;设置温度试验箱温度分别为0C,C, 40T,温度稳定 后保温2h后开启热像仪，预热15min后测量同一黑体温度， 分别记录测量值tl, t2。 当黑体设置温度值V 100弋时，温度漂移值C ma x （Itl-tOI, lt2-tOI）;当黑体设置温度值M 100弋时，温度漂 移值 C ma x （ Itl-tOI/to x 100, It2-t0l/to x 100 ） 3.7模拟环境成像性能测试 试验可以在一定密闭空间，使用食品级发烟器营造探 测恶劣环境，烟气应使肉眼无法识别lm内的人为准，然 后使用热像仪观察目标应能清晰地观察到目标的轮廓为合 格，期间室内照明不应对热像仪的成像产生明显影响。 4结语 为提高红外热像仪质量，规范红外热像仪的研制、生 产和验收，国家于2006年颁布了 GB/T19870工业检测型 红外热像仪[4],公安部2007年颁布了 GA/T 635消防用 红外热像仪叫 针对消防用热像仪的特点，标准对黑暗、 浓烟环境中人员搜救或火源寻找相关的技术指标均进行了 规定。而红外热像仪虽已广泛应用于煤矿井下，但尚没有 相关行业标准规范，针对矿用热像仪的特点，分析矿用红 外热像仪的主要性能指标，结合实际检验经验提出的检验 方法，为规范矿用红外热像仪的生产、检验及行业标准制 定提供了可靠的技术参考。 （下转第66页） 66 仪器仪表用户INSTRUMENTATION第27卷 5 AP1000 IIS系统维护策略分析 5.1日常维护 IIS系统在运行期间，由于探测器组件一直安装在堆 芯，就地对探测器组件进行直接检查是不可行的。因此， 需要通过软件及机柜运行模件对探测器组件进行定期检查。 AP1000 IIS系统可对每个SPD的运行状态进行在线诊 断，若系统判断SPD运行异常，需对该通道进行逐步检 查以确认故障所在。在确认SPD不满足运行要求后，为避 免故障SPD对堆芯物理参数的影响，需要在IIS系统应用 服务器中对SPD信号进行屏蔽，使其不参与堆芯物理参数 计算。 5.2常见故障及维护策略分析 探测器组件报废主要有3种情况 1） 探测器绝缘电阻降低。 2） 探测器组件顶端与自带电缆连接的接头损坏。 3 ） SPD故障失效。 探测器绝缘电阻降低大多是由于接头故障造成的，所 以注意对探测器接头的保护能有效降低上述故障1）和故障 2）的发生。因此，在机组运行和维护中应注意以下方面 ◊ 在换料过程中，当换料水池充满水后，探测器组 件将完全淹没于水下，因此拆除探测器电缆接头必须为探 测器电缆接头安装水密封保护罩，以免导致接头绝缘下降。 ◊拆除与探测器的连接后，应为电缆接头安装保护 罩，以免造成接头内插针弯曲或损坏，或异物进入接头。 O探测器及电缆接头易出现因受潮导致绝缘电阻下 降的情况，如果是接头受潮，可用吹风机进行烘烤，烘烤 后其绝缘性能应能明显上升。 对于故障3）, SPD故障失效，AP1000对SPD故障失 效要求如下[3] O每个换料周期进行首次堆芯功率分布测量时探测 器组件故障率不超过25,每个堆芯象限内至少有15个 SPD可用，同时每个堆芯象限上部和下部至少各有6个 SPD可用。 O完成首次堆芯功率分布测量之后，在本换料周期 内，探测器组件故障率不超过60 ;每个堆芯象限内至少 有15个SPD可用，同时每个堆芯象限上部和下部至少各 有6个SPD可用。 若探测器组件故障率超出以上运行限制，则需停堆更 换探测器组件；若在以上运行限制内个别SPD故障失效， 只需对该SPD信号进行屏蔽，在换料大修时对所有存在 SPD故障失效的探测器组件进行更换。 由于AP1000 IIS信号并不参与反应堆保护，因而在保 证系统安全可靠运行的前提下，投运后可根据实际运行情 况制定探测器更换策略。 5.3探测器组件安装策略分析 AP1000中新探测器组件的安装是在上部堆内构件处于 存放台架上的时候进行的。此时换料水池充满水，Qu id d o c 棒束顶部距离水面非常近。采用人工安装探测器组件时， 必须把换料水池水位下降至一定程度，让Qu icklo c棒束露 出水面一定高度，以便于操作人员靠近Qu icklo c将新的探 测器组件插入仪表格架组件导向通道中。由于换料水池水 位下降，对仪表格架组件的屏蔽作用降低，探测器组件安 装操作的辐射剂量将较高。同时，在新IITA的安装过程， 由于换料水池水面下降，不足以对放射性燃料组件起到足 够的屏蔽作用，必须停止换料操作，因而会占用大修主线 时间。故需采用模拟体对探测器组件的安装操作进行培训。 6结束语 AP1000 IIS系统采用固定式的测量方式，在机组运行 期间对堆芯功率进行实时监测。本文从AP1000 IIS系统的 原理和结构出发，对AP1000 IIS系统的特点进行了分析， 提出了 AP1000 IIS的维护策略，对系统日后的运行和维护 工作有一定指导意义。 参考文献 [1] 中国核工业集团公司.AP1000核电厂系统与设备[M].北京原子 能出版社,2010. [2] 北京核仪器厂核测仪表原理和应用[Z].2O13. ⑶SMG-FSAR-GL-700三门核电一期工程1矽号机组最终安全 分析报告[C]. （上接第3页） 参考文献 [1] 侯婷红外焦平面性能评价标准的建立及其测试平台的设计 [D].南京南京理工大学,2013. [2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化 管理委员会爆炸性环境第4部分由本质安全型“i“保护的设 备GB3836 4-2010[S].2010. [3] 陈南,于伟莉，王琳，等.红外热像仪性能指标测试方法研究卩]工 程与试验，2010（1）6 4-6 6 . [4] 中华人民共和国公安部消防用红外热像仪GA/T 6 35-2006 [S]. 2006 . [5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标 准化管理委员会.工业检测型红外热像仪GB/T 19870- 2005[S].2005.