王樂軍，張立亞

1煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 北京 100013

2煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)技術(shù)裝備工程研究中心 北京 100013

3北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心 北京 100013

煤礦井下高負(fù)荷運(yùn)行的電氣設(shè)備較多，在瓦斯體積分?jǐn)?shù)高、煙塵含量大的環(huán)境中，易發(fā)生火災(zāi)，并且井下自燃火源具有較強(qiáng)的隱蔽性，在我國重點(diǎn)煤礦中，56% 以上礦井都存在自燃風(fēng)險(xiǎn)。隨著智能化、信息化技術(shù)的發(fā)展，智能礦山建設(shè)在各大煤礦快速推進(jìn)，煤礦火災(zāi)、溫度智能監(jiān)控已成為煤礦智能礦山的主要研究方向。因此，有必要開展火災(zāi)隱患智能化監(jiān)測和識別方面的研究。

目前煤礦火源探測技術(shù)不成熟，不能準(zhǔn)確、快速確定井下火源的位置及自燃程度[1-4]。針對以上問題，筆者結(jié)合紅外熱成像技術(shù)和礦用 5G 通信模組，設(shè)計(jì)了礦用本安型紅外熱成像攝像儀。該產(chǎn)品基于物體表面的溫度差來捕捉相關(guān)的信息，利用物體向外輻射的紅外線波段，將煤礦井下的電氣設(shè)備及人體進(jìn)行紅外成像，實(shí)現(xiàn)對電氣設(shè)備等場景的溫度監(jiān)測。該產(chǎn)品適用于黑暗條件下的礦山隱蔽火源的分布和位置監(jiān)測，對井下火災(zāi)隱患的排除及日常巡檢具有重要意義。

1 紅外熱成像技術(shù)

在自然界中，當(dāng)物體溫度高于絕對零度時(shí)，物體內(nèi)部就會產(chǎn)生熱運(yùn)動，并不斷向四周輻射特定波段的電磁波。紅外線的波段位于 0.75～100 μm，紅外熱成像技術(shù)就是將該波段信號轉(zhuǎn)換成可供人類視覺分辨的圖像或圖形，進(jìn)一步計(jì)算出溫度值，從而反映出物體表面的溫度場。紅外熱成像技術(shù)超越了視覺障礙，使人們可以看到物體表面的溫度分布狀況[5-6]。黑體的輻射功率Pa(λT)與絕對溫度T之間滿足

式中：Pa(λT)為黑體的輻射出射度；λ為波長；T為絕對溫度；C1、C2為輻射常數(shù)。

根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定理，Pa(T)與溫度T的 4次方成正比，即

而實(shí)際物體接近黑體的程度

由此可推出所測物體實(shí)際溫度

根據(jù)紅外熱成像測溫方程，可以對紅外熱成像攝像儀進(jìn)行校準(zhǔn)，為其精確測溫提供保證。

2 礦用 5G 通信模組技術(shù)

由于煤礦 5G 通信系統(tǒng)已經(jīng)部署應(yīng)用，在進(jìn)行 5G通信模組設(shè)計(jì)時(shí)，通過 5G 模組可以直接接入礦用5G 通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大帶寬、低時(shí)延的圖像和視頻的回傳[7-8]。

5G 通信模組將 5G 基帶芯片、射頻模塊、存儲單元和電源管理等模塊集成封裝。其核心巴龍 5000芯片主要由主芯片、PMU 和射頻組成。在進(jìn)行模組性能驗(yàn)證中，考慮到井下復(fù)雜的環(huán)境，通信模組的工作溫度范圍設(shè)定為 -40～85 ℃，同時(shí)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，以滿足煤礦井下高溫、潮濕和高粉塵環(huán)境要求。

5G 通信模組主要技術(shù)參數(shù)：支持頻段 5GN78：3 300～3 800 MHz；5GN41：2 496～2 690 MHz；GN79：4 400～5 000 MHz；支持 IPv4、IPv6，并對模組進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)，在額定電壓 DC 12 V 的情況下，額定電流可達(dá)到 500 mA。

3 礦用本安型紅外熱成像攝像儀

3.1 非制冷紅外焦平面設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的測溫方法大多為接觸性測溫，通過在特定待測點(diǎn)上添加熱電偶，測量該點(diǎn)溫度，這種方法只能測量局部溫度，不能反映整個(gè)溫度場的情況。

通過技術(shù)對比分析，礦用本安型紅外熱成像攝像儀采用非制冷紅外焦平面設(shè)計(jì)，使用微測輻射熱計(jì)作為紅外探測器。紅外探測器將焦平面反饋出的實(shí)際溫度作為控制系統(tǒng)的輸入信號，控制系統(tǒng)處理反饋信息，做出響應(yīng)，進(jìn)而影響焦平面。因此，非制冷焦平面溫度控制系統(tǒng)其實(shí)是一個(gè)各部分相互影響的循環(huán)系統(tǒng)。非制冷紅外焦平面探測器主要包括微測輻射熱計(jì)模塊、讀出電路模塊和真空封裝模塊。

目標(biāo)對象的熱輻射通過紅外光學(xué)系統(tǒng)聚焦到焦平面陣列上，每個(gè)微橋中的紅外吸收層采集到紅外能量后，引起溫度發(fā)生變化。不同的微橋收集到不同的熱輻射能量，導(dǎo)致自身的溫度變化各不相同，引起各個(gè)微橋的熱敏層電阻值產(chǎn)生改變。變化量由讀出電路模塊轉(zhuǎn)換成電信號輸出，通過信號采集、處理后，得到基于溫度場分布的圖像。

紅外輻射引起的相元變化為 ΔT，由此引起的電流

式中：p為熱釋電系數(shù)；S為像素面積；η為輻射系數(shù)；ω為大氣發(fā)射率；p0為表面對環(huán)境輻射的發(fā)射率；G為熱像儀增益，即放大倍數(shù)；τ為大氣透過率。

由于探測器是電容性的，故需考慮其單元電容Ce，由此得到熱釋電輸出電壓

式中：R為光譜響應(yīng)度。

由上述可得，探測溫度響應(yīng)

式中：P為光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的雜散輻射通量。

3.2 本安設(shè)計(jì)

礦用本安型紅外熱成像攝像儀主要由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號處理器和顯示器組成[9-10]，其工作原理如圖 1 所示。當(dāng)井下電氣設(shè)備發(fā)出紅外輻射后，輻射進(jìn)入攝像儀的光學(xué)系統(tǒng)，調(diào)制器把紅外輻射調(diào)制成交變輻射，由探測器轉(zhuǎn)變成為相應(yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射校正后，轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度[7]。

圖1 紅外熱成像攝像儀工作原理Fig.1 Working principle of infrared thermal imaging camera

井下電流密度大，爆炸性混合物多，用于井下的電氣設(shè)備一般分為隔爆型和本安型 2 種。隔爆型電氣設(shè)備殼體較重，占用空間大，不易操作和挪動；本安型電氣設(shè)備具有體積小、質(zhì)量輕、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)井下本安設(shè)備參數(shù)的要求，通過電源轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)了 127/220 V 等井下常用電壓轉(zhuǎn)換為攝像儀工作電壓 12 V，同時(shí)工作電流≤1A，達(dá)到了煤礦本安設(shè)計(jì)的要求[11]。

礦用本安型紅外熱成像攝像儀支持多種掃描方式，包括自動掃描、垂直掃描、巡航掃描、全景掃描和區(qū)域掃描等，可實(shí)現(xiàn)移動偵測、遮擋報(bào)警、異常報(bào)警、動態(tài)火點(diǎn)搜索、煙霧和火點(diǎn)檢測等功能。熱成像儀機(jī)芯自帶熱成像通道，智能監(jiān)測火點(diǎn)。當(dāng)熱成像攝像儀監(jiān)測到火點(diǎn)后，其相關(guān)信息將顯示在熱成像通道的預(yù)覽畫面并進(jìn)行聯(lián)動報(bào)警；熱成像通道不受光線影響，可真正實(shí)現(xiàn)全天 24 h 監(jiān)控，同時(shí)可以在客戶端進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)測。

4 測試試驗(yàn)

將礦用本安型紅外熱成像攝像儀安裝在井下，通過光纖接入井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)，地面服務(wù)器和上位機(jī)可進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。測試對象選擇井下變電所高壓設(shè)備，在設(shè)備滿負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行紅外熱成像測試[12-14]。測試時(shí)給設(shè)備提供足夠的發(fā)熱時(shí)間，使設(shè)備表面溫度穩(wěn)定，以提高測試效率。

4.1 主觀試驗(yàn)驗(yàn)證

礦用本安型紅外熱成像攝像儀開機(jī)后自檢正常，根據(jù)環(huán)境調(diào)整攝像儀背景溫度，調(diào)整測試目標(biāo)發(fā)射率，并設(shè)置色標(biāo)溫度量程，將背景溫度和測量距離調(diào)至適當(dāng)值，對可疑發(fā)熱點(diǎn)做精確監(jiān)測，區(qū)分發(fā)熱類型，對可疑發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行拍攝。礦用本安型紅外熱成像攝像儀拍攝到的設(shè)備整體溫度熱成像如圖 2 所示，設(shè)備局部成像如圖 3 所示。

圖2 設(shè)備整體溫度熱成像Fig.2 Thermal imaging of whole equipment

圖3 設(shè)備局部溫度熱成像Fig.3 Thermal imaging of local equipment

由圖 2 可以看出，礦用本安型紅外熱成像攝像儀可以對發(fā)熱體不同溫度下的發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行全方位清晰反映。在圖像的右側(cè)區(qū)域顯示了監(jiān)測畫面的不同顏色對應(yīng)的不同溫度值，畫面的溫度值范圍為 27.84～54.25 ℃。同時(shí)，可以設(shè)置高溫報(bào)警值，例如報(bào)警閾值設(shè)置為 55 ℃，當(dāng)被監(jiān)測畫面出現(xiàn) 55 ℃ 及以上的溫度值時(shí)，進(jìn)行報(bào)警。

由圖 3 可以看出，礦用本安型紅外熱成像攝像儀的溫度監(jiān)測邊界比較明顯，說明熱成像的靈敏度比較高。通過試驗(yàn)分析，該攝像儀的測溫靈敏度達(dá)到 50 mK，即靈敏度為 0.05 ℃，當(dāng)被監(jiān)測物體表面有 0.05℃ 的溫差時(shí)，礦用本安型紅外熱成像攝像儀即可捕捉到該溫差。

4.2 客觀試驗(yàn)驗(yàn)證

在進(jìn)行設(shè)備客觀參數(shù)驗(yàn)證測試中，測溫誤差為礦用本安型紅外熱成像攝像儀主要技術(shù)指標(biāo)。測試人員對變電所設(shè)備進(jìn)行溫度測試。為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別進(jìn)行 6 次測試求平均值。測試數(shù)據(jù)如表 1 所列。

表1 測溫誤差Tab.1 Temperature measuring error

測試數(shù)據(jù)顯示，在測量量程范圍內(nèi)，通過對比實(shí)際溫度與測試溫度，計(jì)算得到測溫誤差范圍為 -0.42%～0.35%?？梢缘玫?，礦用本安型紅外熱成像攝像儀的測溫誤差＜±0.42%，能夠滿足井下火災(zāi)隱患的排除和巡檢的需求。

5 結(jié)語

結(jié)合煤礦井下瓦斯體積分?jǐn)?shù)高、粉塵質(zhì)量濃度大的環(huán)境特點(diǎn)，通過研究紅外熱成像技術(shù)、本安技術(shù)和礦用 5G 通信模組，研制出礦用本安型紅外熱成像攝像儀，實(shí)現(xiàn)對煤礦井下高負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行的電氣設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控，對煤礦井下隱性火區(qū)分布、火源的位置進(jìn)行有效監(jiān)測和辨別，提高了煤礦井下火災(zāi)隱患排除和日常巡檢工作的效率。