红外热成像技术及其在安全防范中的应用

    在大面积的森林中，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。

    然而用飞机巡逻，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，我国利用自制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一次设备停电事故，就造成了六百五十万美元的损失。为了避免上述停电事故，许多商业和工业组织常常花费很多钱执行预防性维修工作。不幸的是这些工作不但经常发现不了存在的隐患，而且还可能造成新的电气隐患。所以电气设备的红外热成像产品检查，在很多方面可以代替传统的预防性维修工作。

    美国《设备运行和生产控制技术》第375号公报指出：无论是新的或者旧的建筑物，都能从红外热成像产品检查中受益。美国有近50个公司提供红外热成像产品检查服务，为客户的所有电气设备、配电系统，包括高压接触器、熔断器盘、主电源断路器盘、接触器、以及所有的配电线、电动机、变压器等等，作红外热成像检查，以保证客户的所有运行的电气设备不存在潜伏性的热隐患，有效的防止火灾的发生。美国保险公司的统计数据也已经表明，对所有电气设备进行红外热成像产品检查，可使不安全因素大大降低，并且节省大量保险费的支出。下面是一些需要进行红外热成像产品检查的设施。

    1），各种电气装置：可发现接头松动或接触不良，不平衡负荷，过载，过热等隐患。这些隐患可能造成的潜在影响是产生电弧、短路、烧毁、起火。它们的平均修理费用为1万到5万美元；更换需要8万—10万美元，工期为几个星期到几个月。

    2），变压器：可以发现的隐患有接头松动，套管过热，接触不良（抽头变换器），过载，三相负载不平衡，冷却管堵塞不畅。其影响为产生电弧、短路、烧毁、起火。重绕需要经费1万到5万美元，更换为8万—14万美元，工期为几个星期或几个月。

    3），电动机、发电机：可以发现的隐患是轴承温度过高，不平衡负载，绕组短路或开路，碳刷、滑环和集流环发热，过载过热，冷却管路堵塞。其影响为有毛病的轴承可以引起铁芯或绕组圈的损坏，有毛病的碳刷，则可以损坏滑环和集流环，进而损坏绕组线圈。还可能引起驱动目标的损坏。电机重新绕组圈（5000马力）需要5～10万美元，更换需用10万～20万美元，工期几个星期到几个月。

    4），电气设备维修检查，屋顶查漏，节能检测，环保检查，安全防盗，森林防火，无损探伤，质量控制，医疗检查等等也很有效益。

    此外，就是在北京也有一个使用热成像进行电气设备收费检查的事例：加拿大驻中国大使馆新馆使用前，曾于1992年9月委托香港一家公司，用美国生产的热成像设备，对新馆内电气设备进行一次防火及热隐患全面检查，并支付了4,000美元的热像检查服务费。实际上，不计算准备工作时间，真正用于检查的时间只有一天。

    同样，红外热成像产品在火灾和爆炸事故调查中也十分有用。红外热像在火灾等事故的法律事务方面，特别是围绕着与生命或财产损失有关的复杂技术问题上，已愈来愈重要。因为火灾和爆炸造成的损失，常常涉及热隐患、热传播等情况，而这些情况都可以用红外热成像产品快速地观察和记录，所以红外热像是一种强有力的形象证据，能使非专业人员也一目了然，并对损失能做出公正的裁决和审判。以下是几个火灾和爆炸事故调查中利用红外热像的实例。

    美国的地方政府和保险公司常常要求分析人身和财产损失的原因。相应的调查可能发现不了刑事犯罪行为，如凶杀或纵火。但调查能够发现设备故障及损坏状态，以及如何避免将来再发生这些问题。在已燃烧的建筑物上的热图像常常能使人们了解到如何产生火灾或爆炸的真实情况。并且从实验上再现失火、爆炸或设备损坏过程，以补充对事件的理解。红外热成像提供了一种分析和再现由热造成的事故的非常好的目测手段。实验性的火灾、爆炸和设备损坏的红外和视频录像，使人们能对其原因有更深入的理解。

    在美国，每年爆炸事故引起数百万美元的财产损失，侦破专家调查和分析这些事件，确定可能的原因时，常利用重现事件的方法去理解爆炸机理。如用红外热成像产品摄取一组照片，来显示在一辆汽车中发生的爆炸，用以模拟恐怖主义分子或纵火犯造成的事故。这些红外热图像中白色代表热、黑色代表冷，用来人为的重现爆炸现象，分析事故，确定事故的类型和原因。下面有几个实例。

    1），一辆试验用汽车中，在司机座位上放有一筒一加仑的汽油，在它的下面放置一磅炸药，炸药用电子仪器遥控引爆。红外热像录像能记录爆炸后大约0.04秒时试验车辆的情况，显示出从汽油中发出的火球，以及事故后发出的辐射范围，和随后爆炸的发展。这种只有应用红外热成像才能获得的热分布图显示出爆炸时和爆炸后热传导范围。由重放热像录像很容易辨认燃爆碎片的抛射轨迹，而重放可见光录像常常查不到这些轨迹。在车辆外表上残留的热图像能指出高温分布区，它常常被作为查找事故源的线索。

    2），另一个类似试验，是以废弃的房屋为试验目标。在这个试验中，将0.25磅的C4炸药放在一罐一加仑的汽油下。结果显示了试验房屋的最初状态，最初的热状态和随后发生的一系列情况，其中爆炸后3秒钟的热状态，爆炸发出的残余热和它最初引起火源，及在几分钟后进一步扩大为火灾都可看到。

     在美国分析失火原因和火源的程序与爆炸事故分析是类似的，热图像的识别能帮助人们确定失火原因，为起火点的详细检验提供事故原因的信息。下面有几个实例。

    1），例如，红外热像录像可以显示在一辆汽车内失火过程。丙酮和聚苯乙烯混合在一起，形成一个球型塑料团，它位于引擎室内驾驶杆附近，并被引燃。红外热像录像可以显示出大约3分钟后的火势，在防护玻璃窗的局部发热是明显的。并可以显示热燃气通过火墙进入乘员室，从窗户发出的较高的辐射证实了这个状况。此外红外热像录像显示从引擎室泄漏的挥发性气体，显示出挥发性液体泄漏和燃烧的过程。此外通过红外热像录像还可显示火区火焰正在熄灭。用热图像能清晰地描述了失火过程的各个阶段，它正被用在火灾调查人员的训练中。

    2），在一座废弃的房屋中进行失火试验的红外热像录像，能显示一个消防员正在放置引燃液体混合物和摇晃一个柜中存放的氯化物粉末，以及随后火势的发展，建筑物内自上而下形成的热气流，从这些红外热像录像可以看出，从柜中着火点传导热的速度是非常的快。

    3），由于机械或电器设备制造问题引起的火灾和爆炸是调查人员经常关心的问题。例如在一座房屋中，因加热器故障引起火灾，里面一个人因烟雾致死。当对一个落地式加热器检查时，只要它与引起火灾的那个加热器完全一样，取得这种加热器工作时的热图像，便可以看到热图像上的热试验点（hottest）在高温限制开关附近，判断出故障是由铜线引起的，这种故障足以点燃加热器内部的碎片和粉末，以及保护高限开关的底盒。在热图像上看到的高温亮点超过了电线绝缘的温度额定值。电线在这种环境中，绝缘老化必然导致短路，引起失火，热图像不仅提供了定量的温度值，而且也对故障产生的方式提供了明显而直观的描述。

    4），一个已过热的皮带牵引轮，这个皮带牵引轮力图驱动一个已闭锁的压缩机。从这个试验中解答的问题是，三角皮带和皮带牵引轮之间产生多高温度可以点燃这个设备附近的可燃性气体。具有燃点温度为6000 F的可燃性气体被点燃，附近的一个压缩机发生爆炸，造成一个石油加工厂严重损坏和人员伤亡。使用捍红外热像在轮外缘测量温度，将获得的信息作为有限元热传导分析的边界条件，计算结果表明，风机皮带牵引轮和皮带之间的温度超过8000 F 。这个温度是以点燃可燃性气体，这些可燃性气体是由于疏忽从工厂的石油加工厂设备中泄漏出来的。

    5），火灾发生后，美国调查人员从目击者、消防部门、警察和现场搜集证据。在机械或电气设备可能引起失火的情况中，从过去能量核算或设备分析得到的红外热像资料可能是很有用的。例如一个具有过热马达和风机皮带牵引轮的空气传送装置（air hander）的热图像。从皮带和皮带牵引轮发出的热很快穿过该设备外边的金属外壳，以后如果怀疑这个空气传送装置可能引起火灾，这个设备几乎损坏的红外热图像可以是阐述失火原因观点的重要基础。