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测温节能方面国内红外热像测温技术的应用

2021-03-20 144 上传者：管理员

摘要：红外热像是一种用来探测目标物体的红外辐射,并通过光电转换、电信号处理等手段,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的高科技产品,在众多领域中均得到广泛应用。文章分析总结了红外热像技术在国内近年来的研究现状,以及红外热像技术在测温方面的应用和节能方面的创新,主要分析了红外热像的在线热损失测量技术在南京某石化公司对厂区内5.19km的中压蒸汽管线和12.85km长的低压蒸汽管线共22条管线进行保温结构能耗检测上的运用,通过该红外技术,整改后保温管线至少节约179.62kW的能量,年可节约192.59t的标准煤。

关键词：
数字图像
测温节能
电磁波
红外热像
红外辐射
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红外线是一种具有与无线电波和可见光相同本质的电磁波，红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃。利用某种特殊的电子装置将物体表面的温度分布转换成人眼可见的图像，并以不同颜色显示物体表面温度分布的技术称之为红外热成像技术，这种电子装置称为红外热像仪。自十九世纪初期F.W.Husserl发明红外线后，人类便开始探索红外技术的征程，从上世纪六十年代至今，国外的红外热像技术已经经历了三代的发展，而国内对红外热像技术的研发起步较晚，由于技术落后，与国外形成了加大的差距。

但随着国民经济的不断发展及科研实力的不断增强，经过国内科研人员的不断努力使得国内红外热像技术得到了很大程度的发展。近年来，在国家的大力支持下，红外热像技术日渐成熟，不断缩小着与发达国家之间的差距，实现了红外热像技术在军用和民用领域的广泛应用。文中着重分析总结了近年来国内红外热像技术的研究现状在测温和节能方面的应用现状，为日后红外热像技术的发展和在企业中的应用提供一些借鉴。

1、红外热像的原理

红外热像仪利用红外探测器、红外光学系统和光机扫描系统（目前先进的凝视型焦平面技术就省去了光机扫描系统）接收被测目标的红外辐射能量分布图形，并将其反射到探测器的光敏元件上，利用光机扫描机构对红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，当扫描系统工作时，从景物到达探测器的光束随之移动，从而出现电视一样的光栅，扫描系统以电视光栅形式使探测器扫描景物时，探测器将逐点接收的景物辐射转换成相应的电信号序列，经图像电路处理、转换成黑白标准视频信号，通过监测器显示红外热像图，热像仪工作原理见图1。

这种热像图与物体表面的热分布场相对应，而由于被测物体红外辐射的热像分布图信号非常弱，比可见光图像明显缺少层次感和立体感，因此，在实际工作过程中为更有效地判断被测物体的红外热分布场，常采用一些辅助措施来增加其实用功能，如图像亮度、实际校正、伪色彩描绘等高线和直方进行数学运算等。

2、国内红外热像的研究现状

红外图像显示的是温度信息，相比于其它数字图像，具有对比度低、模糊等缺点，这些因素是后期红外图像处理中需要解决的重大问题。目前对红外图像的后期处理主要包括红外图像增强和红外图像分割两个部分，处理后有利于进行目标分辨、特征提取和细节像素提取。

仲伟国[1]在非制冷红外热像原理的基础上以及结合红外图像处理的算法等理论，研究了包括非均匀校正和图像增强等算法在内的非制冷红外热图像增强技术，并实现了增强后的红外热图像噪声较低、对比度较高；于天河[2]等提出了基于多重形的红外图像增强算法，解决了边缘模糊和图像对比度低等问题，增强人们视觉敏感的红外图像区域，增强了细节像素信息，使红外图像对人眼的视觉效果更好；彭洲[3]等提出了一种基于Contourlet变换和模糊理论的红外图像增强新算法，分别对低通子带和带通子带进行线性变换和降噪处理，然后再引入模糊增强算法，从而有效地抑制了图像的噪声，并且提高了对比度；

贾宏光[4]将广义运算（GL-Φ）和双边滤波（BF）相结合应用到红外图像增强中，实现了红外图像光晕现象的有效抑制和红外图像细节信息的放大；云海姣[5]等将直方图均衡和模糊集理论相结合以提高红外图像增强处理效果，有效的解决了边缘模糊和对比度低等问题，提高了人眼的视觉效果，图像的亮度、清晰度等都有所提高；柳翠寅[6]等提出了NSCT变换与空间约束模糊核聚类相结合的红外图像分割算法，对红外图像采用非子采样的轮廓波换域（NSCT）以实现去噪，再用空间约束的模糊核聚类算来分割图像并进行修正，以显著提高图像分割的精度；周东国[7]等提出了自适应分层阈值的SPCNN图像分割算法，使得在人体红外图像的分割过程中错误率较小；

曲仕茹[8]等将PCNN和遗传算法相结合，提出了基于遗传算法参数优化的PCNN红外图像分割算法，并对图像交叉、区域对比度等参数进行分析，以证明出该算法优于OTSU等传统分割算法；史小丹[9]等提出了基于模糊阈值和水平集的红外图像分割算法，首先计算阈值并进行模糊阈值与分割，然后利用在改进的水平集进行分割，以得到分割精度和准确性较高的红外图像。贾雯晓[10]等提出一种基于SIFT与改进的RANSAC图像配准算法以提高图像配准精确率，首先采用NSCT对参考与要配准的图像进行转换，并分解成高、低频子带，然后用矢量夹角算法和SSIM提取高频子带图像边缘的特征点，用SIFT算法提取低频子带的特征点，最后使用改进的RANSAC算法提高匹配的准确度，并选择精确的匹配点以实现图像配准。

3、红外热像技术在测温方面的应用

王俊影[11]等使用基于边缘特征的图像配准方法，将相同场景的两个图像（可见光图像和红外热图像）转换为相同分辨率的图像，并调用轮廓搜索和遮罩方法，使用边缘检测、角点检测和其他函数来查找关键点，完成两个已处理图像的点对点配准，并删除不匹配的点。在源图像对中显示匹配的结果，并且进行透视变换，以实现自动配准可见图像和红外图像，从而建成自动匹配测温系统并对流动人群进行体温筛查。

余耀[12]等利用红外热像仪测量小麦叶片的温度，去叶片上30个点的温度求平均值，并以此作为其的温度特征，来研究低空气湿度对叶片气孔的影响；李真[19]研究农作物病毒的早期检测中用红外热像仪对水稻患有稻瘟病的叶片进行温度数据的采集，并进行温度分析从而得到叶片温度特征分布图。

刘飞等[13]利用红外图像作为监控图像以实现远距离监测车厢内的状况，并减少了光源辐射的干扰，通过对红外图像的温度判定及基于高斯分布和采用离散余弦来建立火警概率模型，以达到高效的火灾预警。

于占忠[14]为解决高炉热风炉危险区域无法实现实时监测而需派遣巡检人员以排除隐患确保安全的人力问题及安全问题，故基于红外热像技术不同温度不同红外强度的理论设计了一套红外热像监测系统，经现场考察而设置的数个测温点将监测到的红外热像图及数据传输给计算机，并用软件进行分析处理，从而实现了热风炉及热风管等危险区域的实时监测，确保了人员及生产安全。

曾凯[15]为解决高压配电设备的实时温度监测难的问题，基于红外热像技术设计了一套红外在线监测系统，以红外热像仪为核心，运用LabVIEW编写了控制系统和交互界面，利用扫描云台实现测温仪对高压配电设备进行实时在线监测，该系统操作简单，运行可靠，测量温度精度高，很好的实现了包括数据采集、显示、储存、处理在内的在线实时监测。

4、红外热像技术在节能方面的应用

红外热像技术在节能方面的作用主要应用于石化行业，输油管线、原油储罐、注汽开发等多个领域对能耗损失的检测具有大量的需求。在石化企业生产的过程中，有大量管道和热力设备需要保温处理，而保温效果的好坏将直接关系到企业的产能建设和生产运营成本。随着设备使用年限的增长，设备外保温层将出现严重的热老化现象，导热系数将增高，保温效果降低，但凭肉眼是难以发现的。但通过红外热像进行检测，工作人员将准确掌握完整的视场范围内的温度分布，保温管线热像图如图2，红外热像会将温度不同的区域以不同颜色进行区分，并显示温度数值，保温层的保温效果一目了然，方便快速进行更换处理。

一家石化企业基于红外热像设计了一种在线热损失测量技术，不仅弥补了传统测温方式取点多、工作量大、测试误差大、耗时耗力等不足，还能准确的及时得到热损失数据，该技术采用红外热像扫描导出像素微元的温度分布，计算微元面积的散热损失再通过面积积分的方法能够实现待测物体表面散热损失的准确测量，工作人员根据实际情况提出整改措施从而实现节能的目的。

另一家石化公司运用上述基于红外热像的在线热损失测量技术对厂区内5.19km的中压蒸汽管线和12.85km长的低压蒸汽管线共22条管线进行了保温结构的能耗检测，依据标准GB/T8174—2008《设备及管道绝热效果的测试与评价》和GB/T17357—2008《设备及管道绝热层表面热损失现场测定热流计法和表面温度法》对蒸汽管线整体散热损失进行评价见表1。

利用红外热像在线热损失测量技术计算各管线的整体散热损失量，与按标准规定计算的允许最大散热损失量进行比较，结果显示有16条管线保温效果良好，6条蒸汽管线存在散热损失超标的现象，各管线整体散热损失评价结果见表2，其中P15-15、P15-121、P15-124的年散热损失量严重超标。

同时利用红外热像技术可以及时查找到不合格蒸汽管线保温薄弱的点和段（图3），可以发现保温层脱落、破损或管段裸露等情况。

6条不合格管线均有几十米的管段需要整改，尤其是P15-15和P15-121，由于整体管线较长且使用年限较长，需要整改的管段长达130m和370m，整改前后散热量对比及节能量数据见表3，工作人员根据红外热像图、散热损失计算及现场情况提出防腐、更换保温材料、弯头处加密固定、防风防塌陷等相对应的整改措施，经整改后，这6条蒸汽管线一年节约179.62kW的能量，换算成标准煤，年可节约192.59t标准煤。

5、总结与展望

红外热像技术作为先进的测温方式及机器视觉技术，被广泛应用在石油化工行业，除了设备结焦及设备保温检测等，红外热像也被应用于用电设备运行温度控制、储液罐内液面高度等，不仅增强了石化厂区设备的自动化控制，减小了生产时的安全隐患，同时也为企业生产节能提供了一定的技术手段，为设备的稳定运行和企业的经济效益增加了一道重要保障。

目前针对红外热像技术进行研究和开发的单位具有相当的科研实力和研发基础，虽然技术水平略落后于发达国家，但是相信在国家的大力支持下，科研学会积极组织和引导，依托技术交流平台，国内的红外热像技术会得到更快更好的发展。

参考文献：

[1]仲伟国.非制冷红外热像图像处理技术研究[D].南京:南京理工大学,2007.

[2]于天河,戴景民.基于多重分形的红外图像增强技术[J].红外与激光工程,2010,39(1):184-188.

[3]彭洲,赵保军.基于Contourlet变换和模糊理论的红外图像增强算法[J].激光与红外,2011,41(6):635-640.

[4]贾宏光,吴泽鹏,朱明超,等.基于广义线性运算和双边滤波的红外图像增强[J].光学精密工程,2013,21(12):3272-3282.

[5]云海姣,吴志勇,王冠军,等.结合直方图均衡和模糊集理论的红外图像增强[J].计算机辅助设计与图形学学报,2015,27(8):1498-1505.

[6]柳翠寅,张秀琼,付乔,等.NSCT变换与空间约束模糊核聚类红外图像分割算法[J].四川大学学报(工程科学版),2012,44(S1):182-188.

[7]周东国,高潮,郭永彩.自适应分层阈值的简化PCNN红外人体图像分割[J].计算机辅助设计与图形学学报,2013,25(2):208-214.

[8]曲仕茹,杨红红.基于遗传算法参数优化的PCNN红外图像分割[J].强激光与粒子束,2015,27(5):38-43.

[9]史小丹,马国锐,陈王丽,等.基于模糊阈值和水平集的红外图像分割方法[J].激光与红外,2016,46(1):109-114.

[10]贾雯晓,张贵仓,汪亮亮,等.基于SIFT和改进的RANSAC图像配准算法[J].计算机工程与应用,2018,54(2):203-207.