基于紅外熱像儀的控制柜溫升監(jiān)測試驗研究

馮雙昌，梁艷春，陳杰

（上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院,上海 200062）

0 引言

電梯控制柜是管理和控制電梯運行的“心臟”，用于控制電梯的正常運行，對電梯運動的調試和對常見故障的緊急處置，避免發(fā)生更嚴重的電梯安全事故[1]。電梯控制柜主要由變頻器、主控板、接觸器、變壓器等部件組成，具有諸多電氣元件。若其中某一元件出現短路等異常，會造成一定的安全風險，且很難在第一時間被發(fā)現和排除。一些元器件發(fā)生短路等故障時，會導致通過這些元件的電流增大，進而短時間內聚集大量熱量，造成局部溫度過高[2]。然而，由于電梯控制器需要驅動電動機這類大型設備，部分原件正常工作時難免也會產生較大的電流，因此不能單憑其溫度高低來判斷元器件的正常與否，而是需要通過試驗測量其正常運行時的溫度分布及變化情況，防止因閾值設置的偏差而導致對電梯控制柜故障的誤判，影響電梯的正常使用[3]。

1 紅外熱成像的基本原理

紅外熱成像利用光電技術檢測物體熱輻射的紅外特定波段信號，該信號可以用來計算圖像中物體的溫度信息，也可轉換成可供人類視覺分辨的圖像和圖形，幫助使用者了解物體表面溫度的分布情況，廣泛應用于各類生產活動中。林宗澤等[4]提出采用紅外熱成像技術進行土體水分的蒸發(fā)特性研究，為快速掌握氣候作用下土體水分蒸發(fā)過程及表面水分場的時空演化特征提供了新的技術思路；鄭豪等[5]基于紅外熱成像技術應用的優(yōu)勢，闡述了在防爆電梯檢驗中的應用方法及缺陷分析方法，并在防爆電梯檢驗中的故障檢驗例證,具有直觀、快速的優(yōu)勢；牛小玲等[6]基于紅外熱成像技術的工作原理和電氣設備出現故障的原因,對電氣設備故障診斷中的方法和重要性進行了探究,促進其在更多領域上的應用。

紅外鏡頭常用于捕捉物體的紅外輻射信息。與普通鏡頭相比，對紅外線的捕捉和通過率更高，可以與濾波片相結合，濾去可見光的成分，使得獲得的圖像為紅外輻射圖像，以便于分析圖像中物體的溫度,與熱像儀相比，由于可以搭配高清的圖像采集模塊，所以可以獲得更高像素的紅外圖像，但是紅外圖像的灰度與物體實際溫度的關系需要經過測量與標定，可能存在一定的誤差，故選作測量制動器溫度T的備選設備。

基于紅外熱像儀的控制柜溫升監(jiān)測試驗，通過對控制柜的表面紅外輻射強度進行探測，并利用信號處理、光電轉換等方法，將目標溫度分布的圖像轉化為二維可視圖像。紅外熱成像儀可以用來實時采集控制柜關鍵部件的紅外熱輻射信息，以熱圖像的形式傳輸給計算機，通過計算機圖像處理的相關技術識別并計算其溫度T。

2 試驗準備

測量控制柜溫度可以采用接觸式溫度傳感器和非接觸式溫度傳感器[7]。為了能夠同時獲取電梯控制柜某一時刻的溫度分布情況以及電梯控制柜在電梯運行過程中的溫度變化情況，本次試驗采用紅外熱像儀作為溫度測量設備，以拍攝紅外圖像的方式來獲取電梯控制柜的溫度分布及溫度變化情況[8]。

本次試驗采用的紅外熱像儀FLIR C3如圖1所示，試驗中溫度測量采用非接觸方式，溫度測量范圍為-10～150 ℃，紅外分辨率為80×60，精度為±2 ℃或±2%（單位為K），支持WiFi/USB通信方式。在本次試驗中，熱像儀和電腦通過USB 數據線相連接，電腦通過上位機軟件獲取熱像儀界面的圖像并存儲成視頻形式[9]。

圖1 FLIR C3紅外熱像儀

本次試驗監(jiān)測的電梯控制柜正面如圖2所示，電梯控制柜背面如圖3所示。進行試驗時電梯機房的環(huán)境溫度約為10 ℃。

圖2 控制柜正面

圖3 控制柜背面

3 利用軟件開發(fā)實現實時視頻顯示、保存及數據記錄

FLIR C3支持利用C#軟件進行對熱像儀的二次開發(fā)。本試驗介紹利用FLIR C3熱像儀軟件開發(fā)包開發(fā)的C#程序的使用，以實現實時熱像視頻的讀取、顯示、保存，以及最高溫度信息的獲取與保存，可以為后續(xù)實現對制動輪表面溫度的監(jiān)測提供數據基礎。該程序需要運行在Windows系統(tǒng)中的C#軟件上，在系統(tǒng)中需要預先安裝好FLIR公司提供的基于C#軟件的SDK。

程序的軟件界面如圖4所示，由“Video”、“Camera”、“Record/Shoot”、“File”、“Temp”5個面板組成?！癡ideo”面板展示熱像儀拍攝到的實時紅外圖像或者紅外錄像；“Camera”面板用于尋找并連接紅外熱像儀；“Record/Shoot”面板用于執(zhí)行紅外圖像的拍攝、紅外視頻的錄制等；“File”面板用于執(zhí)行紅外視頻文件的讀?。弧癟emp”面板用于展示和保存實時紅外圖像的最高溫度信息。

圖4 軟件界面——設備選擇

將紅外熱像儀連接到計算機后，點擊“Camera”面板中的“Find Cameras”按鈕，等待10 s左右，即可顯示當前可供連接的設備；選擇其中的“FLIR C3::FlirFileFormat”設備，點擊“Connect”按鈕，即可實時顯示圖5所示的紅外熱像儀當前紅外圖像。同時，當前畫面中的實時最高溫度值將顯示在“Temp”面板下Max文本右邊的文本框中；若要記錄最高溫度序列，點擊“Temp”面板下的“Save Temp Seq”按鈕，軟件會自動將時間和溫度信息以JSON格式保存在上方文本框所顯示的路徑下，其中文件名后半部分為當前年月日。存儲的溫度信息如圖6所示。利用該溫度信息，即可對制動器制動輪表面溫度進行監(jiān)測，一旦超過設定的上限，則需要相關維保人員對制動器閘瓦和制動輪進行相應的檢查。

圖5 軟件界面——實時紅外圖像展示

圖6 軟件存儲的溫度信息格式

如果要保存當前正在拍攝的紅外圖像，點擊“Record/Shoot”面板下的“SavePic”按鈕，圖片將以“.jpg”的格式保存在面板下部文本框所展示的路徑中；如果要保存當前正在拍攝的紅外視頻，點擊“StartRec”按鈕，即可開始紅外視頻錄制，按下“StopRec”按鈕結束錄制后，視頻將以“.seq”的后綴名保存在面板下部文本框所展示的路徑中。若要查看已錄制的紅外圖像文件，只需點擊“File”面板中的Open File按鈕，打開錄制的以“.seq”為后綴的紅外視頻，單擊“Play”按鈕即可開始播放，按下“Stop”按鈕后停止播放。

4 試驗過程

在實施本試驗時，對電梯運行時電梯控制柜正面的紅外圖像進行采集。將紅外熱像儀用三腳架固定，置于電梯控制柜正面前方約1 m處，調整紅外熱像儀的拍攝角度，使其能夠較為完整地拍攝到整個控制柜正面的各個元器件，此時拍攝的紅外圖像如圖7所示；將電梯從1層開至18層，同時拍攝此時熱像儀上顯示的紅外圖像；再將扶梯從18層開至1層，拍攝此時紅外熱像儀上的紅外圖像。

圖7 控制柜正面紅外熱像圖

其次，對電梯運行時電梯控制柜背面的紅外圖像進行采集。將固定紅外熱像儀的三腳架移至控制柜背面約1 m處，調整紅外熱像儀的拍攝角度，使其能夠較為完整地拍攝到控制柜背面的各個元件，此時拍攝的紅外圖像如圖8所示；將電梯從1層開至18層，再將電梯從18層開至1層，拍攝這兩個過程中紅外熱像儀上的紅外圖像。

圖8 控制柜背面紅外熱像圖

5 試驗結果分析

5.1 電梯控制柜正、背面溫度分布情況

運行時控制柜正面的紅外圖像如圖9所示。由此可見，電梯運行過程中電梯控制柜正面溫度最高的部分在電梯的控制板處，溫度接近43 ℃；其次是動力線接線端子附近，溫度接近37 ℃，以及有部分觸點也有接近37 ℃的高溫；其余元件溫度基本為20 ℃左右。

圖9 電梯運行時控制柜正面紅外熱像圖

電梯運行時控制柜背面的紅外圖像如圖10所示。運行過程中，控制柜背面溫度最高的部分在變頻器和變壓器處，為46.7 ℃；其次是開關電源部分，溫度約為40 ℃左右；其余元件溫度都在30 ℃以下。

圖10 電梯運行時控制柜背面紅外熱像圖

5.2 電梯運行過程中電梯控制柜溫度變化情況

電梯上行和下行過程中控制柜正面的最高溫度變化分別如圖11、圖12所示，控制柜背面的最高溫度變化如圖13和圖14所示。總的來說，電梯控制柜正面最高溫度隨著電梯的運行略有波動，但基本維持在一定范圍內，控制柜正面在42～43 ℃左右，控制柜背面在46～47 ℃左右。也就是說，雖然電梯正常運行過程中各元器件也會產生熱量，但是產熱水平與熱量耗散水平基本相當，電梯控制柜不會產生較大的溫度變化；如果檢測到控制柜出現異常的溫升情況，電梯監(jiān)測系統(tǒng)就需要提醒相關維保人員對產生異常溫升的電梯進行檢修[10]。

圖11 上行過程中控制柜正面最高溫度變化圖

圖12 下行過程中控制柜正面最高溫度變化圖

圖13 上行過程控制柜背面最高溫度變化圖

圖14 下行過程控制柜背面最高溫度變化圖

6 結語

通過電梯控制柜溫度測量試驗，可以得到電梯正常運行情況下電梯控制柜的溫度分布情況，以及電梯運行過程中電梯控制柜的溫度，為日后通過溫度對電梯控制柜進行監(jiān)測的相關研究提供研究基礎。本次試驗只是針對一種型號的電梯控制柜進行溫度測量，對于不同品牌廠家所生產的電梯控制柜，都可以采用類似的方法取得其型號所對應的溫度分布以及正常工作時的溫度水平，將對溫度的測量作為對其進行監(jiān)測的一個方面，成為對電梯控制柜的故障監(jiān)測的新的監(jiān)測點。