馮雙昌，梁艷春，陳杰

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院,上海 200062）

0 引言

電梯控制柜是管理和控制電梯運(yùn)行的“心臟”，用于控制電梯的正常運(yùn)行，對(duì)電梯運(yùn)動(dòng)的調(diào)試和對(duì)常見(jiàn)故障的緊急處置，避免發(fā)生更嚴(yán)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(xiàn)短路等異常，會(huì)造成一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，且很難在第一時(shí)間被發(fā)現(xiàn)和排除。一些元器件發(fā)生短路等故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致通過(guò)這些元件的電流增大，進(jìn)而短時(shí)間內(nèi)聚集大量熱量，造成局部溫度過(guò)高[2]。然而，由于電梯控制器需要驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)這類大型設(shè)備，部分原件正常工作時(shí)難免也會(huì)產(chǎn)生較大的電流，因此不能單憑其溫度高低來(lái)判斷元器件的正常與否，而是需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量其正常運(yùn)行時(shí)的溫度分布及變化情況，防止因閾值設(shè)置的偏差而導(dǎo)致對(duì)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(shù)檢測(cè)物體熱輻射的紅外特定波段信號(hào)，該信號(hào)可以用來(lái)計(jì)算圖像中物體的溫度信息，也可轉(zhuǎn)換成可供人類視覺(jué)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(yīng)用于各類生產(chǎn)活動(dòng)中。林宗澤等[4]提出采用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)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(guò)程及表面水分場(chǎng)的時(shí)空演化特征提供了新的技術(shù)思路；鄭豪等[5]基于紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，闡述了在防爆電梯檢驗(yàn)中的應(yīng)用方法及缺陷分析方法，并在防爆電梯檢驗(yàn)中的故障檢驗(yàn)例證,具有直觀、快速的優(yōu)勢(shì)；牛小玲等[6]基于紅外熱成像技術(shù)的工作原理和電氣設(shè)備出現(xiàn)故障的原因,對(duì)電氣設(shè)備故障診斷中的方法和重要性進(jìn)行了探究,促進(jìn)其在更多領(lǐng)域上的應(yīng)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(duì)紅外線的捕捉和通過(guò)率更高，可以與濾波片相結(jié)合，濾去可見(jiàn)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(shí)際溫度的關(guān)系需要經(jīng)過(guò)測(cè)量與標(biāo)定，可能存在一定的誤差，故選作測(cè)量制動(dòng)器溫度T的備選設(shè)備。

基于紅外熱像儀的控制柜溫升監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)控制柜的表面紅外輻射強(qiáng)度進(jìn)行探測(cè)，并利用信號(hào)處理、光電轉(zhuǎn)換等方法，將目標(biāo)溫度分布的圖像轉(zhuǎn)化為二維可視圖像。紅外熱成像儀可以用來(lái)實(shí)時(shí)采集控制柜關(guān)鍵部件的紅外熱輻射信息，以熱圖像的形式傳輸給計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理的相關(guān)技術(shù)識(shí)別并計(jì)算其溫度T。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

測(cè)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(shí)獲取電梯控制柜某一時(shí)刻的溫度分布情況以及電梯控制柜在電梯運(yùn)行過(guò)程中的溫度變化情況，本次試驗(yàn)采用紅外熱像儀作為溫度測(cè)量設(shè)備，以拍攝紅外圖像的方式來(lái)獲取電梯控制柜的溫度分布及溫度變化情況[8]。

本次試驗(yàn)采用的紅外熱像儀FLIR C3如圖1所示，試驗(yàn)中溫度測(cè)量采用非接觸方式，溫度測(cè)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(yàn)中，熱像儀和電腦通過(guò)USB 數(shù)據(jù)線相連接，電腦通過(guò)上位機(jī)軟件獲取熱像儀界面的圖像并存儲(chǔ)成視頻形式[9]。

圖1 FLIR C3紅外熱像儀

本次試驗(yàn)監(jiān)測(cè)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(jìn)行試驗(yàn)時(shí)電梯機(jī)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(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻顯示、保存及數(shù)據(jù)記錄

FLIR C3支持利用C#軟件進(jìn)行對(duì)熱像儀的二次開(kāi)發(fā)。本試驗(yàn)介紹利用FLIR C3熱像儀軟件開(kāi)發(fā)包開(kāi)發(fā)的C#程序的使用，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)輪表面溫度的監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。該程序需要運(yùn)行在Windows系統(tǒng)中的C#軟件上，在系統(tǒng)中需要預(yù)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(gè)面板組成。“Video”面板展示熱像儀拍攝到的實(shí)時(shí)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??；“Temp”面板用于展示和保存實(shí)時(shí)紅外圖像的最高溫度信息。

圖4 軟件界面——設(shè)備選擇

將紅外熱像儀連接到計(jì)算機(jī)后，點(diǎn)擊“Camera”面板中的“Find Cameras”按鈕，等待10 s左右，即可顯示當(dāng)前可供連接的設(shè)備；選擇其中的“FLIR C3::FlirFileFormat”設(shè)備，點(diǎn)擊“Connect”按鈕，即可實(shí)時(shí)顯示圖5所示的紅外熱像儀當(dāng)前紅外圖像。同時(shí)，當(dāng)前畫面中的實(shí)時(shí)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(diǎn)擊“Temp”面板下的“Save Temp Seq”按鈕，軟件會(huì)自動(dòng)將時(shí)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(dāng)前年月日。存儲(chǔ)的溫度信息如圖6所示。利用該溫度信息，即可對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)輪表面溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦超過(guò)設(shè)定的上限，則需要相關(guān)維保人員對(duì)制動(dòng)器閘瓦和制動(dòng)輪進(jìn)行相應(yīng)的檢查。

圖5 軟件界面——實(shí)時(shí)紅外圖像展示

圖6 軟件存儲(chǔ)的溫度信息格式

如果要保存當(dāng)前正在拍攝的紅外圖像，點(diǎn)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(dāng)前正在拍攝的紅外視頻，點(diǎn)擊“StartRec”按鈕，即可開(kāi)始紅外視頻錄制，按下“StopRec”按鈕結(jié)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(diǎn)擊“File”面板中的Open File按鈕，打開(kāi)錄制的以“.seq”為后綴的紅外視頻，單擊“Play”按鈕即可開(kāi)始播放，按下“Stop”按鈕后停止播放。

4 試驗(yàn)過(guò)程

在實(shí)施本試驗(yàn)時(shí)，對(duì)電梯運(yùn)行時(shí)電梯控制柜正面的紅外圖像進(jìn)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(diào)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(gè)控制柜正面的各個(gè)元器件，此時(shí)拍攝的紅外圖像如圖7所示；將電梯從1層開(kāi)至18層，同時(shí)拍攝此時(shí)熱像儀上顯示的紅外圖像；再將扶梯從18層開(kāi)至1層，拍攝此時(shí)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(duì)電梯運(yùn)行時(shí)電梯控制柜背面的紅外圖像進(jìn)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(diào)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(gè)元件，此時(shí)拍攝的紅外圖像如圖8所示；將電梯從1層開(kāi)至18層，再將電梯從18層開(kāi)至1層，拍攝這兩個(gè)過(guò)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(yàn)結(jié)果分析

5.1 電梯控制柜正、背面溫度分布情況

運(yùn)行時(shí)控制柜正面的紅外圖像如圖9所示。由此可見(jiàn)，電梯運(yùn)行過(guò)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(dòng)力線接線端子附近，溫度接近37 ℃，以及有部分觸點(diǎn)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(yùn)行時(shí)控制柜正面紅外熱像圖

電梯運(yùn)行時(shí)控制柜背面的紅外圖像如圖10所示。運(yùn)行過(guò)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(kāi)關(guān)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(yùn)行時(shí)控制柜背面紅外熱像圖

5.2 電梯運(yùn)行過(guò)程中電梯控制柜溫度變化情況

電梯上行和下行過(guò)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?？偟膩?lái)說(shuō)，電梯控制柜正面最高溫度隨著電梯的運(yùn)行略有波動(dòng)，但基本維持在一定范圍內(nèi)，控制柜正面在42～43 ℃左右，控制柜背面在46～47 ℃左右。也就是說(shuō)，雖然電梯正常運(yùn)行過(guò)程中各元器件也會(huì)產(chǎn)生熱量，但是產(chǎn)熱水平與熱量耗散水平基本相當(dāng)，電梯控制柜不會(huì)產(chǎn)生較大的溫度變化；如果檢測(cè)到控制柜出現(xiàn)異常的溫升情況，電梯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就需要提醒相關(guān)維保人員對(duì)產(chǎn)生異常溫升的電梯進(jìn)行檢修[10]。

圖11 上行過(guò)程中控制柜正面最高溫度變化圖

圖12 下行過(guò)程中控制柜正面最高溫度變化圖

圖13 上行過(guò)程控制柜背面最高溫度變化圖

圖14 下行過(guò)程控制柜背面最高溫度變化圖

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)電梯控制柜溫度測(cè)量試驗(yàn)，可以得到電梯正常運(yùn)行情況下電梯控制柜的溫度分布情況，以及電梯運(yùn)行過(guò)程中電梯控制柜的溫度，為日后通過(guò)溫度對(duì)電梯控制柜進(jìn)行監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究提供研究基礎(chǔ)。本次試驗(yàn)只是針對(duì)一種型號(hào)的電梯控制柜進(jìn)行溫度測(cè)量，對(duì)于不同品牌廠家所生產(chǎn)的電梯控制柜，都可以采用類似的方法取得其型號(hào)所對(duì)應(yīng)的溫度分布以及正常工作時(shí)的溫度水平，將對(duì)溫度的測(cè)量作為對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)的一個(gè)方面，成為對(duì)電梯控制柜的故障監(jiān)測(cè)的新的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。