摘要：  本文将对红外探测技术（以典型的红外热像仪为例）与光栅光纤探测技术在工业隐患事故与消防及隧道安全报警中的应用作分析研讨。

关键字：  红外探测，光栅光纤，安全隐患，气体泄漏红外探测，光栅光纤，安全隐患，气体泄漏

1 工业设备或电气故障是消防安全的隐患
工业设备或电气（包括电力）故障中难以诊断的是隐含性或间歇性故障，这儿所述的电气（包括电力）间歇性故障是指电气（包括电力）设备产生，而隐含性故障是指石化企业各工业设备的气体泄漏。这隐含性或间歇性故障的特点是忽显忽隐捉模不定，使人感到困惑。应该说这类故障的最大挑战是不定时的表现和无从对故障迸行电气测量。再则故障的位置使得体积很大的分析仪不能用到故障点也感烦脑。实踐证明，无论是那种工业设备故障都是戓会引发诸如爆炸、火災等给生命与财产带来巨大伤害。这是消防安全的重大隐患。如果在出现异常时能及时观察到工业设备或电气故障现象，就能将其大隐患或事故消灭在萌芽状态。于是如何面对工业设备或电气（包括电力）故障与带来消防安全隐患的挑战，这是业界关心和急需解决之事。由于工业设备或电气故障的重要特征是发热，而随着科学新探测技术的发展，其有效的应对，那就是应用先进的红外探测技术与光栅光纤探测技术对其隐含性或间歇性发热诊断与消防安全是一种新型而实用的有效的方法。
与此同时本文也将对新型光栅光纤探测技术系统特征及消防安全中的应用并以隧道火災報警为例作分析研讨。
2 用红外探测技术的解决方案
2.1 为什么需要使用红外探测技术?
由于几乎所有物体在发生故障之前都会产生发热现象并生成能量。而保证电气和机械系统的运行安全将为大大节省成本，以达实现高效能源管理的目的。由于其红外测温是一种有效的预防性维护技术，它可以在问题发生之前，快速、精确并安全地找到问题。无论是在室内室外观测电气部件，还是进行机械检测或是检测安装过程，其红外探测技术都可以迅速地找到热点，发现问题。即使在电气系统运行时，一切检测都可以安全进行。而常见的电气检测部位选包括隐含间歇性电气故障的刀闸开关、断路器、电气面板及连接螺栓等。
在预防性维护领域，红外热像仪是一项已被证明的重要资源。它可以在间歇性故障发生或发生之前准确将问题暴露在您面前，使其避免了代价高昂的停工维护。
红外热像仪不仅可以快速发现问题，还可以进行精确的非接触温度测量，它可以帮助对维护措施和维护时间作出准确判断。在电气故障中常迂到的是超载运行的轴承，管道磨损和阀门过热成为不安全的连接等，均可用红外热像仪检测到发热点，见图1(a)(b)(c)中红色与黄色所示。
2.2 红外热像仪瞬间或快速发现电气设备的隐患独特功能是什么呐？
快速定位故障。无论在室内、室外检测电气部件，或在生产车间检测设备，能够在故障发生之前快速找到热点。
安全检测精确测温。可以使检测人员避开危险区域对目标物体进行非接触温度测量。可移动的十字光标可以进行单点测温和分析，并可以在设定区域内自动寻找热点，通过观看红外图像，便可快速检测和发现各种电气设备存在的故障。
记录工作状况。可以在现场与同事共同分析问题并分享结果，在所关心的重要区域内设置声光报警。具有的所有分析功能可以帮助在现场快速作出判断并解决问题。能够储存50张JPEG格式的红外图像。可以将图片导入到常用软件内，标注问题区域，注明问题已被修复。如InraCAM标配中包含可以对红外图像进行后处理分析的QuickViewTM软件。改变调色板颜色、移动测温点、调整电平和跨度等等都可以通过软件轻松实现。
因此使用红外热像仪是避免火灾、避免意外停机、避免不必要的维修、验证维修情况、检测新设备等避免发生重大电气（电力）事故的有效技术。
2.3 现场应用举例
避免火灾：细小的电气故障也会引起不堪设想的严重后果。如果故障没有被及时发现，热量将不断上升直至接点熔化，产生火花，进而引起火灾。图2(a)所示为松动或错误的电缆连接会积聚热量，见图2(a)右红色所示。
如果没有得到及时维修，热量将会一直上升，直至电缆熔化，甚至还会引起火灾。
瞬间检测电气设备避免高昂的电力损失：快速查找隐藏电气故障的最佳工具（如InfraCAM红外热像仪）。可用来检测各种电气设备，并对故障进行及时修复，还可以用来检查故障修复的完好程度。在设备交付使用之前进行快速检测，所有故障区域将一目了然地清晰显示在3.5英寸大屏幕液晶显示器上。如图2(b)所示为红外图像清晰显示出肉眼无法分辨的过热的接点，见图2(b)右红黄色所示。如果接点处的问题没有被及时检测，那么将可能引起代价高昂的电力损失。
2.4 瞬间或快速发现和检测的技术保证是什么？
2.4.1 精确的温度测量卓越的图像品质
可生成高分辨率红外图像（如ThermaCAMTM E320可生成320×240像素），其像素数量是160×120像素的4倍之多，图像质量明显提高；热灵敏度高达0.10℃可进行精确的温度测量。低数值的热灵敏度不仅能够反映细微的温度变化，而且还可以提供清晰、无噪音的优质图像。得益于这些清晰的图像，任何细微的温度变化都可以显示在3.5英寸或更小英寸的彩色液晶显示器上。
2.4.2 灵活的JPEG格式图像存储  
能够以JPEG格式存储多达80幅红外图像，可以在现场实时观看并存储图像。由于所有存储的图像均为JPEG格式，无需其他特殊软件进行观看，因此使用者可以在现场与同事轻松地共同分享全部图像。所有图像可以快速导入到兼容的软件中，以用于深入分析。
2.4.3 智能化电源系统
无需担心电量损耗而丢失重要的检测时间。轻便、长寿命的锂离子电池可保证现场检测过程不间断。如ThermaCAM E320可连续工作2小时并配有一个内置电池充电器，还包含一个双路电池充电器，另外，特有的车载充电适配器可保证工作途中对仪器进行充电。
2.4.4 坚固轻便，符合人体工程学
防尘防水设计，完全满足IP54工业标准，适应各种恶劣的工业环境和多种天气状况。E320重量不足800克。可随意将其轻握于掌中，见图3所示，别在腰间或置于工具箱中，它便随时准备为您每天工作数小时。
3 新型红外热像仪可以快速简单地发现更加细微的气体泄漏
3.1 石化企业工业设备的气体泄漏传统检测手段存在的问题
众所周知，石化企业各类设备中许多工业气体和化合物是无法被肉眼看见的。然而公司几乎每天都要进行运输、测量和改变成分，并需要使用各种仪器对从码头、炼油厂和化学处理厂运送至储藏罐、管道、气动车和驳船的整个过程进行监测、验证和密封保存。如今，虽然有毒气体分析仪或“嗅探”技术已经被用在对大量目标进行气体泄漏的检测。但对一个大型炼油厂来说大约有50万到100万个需要被检测的目标，包括接点、阀门盘根、泄压阀、排放和燃烧系统。使用“嗅探”装置进行人工检测，平均每天工作8小时，每天大约可检查500个阀门。将会造成大量时间和人力的浪费。
故现有传统的这些检测手段有可能会带来以下几种严重后果：即检测人员可能会暴露在不可见的、存在潜在危险的化学气体中进行气体泄漏检测；风或其他天气因素可能会吹散气体或蒸汽，导致检测结果不准确；“点测量方法”只能够反映测量点的问题；化合物比空气或重或轻，其浓度可能会在高空或在地表，而这些地方是有毒气体分析仪无法检测的地方。
3.2 新型红外热像仪可以帮助石化工厂立即检测气体泄漏情况。
将红外热像仪用于快速简单地探测甲烷和其他可挥发性有机复合(VOC)气体的泄漏情况才起步不久。它能够快速扫描大片区域和甚至几公里长的管道，这种特制的红外热像仪（如用GasFindIR型红外热像仪）能够实时生成气体泄漏的红外图像。泄漏的气体在屏幕上将显示为“黑色烟雾”，因而可以判断是否有挥发性气体存在。
它能够将有机复合(VOC)气体泄漏的物理性质进行转化。过去无法用肉眼看到的泄漏气体如今已清晰可视，并可以被记录至任何一合影像存储器内，可用于简单的存档、验证和发送电子邮件。它又是一款实时记录的红外热像仪，扫描速度为50Hz PAL或每秒25幅图像。与装在移动车辆上扫描几公里长的管道或全景观看大面积的管路系统相比较，用红外热像仪进行检测将大大提高效率。该新型红外热像仪的功能可以每班检测上千个部件；可发现数米远的轻微气体泄漏；数米远外安全监测严重气体泄漏；对移动的储罐车进行气体泄漏检测。
4 新型光栅光纤探测技术，并和报警主机进行火灾联动报警
值此仅以光栅温度传感器基本结构与光栅温度传感应用于隧道为例的布局等二个问题作说明。
光纤光栅传感器的基本结构
它利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内，从而在光纤上形成周期性的光栅，故称为光纤光栅。图4所示是其光纤光栅传感器的典型结构。
在图4所示的光纤光栅传感器结构中，光源为宽谱光源且有足够大的功率，以保证光栅反射信号良好的信噪比。一般选用侧面发光二极管ELED的原因是其耦合进单模光纤的光功率至少为50-100μW。而当被测温度或压力加在光纤光栅上时，由光纤光栅反射回的光信号可通过3dB光纤定向耦合器送到波长鉴别器或波长分析器，然后通过光探测器进行光电转换；最后由计算机进行分析、储存，并按用户规定的格式在计算机上显示出被测量的大小。
光纤光栅除了具备光纤传感器的全部优点外，还具有在一根光纤内集成多个传感器复用的特点，并可实现多点测量功能。
光栅光纤探测系统
采用光纤光栅作为温度敏感元件，对波长信号进行数字式测量，具有极高的灵敏度。光纤光栅传感器利用光纤芯层材料的光敏特性，通过紫外准分子激光器采用掩模曝光的方法使一段约8mm的光纤纤芯的折射率发生永久性改变，形成布拉格光栅结构，见图5光栅光纤探测系统所示。
该系统使用波分复用与全光纤光栅混合复用方法解决了隧道火灾报警的难题，使单根光纤上光纤光栅传感探头的复用数成数量级增加，大大增加了系统的测量距离和测量点数，非常适合于长距离的隧道工程中的应用，满足了该工程中前端采集设备的需要。
光纤光栅信号处理器是感温光栅测温系统的重要组成部分，其主要功能是检测现场传感器反射回的光波长的漂移量，通过采用可调法布里—珀罗腔技术能检测出0.1摄氏度的温度变化。当信号处理器检测到光纤光栅的反射波长出现异常，它会发送报警信号给火灾报警控制器，火灾报警控制器再发出告警信号。
火灾监测数据处理的方法主要有：阈值比较方法、类比判断方法以及分布智能方法。类比判断方法是在阈值比较方法基础上发展起来的，它应用了计算机软件方法，主要分析信号的变化趋势，平滑过滤干扰信号，增加了一个“预报警”过程，目的是提高火灾探测报警的可靠性和平稳性，降低误报率。类比判断法是以火灾发展过程中火灾信号的规定特征为对象的较理想的判断方法，也是设计所使用的信号处理方法。
光栅温度传感的布局及其和报警主机进行火灾联动报警的应用
在此以应用于隧道为例作说明。采用分区监测的方式对火情（如应用于隧道）进行监控。例如，每个分区长25米，共布置5个光纤光栅探头，探头间距为5米，一根光纤光栅传感器有50个感温点，可覆盖10个分区，监测范围250米。对于此类隧道现场监控设备可在在隧道两地的设备室分别各设一台区域火灾报警控制器，同时在隧道两地的设备室内也再配数十个20台信号处理器，所有的光纤光栅传感器均用传输光缆就近连接至隧道设备室的仪表柜，分别与对应的信号处理器连接。
隧道设备室内的信号处理器将光纤光栅传感器的信号转换为温度信号和报警信号，传输给各自的区域火灾报警控制器。二台区域火灾报警控制器通过通信光缆连接，并与总控室的火灾报警控制器组成环网，通过标准通讯端口和消防计算机连接。实现信息共享。需要说明的具有此类新型光栅光纤探测技术系统己逐步闻世，如武汉理工光科股份有限公司产的TGW系统就是一典例。
5 结束语
利用红外技术与光栅光纤探测技术可在现埸获得故障的很多信息，而不必再回到办公室搬运笨重的存储示波器到工作地点。尤其近年来，随着红外技术与光栅光纤探测技术的日趋成熟，其此类光纤光栅的传感技术得到了充分的发展和应用。由于其拥有独特的自身优势，也必将在传感领域中呈现出非常重要的地位。