CC BY
18Опыт практического применения инфракрасной пирометрии на стационарных объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта
Ерёмина Ольга Юрьевна
аспирант, Российский Государственный Университет им. А.Н. Косыгина, olga_u_eryomina@mail.ru
Костюковский Сергей Романович
научный сотрудник, Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН, 5063512@mail.ru
Любская Ольга Геннадьевна,
д.мед.н., профессор, Российский Государственный Университет им. А.Н. Косыгина, lyubskaya-og@rguk.ru
Цель данной статьи - анализ практики использования на стационарных объектах железнодорожного транспорта тепловых методов неразрушающего контроля, в частности инфракрасной пирометрии. Задачей статьи является демонстрация возможностей пирометров российского производства для использования согласно отраслевым правилам на стационарных объектах железнодорожного транспорта. Статья обобщает деятельность авторов по анализу практического использования бесконтактных инфракрасных измерителей температуры на промышленных объектах, в частности стационарных объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта (объекты строения пути, объекты энергетического хозяйства). Исследования 2006-2022 г. проведены с применением инфракрасных пирометров отечественного производства. Дана характеристика метода работы приборов, мест проведения исследования, технические параметры используемых моделей, описан порядок проведения процедур контроля, результаты замеров в сравнении с импортным аналогом. Сделан вывод о возможностях замещения импортных приборов на объектах железнодорожной инфраструктуры российскими пирометрами.
Ключевые слова: пирометры, бесконтактные измерители температуры, инфракрасные термометры, стационарные объекты инфраструктуры, железнодорожный транспорт.
Нормативной основой применения в различных отраслях экономики методов неразрушающего контроля температур являются Национальные стандарты [1,2]. Цель данной статьи - анализ практики использования на стационарных объектах железнодорожного транспорта тепловых методов неразрушающего контроля, в частности инфракрасной пирометрии. Задачей статьи является демонстрация возможностей пирометров российского производства для использования согласно отраслевым правилам [3,12] на стационарных объектах железнодорожного транспорта.
Краткое описание метода. Как известно, все материальные тела излучают электромагнитную энергию, которую можно фиксировать в инфракрасном диапазоне [4]. Интенсивность и спектр излучения этой энергии имеет прямую зависимость от температуры материальных тел, поэтому приборы, которые определяют характеристики электромагнитного излучения тел (инфракрасные термометры, пирометры), на основе этой зависимости могут автоматически определять и степень теплового нагрева объекта измерения [5]. Отметим, что достоинствами теплового неразрушающего контроля с помощью инфракрасных пирометров являются: широкий диапазон температур, отсутствие необходимости непосредственного контакта с измеряемой поверхностью (дистанционность, бесконтактность, что позволяет измерять труднодоступные или сильно разогретые зоны и участки), высокая скорость обработки информации (несколько секунд), точность, простота использования, компактность большинства приборов [6].
Однако имеются и особенности метода, которые необходимо учитывать при проведении измерений. Например, основным параметром большинства пирометров [7], помимо диапазона измеряемых температур, является показатель визирования. Он представляет собой отношение диаметра пятна визирования (видимая часть, которую «фиксирует» прибор) к расстоянию между пирометром и объектом. Другими словами - отношение расстояния до "точки перетяжки" к диаметру области объекта с которого снимается информация о температуре. В "точке перетяжки" информация поступает в прибор с минимальной площади измеряемого объекта. После "точки перетяжки" диаметр пятна увеличивается, причем увеличение происходит резче, чем уменьшение пятна до точки перетяжки (воображаемый конус расширяется быстрее).
Поле зрения - измеряемый диаметр объекта, с поверхности которого пирометр принимает энергию инфракрасного излучения.
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о
м «
м см о см
о ш т
X
<
т О X X
Измеряемый диаметр объекта определяется показателем визирования и зависит от расстояния до инфракрасного термометра, поэтому его можно вычислить по формуле:
Do= Qv х Sо (1),
где
Do - диаметр объекта, с которого пирометр получает инфракрасное излучение;
Qv - показатель визирования;
Sо - расстояние до объекта, м.
Точность измерения не зависит от расстояния до тех пор, пока размер объекта больше измеряемого диаметра. То есть определяемая прибором температура будет не верна, если размер объекта окажется меньше поля зрения. Это связано с тем, что объект, температура которого должна быть измерена, не заполняет всё поле зрения, а следовательно - пирометр фиксирует еще и излучение от других объектов окружающей среды, что оказывает влияние на точность измерения [9-11].
Исследования теплоты объектов пирометрическим методом пассивного (бесконтактного) неразрушающего контроля проводились при непосредственном практическом вкладе авторов статьи на протяжении периода 2006 - 2022 гг. с использованием ряда отечественных пирометров [8]. Полученные результаты проведенных экспериментов, отзывы эксплуатирующих организаций и значительный период наблюдений - позволяют сделать выводы об эффективности как используемых приборов, так и пирометрического контроля в целом.
Инфраструктурные объекты проведения исследований. Обратимся к характеристике места проведения исследований: стационарным объектам инфраструктуры железнодорожного транспорта. Это обширный круг инфраструктурных сооружений, которые делятся на несколько типов объектов [2]. Первая группа объединяет инфраструктурные элементы железнодорожного полотна, вокзалы и станции; вторая - перегоны, переезды, устройства и линии сигнализации; третья -системы путеустройства (переправы, мосты, путепроводы и т.п.); четвертая - отдельные здания и сооружения для обеспечивающих функций (включая объекты энергохозяйства и линии энергоснабжания, объекты водоснабжения, управления движением, ГО и т.п.); пятая группа - вагонное и локомотивные хозяйства, производственные участки (депо, ремонтные мастерские, цеха, заводы, терминалы, погрузочные пункты, пожарные пункты и т.п.); шестая - объекты необщего пользования и технологического транспорта.
Исследования проводились по двум из указанных групп объектов: первой (в частности - объекты железнодорожного полотна) и четвертой (объекты энергохозяйства). Выбор обусловлен критически важным значением указанных групп стационарных объектов для функционирования железнодорожного транспорта, а также необходимостью снижения уровней зарегистрированной аварийности, связанной с перегревом и температурными факторами, именно на объектах данных групп.
Для проведения исследования, на соответствующие предприятия Московской, Октябрьской, Юго-Восточной железных дорог в указанный период были поставлены приборы неразрушающего теплового контроля (отечественные пирометры). Кроме того, авторы статьи осуществляли самостоятельные полевые исследования: периодический выезд на объекты сопровождался прове-
дением испытательных замеров температур на согласованных со структурными подразделениями ОАО «РЖД» стационарных объектах первого и четвертого типа.
Технические характеристики. Ниже рассмотрим основные рабочие характеристики приборов, которые участвовали в проводимых исследованиях.
Для первой части исследований были использованы миниатюрные пирометры с показателем визирования от 90 до 120, защитой от внешних фоновых засветок, резервом памяти измерений до 1000 значений и возможностью автономной непрерывной работы до 15 часов. Такие приборы удобны для измерений нагрева железнодорожного полотна, движущихся частей подвижного состава, а также как вспомогательный инструмент периодического выездного контроля.
Для второй части исследований использовались пирометры с более высоким показателем визирования (от 150 до 300, в ряде случаев - до 500), которые позволяют дистанционно измерять температуру поверхности различных объектов на значительном удалении. В дополнение к лазерному целеуказателю такие инфракрасные термометры укомплектованы различными оптическими прицелами, штативами для стационарной установки. Приборы такого рода удобны для проведения замеров температур удаленных объектов, в ситуации затрудненного доступа к измеряемым поверхностям (например, находящимся на высоте), или если требуется постоянный мониторинг со стационарным размещением прибора. Модификации приборов различались показателями визирования, габаритными параметрами и массой, в остальных же параметрах их показатели схожи (табл.1):
Таблица 1
Наименование параметра Значение
Модификация Прибор 1 Прибор 2 Прибор 3
Показатель визирования 1:30 до 1: 120 от 1:150 до 1:250 от 1:300 до 1:500
Диапазон измерений температур, оС от минус 30 оС до плюс 1900 оС
Диапазон установки излучательной способности от 0,01 до 1,00
Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений, оС Плюс/минус (1+0,018|Т|), где Т - показания пирометра
Разрешающая способность по температуре (цена единицы младшего разряда), оС 1
Время установления рабочего режима, с, не более 3
Рабочие условия эксплуатации:
t окружающего воздуха, оС от минус 30 оС до плюс 50 оС
относительная влажность воздуха при температуре плюс 25 оС, % от 40 до 80%
Габариты (длина х ширина х высота) мм, не более 126х46х175 215х60х186 260х63х190
Масса, кг, не более 0,36 0,7 0,9
Процедуры контроля. В ходе проведенных исследований авторами и эксплуатирующими организациями проводились различные процедуры контроля, среди которых наиболее востребованными были:
1) контроль температуры нагревания железнодорожного полотна для предотвращения деформации, излома, продольного смещения рельсов;
2) контроль температуры оборудования энергохозяйства (например, электрических подстанций и трансформаторов, для измерения температуры контакторов и электроизоляторов, для обнаружения повреждений кабелей, нагретых участков стыков кабелей и электрических шин).
Периодический контроль температуры нагревания железнодорожного полотна включен в список обязательных процедур на Южной, Крымской, Эго-Восточной железных дорогах. По причине высоких летних температур и значительной нагрузки на полотно железнодорожные пути находятся в зоне воздействия прямых солнечных лучей и трения. Наиболее часто обнаруживаемая неисправность в связи с этим - выход из строя верхних частей колеи. Вторая по частоте причина аварийности -возникновение разрывов в рельсах и стыковых накладках (метал под воздействием высокой температуры деформируется). Для предотвращения такого рода неисправностей служба пути Дирекции Юго-Восточной железной дороги выполняет постоянные дежурства для контроля температуры рельсовых путей в связи с ее сезонными перепадами. В ряде субъектов России (Краснодарский край, Воронежская область, Белгородская область) средняя дневная температура нагрева рельс достигает особенно высоких показателей (более 50 градусов), что повышает опасность продольного смещения всего железнодорожного полотна. Чтобы предотвратить негативные последствия соответствующими структурами ОАО «РЖД» организовываются плановые (часто ежедневные, в случаях экстремальных летних температур - несколько раз в день) инспекции рельсовых линий. Инспекции проводились с использованием пирометров (температурный контроль), а также аппаратуры по дефектоскопии, для определения деформации рельс, нахождения проблем в стыковых зонах рельсошпальной решетки. На Юго-Восточной железной дороге рельсовая температура измеряется также с помощью специализированных бригад на температурных постах (по три через каждую дистанцию). За исследуемое время наблюдений сотрудниками дороги было проведено около 6,2 тыс. измерений (часть из их - с участием авторов).
Все полученные данные сравнивались с результатами замеров, полученных Вагоном-лабораторией контактной сети, и в случае подтверждения высоких опасных значений немедленно передавались руководителю дороги (участка), в зону ответственности которого входит принятие мер на основе выявленных температурных максимумов. Для предотвращения аварийных случаев при выявлении перегрева железнодорожного полотна скорость движения составов ограничивалась руководителем дороги (либо ее участка) до 60 км/ч., что значительно снижало транспортные риски.
В ходе проведения замеров подтверждено, что использование пирометров отечественного производства с указанными выше характеристиками позволяет:
- значительно снизить финансовые затраты на инспектирование температуры (перегонку вагона-лаборатории, работу персонала);
- увеличить количество измерений, наблюдать их динамику в течение заданного периода;
- выполнять замеры на любом, в том числе труднопроходимом участке, в том числе в условиях размещения на путях состава;
- повысить точность измерений.
По второму направлению процедур контроля с помощью пирометров - контролю температуры оборудования энергохозяйства - можно сказать, что производится он практически на всех железных дорогах России, так как эти процедуры включены в перечень регламентных работ сотрудников ОАО «РЖД», ведающих электрохозяйством.
Так, согласно Технологической карте 11.1.3.1. ЦШ ОАО «РЖД» [12]: «Устройства электропитания. Основные и резервные источники электропитания» проводится периодическая проверка степени нагрева контактных соединений силовых электрических цепей: щитов выключения питания; панелей питания, автоматических выключателей, контакторов; пускателей; трансформаторов ТС, предохранителей номиналом выше 20А; силовых трансформаторов; преобразователей частоты ПЧ; устройств бесперебойного питания; аккумуляторных батарей и т.д.
В ходе проверки в обязательный перечень приборов оснащения входит и инфракрасный пирометр, подробно указаны порядок проведения проверки, предельные значения контрольных температур для различных участков сети.
Результаты проверок документируются в Журналах, отклонения от нормативных температур - перепроверяются, предаварийные состояния электросетей устраняются. Как правило для подобных проверок применяются инфракрасные пирометры с большим показателем визирования, так как объект измерения может находится на значительном расстоянии.
Авторы приняли участие в серии проверок, проводимых на объекте тяговая подстанция Бекасово (Внуковская дистанция электроснабжения ОАО «РЖД»), а также в сравнительных испытаниях, проведенных Дорожной электротехнической лабораторией на Московской железной дороге (рис.4), где эксплуатационные характеристики пирометров Кельвин сравнивались с результатами, которое показывает зарубежное оборудование (тепловизор) по ряду аналогичных измерений.
В ходе сравнительного анализа были использованы инфракрасный термометр с высоким показателем визирования и использующийся на данном предприятии ранее тепловизор производства США. Испытания показали, что в ряде измерений отечественный прибор аналогичен или превосходит характеристики импортного, о чем свидетельствует выписка из протокола проведенных испытаний (табл. 2)/
Таблица 2
Наименование объекта замеров Прибор производства России, оС Прибор производства США, оС
Эл.печь 106 70
ЩУ-реле 22РКП
ЩУ-реле 15/1РУ ввод 3 28 27
Блок питания 26 23
Кабель № 1 47 42
Кабель № 2 39 36
Вода,кипяток (контрольный замер) 96 74
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о м
Сл>
fO CS
о
CS
о ш m
X
<
m О X X
В ходе проведения измерений с использованием российского прибора и сравнения полученных данных с показаниями прибора американского производства получен положительный отзыв и рекомендация к использованию отечественного пирометра для измерения температуры нагрева токоведущих частей оборудования тяговых подстанций бесконтактным способом.
Пирометры способны выполнять и нетривиальные задачи дистанционного определения температур. Так, в период 2020-2021 гг. в связи с санитарными мероприятиями на объектах транспортной инфраструктуры по предотвращению распространения Covid-19 с помощью миниатюрных инфракрасных пирометров производились замеры медицинского назначения (бесконтактное измерение температуры тела у пассажиров и персонала объектов железнодорожного транспорта). Такое специфическое использование приборов также показало релевантные результаты.
Подведем итоги. В результате шестнадцатилетнего опыта наблюдения и практического использования российских пирометров на объектах стационарной инфраструктуры железнодорожного транспорта можно утверждать, что развитие отечественного приборостроения в части ИК-пирометрии позволяет осуществить полное импортозамещение пирометров на объектах железнодорожной инфраструктуры. Этот процесс будет сопровождаться положительным финансовым эффектом, а в ряде случаев повысит точность производимых замеров, а значит - безопасность эксплуатации контролируемых объектов инфраструктуры.
Литература
1. Методы теплового вида. Национальный стандарт РФ ГОСТ 56511-2015. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200122219
2. Методика проведения оценки уязвимости объектов транспортной инфраструктуры и транспортных средств. Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 571192016. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200140230
3. Правила безопасности при эксплуатации электроустановок тяговых подстанций и районов электроснабжения железных дорог ОАО «РЖД» №1105/р от 13.06.2017 г. Электронный ресурс. [Режим доступа]: https://cssrzd.ru/orders/1105.pdf (дата обращения 01.12.2022 г.)
4. Беленький, А.М. Измерение температуры: теория, практика, эксперимент / А.М. Беленький, М.Ю. Ду-бинский, М.Г. Ладыгичев, В.Г. Лисиенко. Справочное издание: В 3-х томах. Т.2 - М.: Теплотехник, 2007. - 736 с.
5. Гарелина С.А., Латышенко К.П., Фрунзе А.В. Сравнительный анализ энергетических пирометров и пирометров спектрального отношения //Пожарная безопасность: проблемы и перспективы. 2017. Т. 1. № 8. С. 417-420.
6. Ермолаева В.В., Чекунова А.И., Шмелёв М.А., Богданова В.В. Современные приборы измерения теплового излучения. Пирометр //Тенденции развития науки и образования. 2022. № 82-2. С. 18-20.
7. Костюковский С.Р., «Бесконтактные измерители температуры - пирометры серии КЕЛЬВИН КБ ДИПОЛЬ», Журнал «Датчики и системы» 2006 г. Стр. 52.
8. Костюковский С.Р., Вагин В.А., Юнингер Ю.В. Высокочувствительный всепогодный пирометр «НТЦ-ПИ-РОЦЕЛЬС»//Приборы и техника эксперимента. 2018. № 6. С. 129-130.
9. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия, Физмат-лит, 2012. - 248 стр.
10. Методы и средства бесконтактной термометрии для задач теплового контроля и промышленности: монография/ В.А. Захаренко; Минобр. науки России, ОмГТУ. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014. - 148 с.
11. Ходунков В.П. Термометрия и инфракрасная радиометрия многофазных и многообъектных систем. -СПб.: Политехника, 2013. - 259 с.
12. Технологическая карта 11.1.3.1. ЦШ ОАО «РЖД»: «Устройства электропитания. Основные и резервные источники электропитания». Электронный документ. [Режим доступа:] http://scbist.eom/scb/uploaded/scb_tehkarty/11.1.3.1.htm (дата обращения 02.12.2022 г.)
Experience of practical application of infrared pyrometry on stationary
objects of railway transport infrastructure Eryemina Olga Yu., Kostyukovsky S.R., Lyubskaya O.G.
Kosygin State University of Russia, Scientific and Technological Center of
Unique Instrument Engineering of the Russian Academy of Sciences JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_
The purpose of this article is to analyze the practice of using thermal methods of non-destructive testing, in particular infrared pyrometry, at stationary railway transport facilities. The objective of the article is to demonstrate the capabilities of Russian-made pyrometers for use in accordance with industry rules at stationary railway transport facilities. The article summarizes the activities of the authors on the analysis of the practical use of non-contact infrared temperature meters at industrial facilities, in particular stationary infrastructure facilities of railway transport (track construction facilities, energy facilities). Studies in 2006-2022 were carried out using infrared pyrometers of domestic production. The characteristics of the method of operation of the instruments, the places of the study, the technical parameters of the models used are given, the procedure for carrying out control procedures, the results of measurements in comparison with the imported analogue are described. It is concluded that it is possible to replace imported devices at railway infrastructure facilities with Russian pyrometers. Keywords: pyrometers, contactless temperature meters, infrared
thermometers, stationary infrastructure facilities, railway transport. References
1. Thermal View Methods. National standard of the Russian Federation
GOST 56511-2015. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200122219
2. Methodology for assessing the vulnerability of transport infrastructure
facilities and vehicles. National standard of the Russian Federation GOST R 57119-2016. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200140230
3. Safety rules for the operation of electrical installations of traction
substations and railway power supply areas of Russian Railways JSC No. 1105 / r dated June 13, 2017. Electronic resource. [Access mode]: https://cssrzd.ru/orders/1105.pdf (Accessed 12/01/2022)
4. Belenky, A.M. Temperature measurement: theory, practice, experiment /
A.M. Belenky, M.Yu. Dubinsky, M.G. Ladygichev, V.G. Lisienko. Reference edition: In 3 volumes. T.2 - M .: Teplotekhnik, 2007. - 736 p.
5. Garelina S.A., Latyshenko K.P., Frunze A.V. Comparative analysis of
energy pyrometers and spectral ratio pyrometers // Fire safety: problems and prospects. 2017. V. 1. No. 8. S. 417-420.
6. Ermolaeva V.V., Chekunova A.I., Shmelev M.A., Bogdanova V.V. Modern
devices for measuring thermal radiation. Pyrometer // Trends in the development of science and education. 2022. No. 82-2. pp. 18-20.
7. Kostyukovsky S.R., "Non-contact temperature meters - pyrometers of the
KELVIN KB DIPOL series", Sensors and Systems magazine, 2006. Pp. 52.
8. Kostyukovsky S.R., Vagin V.A., Juninger Yu.V. Highly sensitive all-weather
pyrometer "NTC-PYROCELS"//Instruments and experimental technique. 2018. No. 6. P. 129-130.
9. Magunov A.N. Spectral pyrometry, Fizmatlit, 2012. - 248 pages.
10. Methods and means of non-contact thermometry for problems of thermal control and industry: monograph / V.A. Zakharenko; Ministry of education Science of Russia, OmSTU. - Omsk: Publishing House of OmGTU, 2014. -148 p.
11. V.P. Khodunkov. Thermometry and infrared radiometry of multiphase and
multi-object systems. - St. Petersburg: Polytechnic, 2013. - 259 p.
12. Technological map 11.1.3.1. Central School of Russian Railways JSC: "Power supply devices. Main and standby power supplies". Electronic document. [Access mode:] http://scbist.com/scb/uploaded/scb_tehkarty/11.1.3.1 .htm (Accessed 02.12.2022)
