热成像仪使用中的五大常见误区

发布时间:2021-01-11点击量:86

理解与火灾环境有关的热强度

20世纪90年代以来,消防部门一直在成功地使用热成像仪。热成像仪「TIC」在战术中的运用挽救了许多生命,自首次被使用以来,热成像仪已经得到了很大的改进,总体成本大幅降低,从而更加便于消防部门使用。

然而,关于热成像仪的教育和培训并没有得到更新,也没有成为消防部门的关注重点。这样的例子广泛存在于许多消防队,尽管他们在不断更新各种装备,譬如更新的SCBA「空气呼吸器」和PPE个人防护装备」,但他们仍在使用15-20年前的那种过时的TIC

过往的热成像技术与当今的技术模式之间的差异是相当惊人的,Max Fire Box曾拍摄了两张对比图,将20年前的热成像仪与2年前的热成像仪图像清晰度进行比较,两者间的差距堪比黑白电视和现代LED高清电视。

传统上,对火灾环境的判断主要依赖于视觉观感,消防员通常通过观察了解建筑结构和烟气情况,并根据肉眼看到的东西来判断环境的危险程度。此外,还依靠感受到的热量来衡量火场热度。

这种战术遗漏了一个极易被忽略的角度—热数据,因为热辐射是消防员看不到的传热方式之一。

缺少了解甚至缺少相关培训导致了教育上的鸿沟,使许多消防员在黑暗中根本不知道如何充分使用可能拯救他们生命、百姓生命和提高救援效率的装备。

下文中,我们将讨论消防热成像仪使用中的常见误区。

消防领域外也有许多不同类型的热成像仪,但消防员并未使用这类装备或接受过相关培训,下文中我们将用热成像仪一词来专门指代消防队使用的热成像仪。

我们将用事实、证据为基础的数据来解答这些问题,这些参考资料可在文章的末尾找到,大家可以在参考文献中做进一步阅读和回顾。

误区一

我不需要消防热成像仪来告诉我火场有多热,我会等到耳朵有灼烧感或用射水在天花板上测量热量

消防员在整个职业生涯中都被教授了许多有价值的概念和技能。但不幸的是,我们中的许多人(包括我自己)从来没有被教授如何正确测量热量。

例如,NFPA 1971The Standard on Protective Ensembles for Structural Firefighting and Proximity Firefighting》中要求对所有消防员个人防护装备(外套、裤子、手套和阻燃头套)进行热量测试,测试得出的数值称为TPP(热防护性能)或热保护性能(NFPA 1971,第64页)。

这些数据最初来源于Alice Stoll的研究,现在被称为Stoll曲线。这些数据可以量化导致二级烧伤的各种变量,美国在50-60年代对水手进行了这类测试。

她的研究成果(即Stoll曲线)现在是NFPA认证的消防服装或PPEOberon1页)中热保护性能评级的基础。

最低要求值是35即提供17.5秒的热保护,确保这期间穿戴个人防护的人员不会受到二度烧伤。起初,这似乎非常巧妙,但作为消防员,这种所谓的防护根本无法保护我们自己。

正如人文主义者赫胥黎所说,“科学实际上所做的事情是为灾难性的结果提供更好的解释。”

现代火灾环境中,消防员虽有良好的个人防护,但是当他们有疼痛的热感时,他们的PPE个人防护装备)实际上已经被热能渗透了。

他们的PPE渗透或充满热能,热能便会开始转移到消防员的肌体。一旦消防员有刺痛感时,这种疼痛的感觉就会迫使他们撤退或使他们摔倒在地,这就是所谓的「警报时间」,即感觉疼痛到实际烧伤之间的时间。

这种情况下,当消防员的皮肤达到或接近54摄氏度时,他们就会被烧伤。这是Stoll曲线所描述的,导致人员二度烧伤的温度。

研究还发现,如果皮肤温度继续上升,那么,在60摄氏度时,人体感受疼痛的神经末梢就会关闭。

FEMSA手册中,包括在美国和加拿大出售的每一件消防员PPE个人防护装备)中,都可以找到如下引文:

「如果你的防护服接触到一个热的环境或一个热的物体,你可能会在你的防护服下被烧伤,没有先兆,也不会损坏防护服。因此,必须时刻警惕接触热环境、热物体或其他危险的可能性」(FEMSA2-4页)

在当今的火灾环境中,随着个人防护装备的进步,通过人体来感受火场温度是一种被迫采取的防御姿态,消防员在被烧伤或死亡之前可能都来不及对环境作出反应、撤离或做出冷却动作。

因此,消防员必须通过热成像仪了解热量,应该要「看到热量」而不是等消防员「感受到热量」。

上述两图是新旧热成像仪的成像对比

误区二:

热成像仪不就是聚焦、拍摄然后读取温度数据吗?为什么消防员需要对这个装备开展深入的训练?

培训消防员正确使用热成像仪时,另外一个需要克服的是,不能仅培训消防员读取屏幕右下角或显示器上显示的温度。

首先也是最重要的一点,消防员需要明白,消防用热成像仪不是温度计。温度数值读数是对一个12英寸小区域的测量值。如果热成像仪处在与目标合适的距离内,并且没有任何可能影响其测量的大气衰减,则校准温度为±3摄氏度,这种测量被称为物体「表面温度」,它是在某些变量范围内的近似值。

校准TIC时,要通过测量一个预设的距离,且排除烟气、火灾、水分这些因素的干扰。

每一台消防热成像仪的使用说明书中,都可以找到以下关于现场温度的词语:「不要将热成像仪的温度读数当做温度的精确测量值」。

火场环境中,有许多变量会导致这种测量偏离准确值。

影响温度的变量有很多,包括但不仅限于以下几个方面:

与待测目标的距离。热成像仪的不同测量点到被测物体的精度各不相同,最低为10110英尺外可测量1平方英尺」,最高达9001900英尺远,可测量1平方英尺」。

辐射率。温度测量中最重要的变量之一是辐射率,辐射率是一种物体辐射热量的能力。辐射率等级被定义为能量的分数「在01之间」,与辐射率值为1的绝对黑体表面相比。

注:辐射率(Emissivity)是衡量物体表面以热辐射的形式释放能量相对强弱的能力。物体的辐射率等于物体在一定温度下发射的能量与同一温度下黑体辐射能量之比。黑体的辐射率等于1,其他物体的辐射率介于01之间。辐射率是个标量。通常来说,材料颜色越暗表面越粗糙,其辐射率就越接近1。材料的反射率越高,其辐射率就越低,高度抛光的银的辐射率只有大约0.02。实践证明,物体的辐射率、透射率、反射率这3个参数对波长最敏感,其次是被测物体的表面状态。

热成像仪可以检测来自固体表面和在8-14微米光谱范围内的气体热辐射。辐射率可以使物体表面或气体呈现出与实际温度不符的温度,从而影响辐射。

一般来说,黑色和粗糙的表面往往具有较高的辐射率,而发亮/光滑的表面则具有较低的辐射率。

Max Fire Box火灾模拟实验中的一组照片中可以找到例证,盒子的两侧由金刚石镀层(一种非常闪亮的低辐射率材料即反射率高材料)制成,这使得热成像仪读取的是反射的表面温度,即周围的环境温度,这就导致温度不准确。

风速:哪怕风速低至每小时3英里,也可以将温度测量值降低50%

水分:热成像仪读取的长波红外能量在蒸汽中传播时,会被水分阻挡或导致能量消散。特别是喷淋头喷水的环境或高水分含量的环境,都会限制或阻碍热成像仪的测量能力,热成像仪的镜头可能会被湿气遮蔽,无法正常工作。

烟气的光密度:在火灾中由于悬浮微粒、缺乏通风和燃烧的物质而产生的烟气越多,吸收待测目标和热成像仪之间的热能就好越多,从而限制消防热成像仪的测量范围和有效性。

NIST的研究论文中指出,分辨率为160×120的热成像仪在教浓的烟气条件下,图像的对比度会随之下降「对比度传递函数降低即CTF」,CTF是分辨一定距离内不同物体间细微温度差异的能力。(NIST41页)。

误区三:

热成像仪可以读取烟气或气体的温度

市面上有许多类型的热成像仪,其中一些可以读取气体温度,称为光学气体成像仪。然而,消防热成像仪既不能读取气体,也不能准确读取烟气温度。原因如下:

辐射率:消防热成像仪测量的是辐射率在0.950. 97之间的物体表面热量。只有三种已知的气体属于这一范围,即乙烷、环氧乙烷和氰化氢。

红外光谱的不同范围:消防热成像仪检测到的长波红外能量,其光谱范围为7-14微米。许多气体的光谱范围为紫外线、短波红外(SWIR)和中波红外(MWIR)。在这些范围时,消防热成像仪无法探测到红外线能量。

应该鼓励消防员多留意周围的环境,让他们知道热成像仪所显示的是来自物体表面的热信号和热对流。

误区四:

所有热成像仪都是相同的「差别不大的」

相信这样的说法的人,最终可能因不恰当的购买热成像仪而使消防部门付出代价,并可能导致消防员受伤或死亡。

NIST的研究论文中,对图像质量作了以下描述:「值得注意的是,热成像仪光学系统、处理器和显示模块对整体的图像质量都至关重要」(NIST36页)

市面上生产的每一种热成像仪都使用了不同种类的探测器,不同的处理器,有些甚至使用插值对图像进行增强,使消防员比以往任何时候都能看到更多细节。

总的来说,主要有两种类型的热成像仪:环境感知型热成像仪和辅助决策型热成像仪。

在适当的情况下,两者都是必要且有用的。但若把环境感知型热成像仪当做辅助决策型热成像仪来使用,将给消防员带来非常危险和失望的结果。

这两种热成像仪到底有什么区别呢?

环境感知型热成像仪可以简单地描述为一个单一的目标单元,旨在防止消防员迷失方向。它们在尺寸上会小很多「可以手持、安装在面罩上或者装着空呼上」。这种热成像仪分辨率较低且处理器的刷新率较慢。

辅助决策型热成像仪则要符合以下标准:高分辨率「最少320×240像素」、快速刷新率「至少30赫兹」、3.5英寸取景器或显示屏,以及很宽的检测范围「从-17.8℃到650℃」。

这对消防员又意味着什么呢?

首先,低分辨率的消防热成像仪的能见度和测量范围都很短「一般为2-4米」。

其次,它们的测量距离比教低,这意味着它们只能在相对较近的距离「如3米远」精确测量或确定热源,这就对消防员的战术决策能力造成了阻碍。

最后,它们的处理器速度或刷新率往往较慢。有的低至9赫兹, 一赫兹即每秒一帧,而人类的眼睛看到的是27赫兹。

因此,NFPA 1801中将热成像仪的刷新率或处理器速度的最小值设定为25赫兹,这就是为什么,我们不建议购买刷新率低于25-27赫兹热成像仪的原因。

当对火场进行扫描时,低于此刷新率的热成像仪将滞后或延迟,这可能导致按下按键的消防员错过大部分区域。

当按下热成像仪快门或NUC「非均匀性校正」时,电子快门会短暂地「关闭它的眼睛」即电子快门触发,探测器上的像素就会被清除干净,当接收到新的红外热信号时,便会形成一个新的图像。

9赫兹消防热成像仪中,执行这一操作的时间会导致消防员错过有价值的信息。

一些环境感知型热成像仪需要3-5秒,因为当它们遇到教强的热信号时,热成像仪需要从高灵敏度切换到低灵敏度。

我在消防部门任职期间,很少会遇到在一个争分夺秒的环境中,还很有耐心的消防员。这就是为什么,这些刷新率较低的热成像仪当做辅助决策型热成像仪使用时,既不是最佳也不是最实用的选择。

你可能会问,为什么一些组织或部门会误用环境感知型热成像仪呢?其中一个原因是由于信息不对等,另外则是与财政预算有关。

一位经验丰富的销售人员称,价格的高低对消费者行为会产生很大影响。政府更愿意花1000美元为每个消防员购买一个环境感知型热成像仪,而不会花费5倍甚至更高的价格来采购高分辨率的辅助决策型热成像仪。

通过阅读美国和加拿大的文章,不难发现,有关部门已经处理了他们手中的消防热成像仪,取而代之的是成本更低、分辨率更低的环境感知型热成像仪。

他们甚至公开表示,消防员现在的装备已经很好了,这是一种由于缺乏教育和职业道德而产生的优越感错觉。

环境感知型热成像仪对消防员来说是非常重要的,如果消防队能为每名消防员配备一个,消防员们会更安全,可以防止消防员迷失方向。

然而,这并不意味着可以取代具有高分辨率、更快的刷新率、更高动态范围的辅助决策型热成像仪。

Max Fire Box演示辐射率的重要性

误区五:

当环境热量较强时,热成像仪会显示彩色

对诸多消防热成像仪进行研究,同时又要实时跟进最新的科学技术,确实是一场持久战。许多消防员并不知道,对于不同厂商生产的热成像仪来说,热环境的着色与现场温度并不是完全通用的。

大多数消防热成像仪「除了少数」只有热成像仪切换到低灵敏度温度模式时,才会显示出颜色。

但是热成像仪转向低灵敏度后,在什么温度下会开始显示颜色,并没有规范和普遍化。

NFPA 1801规定,消防热成像仪应遵循TI基本颜色着色,从热到冷的颜色顺序如下:黑色、灰色、白色、黄色、橙色、红色。

但实际上,在色温相关性方面,没有两家制造商是相同的。

在低灵敏度温度模式时,不同热成像仪在以下温度中,显示的颜色变化如下:

MSA 6000

在华氏1000/摄氏538度时,显示黄色;

Drager UCF系列「6000-9000型号」:

572华氏度/300摄氏度时,显示黄色。

Bullard「所有型号」:

500华氏度/260摄氏度时,显示黄色;

FLIRK2-K65型」:

在华氏300/148摄氏度时,显示黄色;

Leader 3.3型号:

392华氏度/200摄氏度时,显示黄色;

Argus

300华氏度/148华氏度时,显示黄色。

Scott X380型号:

该型号具有三模温度灵敏度,并将整体温度范围分为三个区间「高、中、低灵敏度」。

每种温度灵敏度模式都有不同的色温相关性。

总之,这只是我们在职业生涯中遇到的,关于消防热成像仪许多误区中的五个。

我们鼓励大家学习手中特定品牌的热成像仪,如何正确解释图像,并参加尽可能多的关于热成像仪火场应用的培训,以便更好地迎接现代火场的挑战。

翻译:大大怪将军、Ray

参考文献

Amon, Francine. Bryner, Nelson. Hamins, Anthony. Lock, Andrew (2008). NIST Technical Note 1499 Performance Metrics for Fire Fighting Thermal Imaging Cameras Small- and Full-Scale Experiments. NIST pp 36, 41.

FEMSA Manual (2015). Fire & Emergency Manufacturers Services Organization Inc. www.femsa.org. p. 2-4

NFPA (2018). NFPA 1971 Standard on Protective Ensembles for Structural Fire Fighting and Proximity Firefighting. NFPA. Section 8.1 Thermal Protective Performance Test. P.64.

本站热成像仪产品专区:

http://www.chinajyzb.com.cn/products1-55.html

来源:橙色救援
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