Защитные кожухи. Надежное видеонаблюдение в экстремальных условиях

 

Особое место среди областей применения видеонаблюдения занимает наблюдение за производственными и иными техническими процессами. В этой сфере к оборудованию зачастую предъявляются специфические и иногда весьма жесткие требования. В то же время большинство выпускаемых видеокамер не рассчитано на тяжелые условия. Речь идет об агрессивных средах, экстремальных температурах, а также взрывоопасных средах, где уже сама видеокамера становится источником опасности. Естественно возникает решение помещать камеру в защитный кожух

Сергей Подвозных
Маркетолог ЗАО "Эридан"

Видеонаблюдение по праву считается одним из главных элементов технической безопасности. Камеры сейчас можно увидеть повсюду - в магазинах, филиалах банков, офисах компаний, на фасадах и внутри производственных зданий и частных домов.

Помещение камеры в защитный кожух при использовании в агрессивных средах и экстремальных температурах - это удобно, так как такое решение универсально: нет необходимости каждую камеру делать защищенной, как на войне, а следовательно, гораздо более дорогой. В то же время кожух, если он достаточно вместителен, рассчитан на широкий спектр камер. Тогда возникает новый вопрос: насколько универсальным должен быть сам кожух.

Кажется, можно было бы сделать его максимально универсальным - пригодным для работы в любой среде. Однако такой подход неизбежно ведет к неоправданному удорожанию кожуха. В результате приходим к компромиссам. Например, пожаровзрывобезопасный кожух может быть выполнен из различных материалов: сталь, нержавеющая сталь, алюминий. Одновременно он защищает видеокамеру от экстремально высоких температур. Как показывает анализ, потребность в такой продукции, безусловно, имеется. Это в первую очередь предприятия металлургии, нефтегазового сектора, а также научно-исследовательского направления.

Большие возможности

Научно-технический прогресс неизбежно ведет к постепенному вытеснению человека из технических процессов, тяжелых или недопустимых для биологического существа. Все больше производств оснащаются роботами. А чем выше становится интеллект роботов, тем больше информации им требуется. Примитивные датчики могут уже не обеспечивать полноценной картины процесса. Непосредственное наблюдение может давать бесценную информацию.

Термозащищенные камеры могут отслеживать процессы, протекающие в районах с высокой вулканической и геотермальной активностью. Неоценимыми защитные кожухи могут оказаться в опасных для человека научных экспериментах, при испытаниях новых видов оружия, при оценке эффективности новых систем пожаротушения.

Системы тепловидения используются для бесконтактного измерения температуры, изображения полей излучения тепла, мониторинга энергетических, промышленных и строительных заводов (часто в целях их охраны или защиты от пожара).

Воздушное охлаждение защитного кожуха камеры с модулем кондиционирования воздуха и защитой окошка потоком воздуха позволяет применять камеры в местах с высокой температурой, использовать тепловизионные камерные системы для контроля в экстремально запыленной или горячей среде.

Кожухи (в том числе и для тепловизионных камер) могут применяться в различных областях, как и оптические камеры.

Области применения кожухов

1. Мониторинг отвалов.
Обнаружение опасности возникновения пожара, предотвращения самовоспламенения и отбора горячего материала:

  • нефтехимические изделия, уголь, химические вещества;
  • древесина и ее отходы;
  • мусорные отвалы и свалки.

2. Противопожарная защита.
Регистрация мест с повышенной температурой на расстоянии нескольких сотен метров, разные степени тревоги в зависимости от температуры:

  • в местах, где нельзя установить электронные противопожарные датчики;
  • пространство под открытым небом.

3. Мониторинг процессов горения:

  • определение температуры в отдельных местах камеры сгорания или котла, диагностика поверхности тепловых установок;
  • наблюдение за пламенем;
  • измерение температуры на поверхности тепловых установок.

4. Охрана объектов:

  • дистанционное наблюдение за движением лиц в темном пространстве (аэропорты, производственные помещения, военные объекты, атомные электростанции и др.);
  • пространство под открытым небом;
  • большие производственные помещения.

5. Металлургическая промышленность.
Измерение температуры сплава, отливка стали из конвертора в литейный ковш, определение шлака, измерение температуры формы для отливок:

  • управление производственным процессом;
  • измерение температуры материала.

6. Энергетика и электротехническая промышленность.
Определение мест с повышенной температурой и, следовательно, механической нагрузкой в результате переходного сопротивления, измерение рабочей температуры установок:

  • температура электрических установок сверхвысокого напряжения;
  • рабочая температура двигателей, трансформаторов, распределительных станций и др.

7. Определение материалов.
Определение инфракрасного излучения разных материалов, которых нельзя различить другими способами, текстильная, целлюлозно-бумажная промышленность и др.:

  • управление производственным процессом;
  • обнаружение дефектов материала;
  • химическая промышленность.

Как защитить видеокамеру от перегрева?

Во-первых, необходимо еще раз подчеркнуть, что задача ставится так: защитить видеокамеру, уже помещенную в пожаровзрывобезопасный кожух, то есть контейнер, защищающий саму внешнюю (возможно, взрывоопасную) среду от возможных проблем с камерой (короткое замыкание и т.д.), от внешнего избыточного тепла.

В отличие от более традиционной задачи охлаждения, например видеокарты компьютера, которая сама по себе является достаточно мощным источником тепла, здесь стоит иная задача: необходимо изолировать камеру от внешнего перегрева, создаваемого, например, мартеновской печью. Причем уточним: речь идет о ситуации, когда внешнее тепло настолько избыточно, что нет опасности переохладить камеру, пытаясь каким-то образом удалить эту тепловую энергию. Проблема осложнена тем, что работа камеры должна происходить не эпизодически, а непрерывно в течение многих месяцев. Таким образом, применение материалов с большой удельной теплоемкостью для поглощения избыточного тепла скорее всего малоэффективно. Например, на искусственных спутниках Земли задача защиты от перегрева решается при помощи ЭВТИ (электровакуумная теплоизоляция). Однако при этом спутник периодически уходит в тень, где накопившееся тепло только отдается окружающей среде. Если по условиям, задаваемым заказчиком, подобный режим является допустимым, то это значительно облегчает решение задачи защиты камеры от перегрева.

Есть и такая проблема: тепло, выделяемое самой видеокамерой, может показаться небольшим, когда окружающая кожух среда значительно холоднее камеры. Но если она значительно теплее, то вместо теплоотдачи получаем дополнительное постоянное накопление тепла внутри кожуха.

Возможные подходы

Попробуем порассуждать о том, какие принципиальные подходы можно применить, чтобы не допустить перегрева видеокамеры, если температура окружающей среды слишком высока.

  1. Сделать кожух максимально отражающим внешнее тепло:
    • а) внешняя поверхность должна быть покрашена или отшлифована до зеркального состояния;
    • б) оклеить внешнюю поверхность керамикой, как на шаттле.
  2. Сделать кожух плохо передающим внешнее тепло вовнутрь:
    • а) многослойность кожуха (прослойки из материалов с низкой теплопроводностью);
    • б) вакуумные промежутки.
  3. Отводить тепло от кожуха при помощи воды:
    • а) лучше отводить тепло не от внешней поверхности кожуха, а от внутренней, после того как сработают факторы 1 и 2. Тогда требования к температуре и расходу воды снизятся. Учитывая то, что камера сама по себе является источником тепла, это еще один довод в пользу отвода тепла именно от внутренней полости кожуха.
      Суммарно из пунктов 1, 2, 3 задачу можно сформулировать так:
      • постоянно подавлять поступление тепла извне;
      • постоянно отводить тепло изнутри, повторного ее использования.
    • б) создать систему охлаждения воды после ее выхода из кожуха для последующего
  4. При наличии такой возможности периодически отгораживать кожух с камерой от источника тепла, давая ему возможность остыть. Если такой режим допустим в принципе, то можно использовать, кроме всего вышеперечисленного, метод аккумулирования избыточного тепла в слоях с высокой удельной теплоемкостью. Причем для более быстрого остывания можно предусмотреть замену вручную горячего материала на холодный (либо это некая жесткая внешняя оболочка, либо какое-то жидкое или порошкообразное сыпучее вещество внутри капсулы).
  5. Устанавливать кожух с камерой далеко, но применять камеру с большим оптическим увеличением. Так как предполагаемый объект наблюдения имеет большую температуру, велика вероятность, что он имеет и высокую оптическую яркость. А это означает, что такой объект можно наблюдать с достаточно большого расстояния камерой с невысокой чувствительностью. При этом может потребоваться оптическое увеличение.

В принципе может возникнуть задача регулировки внутренней температуры среды кожуха при изменении внешней температуры в достаточно широком диапазоне. Тогда может возникнуть опасность переохлаждения. Например, в пустыне дневная и ночная температуры меняются от больших плюсов до солидных минусов. Здесь уже требуется автоматика, подключающая то охлаждение, то подогрев.

Необходимая температура внутри кожуха

Отведение тепла от кожуха можно осуществлять путем прокачки жидкости (воды) либо газа (воздуха) через специальную полость в кожухе.

Ясно, что водяное охлаждение является более эффективным, чем воздушное из-за большой теплоемкости воды. Однако проблема недостатка проточной воды в месте размещения камеры может сделать водяное охлаждение невозможным или нерентабельным. Правда, при наличии водопровода исчезает необходимость применения дополнительного насоса для прокачки воды, который абсолютно необходим при воздушном охлаждении.

Воздух поступает по шлангу под давлением в кожух с камерой, где резко расширяется за счет внутреннего объема кожуха. Температура внутри кожуха снижается. При этом желательно выходное отверстие сделать больше входного. Однако необходимо помнить, что в холодильных установках хладагентом является фреон, а не воздух. Физически явление то же, но эффект при использовании воздуха может быть невысоким.

Можно, однако, попробовать пойти принципиально иным путем. Из курса физики известен любопытный опыт. В стакан наливают некоторое количество воды комнатной температуры. Затем стакан с водой накрывают прозрачным колоколом, загерметизированным со столом, на котором стоит стакан. При помощи насоса из колокола откачивают воздух.

Наблюдается сначала закипание воды, затем, практически одновременно, превращение в лед. Закипание происходит из-за снижения давления, а охлаждение воды является следствием кипения, при котором происходит поглощение тепла.

Если попробовать применить данное явление для охлаждения внутренней полости кожуха, то это может выглядеть примерно так. В полость между внутренним объемом кожуха, содержащим камеру и либо внешней стенкой, либо стенкой, за которой находятся другие теплоизолирующие слои, заливаем некоторое количество воды. Затем откачиваем воздух, что приводит к охлаждению воды. После того как за счет теплопередачи температура в полости поднимется и вода опять станет жидкой (что покажет датчик температуры), в полость опять подается воздух (желательно не очень теплый), после чего процесс повторяется. Возможно, такой способ является слишком затратным с точки зрения расхода электроэнергии на работу насоса и клапанов, но зато не требует наличия проточной воды, что может оказаться решающим фактором. Сам процесс несложно полностью автоматизировать.

В принципе можно построить полностью автоматическую систему. Задача системы - поддержание необходимой температуры внутри кожуха. Управляемые параметры: массовый расход воды и температура воды. Критерием оптимальности может быть минимизация расхода энергии. Кстати, при грамотном построении системы необходимую энергию наверняка можно с лихвой получать от самой перегретой среды, от которой необходимо защищать камеру. Воду (воздух) можно охлаждать при помощи специальных установок - чиллеров (холодильные машины для охлаждения жидкого теплоносителя; чиллеры условно можно разделить по типу холодильного цикла на два основных класса: абсорбционные и парокомпрессионные).

Сделанная выше попытка анализа приводит к выводу, что за видео- и тепловизионным наблюдением в тяжелых экстремальных условиях, безусловно, большое будущее. Развитие промышленности и науки создает все больше потребностей в подобной технике. Особенно интересной для разработчика может стать задача создания защитного кожуха, если рассматривать ее в комплексе с задачей охлаждения самого хладагента.

Опубликовано: Каталог "CCTV"-2012