0 引言

  工業(yè)過程監(jiān)測和優(yōu)化水平的提高，已成為我國工藝過程溫度監(jiān)測研究領域的共識。水泥回轉窯燒成帶溫度是水泥熟料燒成環(huán)節(jié)最重要的參數(shù)，直接影響到水泥熟料的質量、能耗等各項經(jīng)濟指標。由于燒成環(huán)境等因素導致燒成帶溫度的獲取只能依賴于人工經(jīng)驗，這對于優(yōu)化回轉窯運行，降低能耗極為不利。因此，實現(xiàn)回轉窯燒成帶溫度的在線檢測，能為生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化提供基礎參數(shù)，提高生產(chǎn)流程節(jié)點判斷精度，對于保證熟料質量，提高能源利用率具有重要意義，直接關系到企業(yè)的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

  窯爐燃燒過程是發(fā)生在較大空間范圍內、不斷脈動的物理和化學過程，具有瞬態(tài)變化、隨機湍流、環(huán)境惡劣等特征，給窯爐內溫度等熱物理量參數(shù)的在線測量帶來困難，傳統(tǒng)的接觸式測量方法，由于感溫元件耐溫性的限制，不能實現(xiàn)大范圍目標溫度場分布的面在線測量。目前國外采用的技術手段主要是通過單波段紅外固態(tài)CCD的溫度測量系統(tǒng)，基本原理都是基于黑體輻射理論基礎。長期以來，我國工業(yè)爐窯溫度場監(jiān)測產(chǎn)品依賴于進口，而進口設備價格昂貴，難以適應國內窯爐的工況，而且后續(xù)服務困難，使我國企業(yè)普遍難以承受，同時該技術存在著不易克服的技術缺陷，例如利用單波段紅外固態(tài)CCD圖像來測量溫度的系統(tǒng)無法消除粉塵、煙氣帶來的測量誤差，因這類系統(tǒng)是根據(jù)近紅外圖像的亮度來對應被測對象的溫度，一旦環(huán)境中粉塵、煙氣較大，系統(tǒng)將無法測量出準確的溫度，也無法獲取清晰的真彩色可見光圖像，可視化效果差。而我國目前窯爐的燃料大多為煤粉，粉塵對溫度測量的影響普遍存在，此類系統(tǒng)并不適用于國內的窯爐溫度檢測。

  本文設計的基于新型干法水泥回轉窯燒成帶測溫及火焰形態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，適用于國內水泥窯燒成帶溫度場的監(jiān)測，可有效糾正高粉塵、煙氣、等惡劣環(huán)境對測溫精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性等技術指標的影響，為用戶提供全面監(jiān)測爐窯溫度場分布和實時燃燒工況監(jiān)測的有效手段，通過爐窯的中央控制系統(tǒng)，可以保證爐窯燃燒過程的平衡、均勻，對燃燒優(yōu)化、節(jié)能減排、減少生產(chǎn)故障、提高產(chǎn)品質量，都具有重要意義和作用，可廣泛應用于建材、石化、冶金等行業(yè)。

  1 系統(tǒng)簡介

  本系統(tǒng)是內窺式雙波長成像測溫系統(tǒng)，依據(jù)普朗克（Max Planck）黑體輻射定律，采用熱輻射技術、雙波長比色焦平面陣列成像測溫技術、紅外輻射檢測技術、計算機圖像處理技術，通過數(shù)值計算得出在不同環(huán)境輻射影響下的溫度修正方法，使系統(tǒng)滿足工業(yè)爐窯燃燒溫度場的檢測要求，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

  圖1 系統(tǒng)示意圖

  本系統(tǒng)既可以實現(xiàn)對窯爐內燃燒工況的彩色視頻監(jiān)視，也能同步檢測視場內任意區(qū)域的溫度，掌握爐膛內部溫度分布情況，提供可靠全面的溫度測量、變化趨勢及視頻監(jiān)測等數(shù)據(jù)，并配有歷史數(shù)據(jù)庫，另外還具有用戶自定義測溫區(qū)域、區(qū)域溫度變化曲線顯示、報警設置管理等功能。

  系統(tǒng)具有測溫精度高、測溫范圍寬、寬動態(tài)（可清晰觀察從點火到正常燃燒的整個過程），以及良好的適裝性、可靠性和可維護性等特點（具體技術參數(shù)如表1所示），可為工業(yè)爐窯優(yōu)化燃燒、工藝調整、節(jié)能減排提供直觀可靠的數(shù)據(jù)支持與檢測手段，廣泛應用于水泥、電力、石化、冶金等行業(yè)的各類工業(yè)窯爐。

  表1 系統(tǒng)主要技術參數(shù)

  2 系統(tǒng)硬件設計

  本爐窯溫度場紅外監(jiān)測系統(tǒng)由紅外高溫探頭、執(zhí)行機構、電氣箱、氣控箱、空氣凈化裝置、圖像數(shù)據(jù)處理器等組成，如圖1所示。

  紅外高溫探頭：由高溫鏡頭、分光棱鏡、雙波段焦平面陣列傳感器、彩色CCD傳感器等組成，如圖1所示。該探頭采用圖像比色法來進行比色測溫，獲取爐窯內二維溫度場的分布狀況，同時利用彩色CCD得到彩色圖像進行工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控。

  執(zhí)行機構：傳動裝置安裝在現(xiàn)場，與爐壁焊接，是控制探頭伸縮的執(zhí)行機構，用氣缸驅動。由預焊件、預埋件、執(zhí)行機構、氣缸等組成，用來驅動紅外高溫探頭伸入/退出爐膛，如圖2所示。

  圖2 系統(tǒng)執(zhí)行機構結構圖

  數(shù)采控制箱：內置光傳輸及數(shù)采控制器是系統(tǒng)的就地采集、控制及傳輸裝置，與就地氣控箱及后端控制室圖像數(shù)據(jù)處理器組成傳輸/控制系統(tǒng)。電氣箱將采集的信號及探頭工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實時發(fā)送到控制室服務器，同時接收來自控制室服務器的命令，驅動探頭響應動作。主要功能有：探頭推進、退出控制，探頭保護退出控制，數(shù)據(jù)傳輸及通訊，系統(tǒng)冷卻風壓力參數(shù)的設定、檢測。

  氣控箱：內置系統(tǒng)壓力流量檢測裝置，是系統(tǒng)運行參數(shù)的就地檢測/調節(jié)裝置，自動檢測探頭冷卻氣源的壓力、流量等參數(shù)，當出現(xiàn)停氣或運行參數(shù)不能滿足系統(tǒng)設定值時，氣控箱將檢測信號發(fā)送到電控箱，電氣箱自動將探頭退出爐外，防止探頭損壞。

  空氣凈化裝置：多級空氣凈化裝置去除壓縮空氣中的油水及雜質，保護探頭及電氣/光學系統(tǒng)不受污染。一級去除水裝置（用戶選配）當用戶氣源含水量高時選配，二級去過濾裝置（系統(tǒng)標配），三級高精度過濾裝置（系統(tǒng)標配）。

  圖像數(shù)據(jù)服務器：圖像數(shù)據(jù)處理器要求能支持1-2臺紅外測溫攝像儀。

  3 系統(tǒng)軟件設計

  系統(tǒng)軟件是集成的視頻處理/溫度測量軟件包，開發(fā)工具為VS2010，軟件的設計流程框架如圖3所示，操作人員可以觀察來自兩個生產(chǎn)區(qū)域的工況，并對可視目標或區(qū)域分別進行溫度測量。

  圖3系統(tǒng)軟件設計流程圖

  軟件的主要功能和特點包括：兼容所采用的GS-V系列紅外測溫攝像儀，支持雙紅外攝像測溫探頭的接入，可呈現(xiàn)直觀的用戶圖形界面和清晰的連續(xù)實時視頻，支持雙紅外攝像測溫探頭的遠程遙控、具有火焰熄滅檢測報警功能，具有設定區(qū)域溫度變化曲線顯示功能，每臺探頭支持自定義設置32個溫度測量區(qū)，可編程最小、最大和平均溫度的測量，可顯示長期的溫度圖表，溫度信號支持TCP/IP以太網(wǎng)傳輸，可直接訪問數(shù)據(jù)庫進行溫度數(shù)據(jù)分析，可自定義觸發(fā)測量、報警監(jiān)視和閾值監(jiān)視，可進行用戶多級訪問權限設置等，系統(tǒng)軟件界面如圖4所示。

  圖4系統(tǒng)軟件界面

  4 結束語

  在工業(yè)爐窯測溫領域，當前大多用的是單CCD系統(tǒng)。單CCD系統(tǒng)結構相對簡單、成本低，但測溫精度不高，對爐窯惡劣環(huán)境的適應性差，同時可視效果差，無法獲取清晰的可見光圖像。

  我國當前絕大多數(shù)建材和電力行業(yè)都是燃煤爐窯，爐窯內煙氣、粉塵大，環(huán)境惡劣，生產(chǎn)線運行人員已習慣通過彩色視頻看火判斷火焰形態(tài)。本文報道的基于新型干法水泥回轉窯燒成帶測溫及火焰形態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計所采用的高溫紅外攝像儀解決了測溫精度、惡劣爐窯環(huán)境適應性等問題，并可以得到監(jiān)測視場的彩色圖像，很好地解決當前在可視化溫度場監(jiān)測系統(tǒng)普遍遇到的問題,能為工業(yè)窯爐優(yōu)化燃燒、工藝調整、節(jié)能減排提供直觀可靠的數(shù)據(jù)支持與檢測手段，對節(jié)能減排、安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質量均具有重要意義和作用。