陳國新,魏志威,姜 成,吳 東,廉 成

（撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司，遼寧撫順 113001）

1 紅外測溫儀概述

紅外線是電磁波譜的一個(gè)部分，這一波段位于可見光和微波之間，根據(jù)普朗克輻射定理，凡是絕對(duì)溫度大于零度的物體都能輻射電磁能，物體的輻射強(qiáng)度與溫度表面的輻射能力有關(guān)，輻射的光譜分布也與物體溫度密切相關(guān)，所以說非接觸式紅外測溫也叫輻射測溫。在電磁波譜中，我們把人眼可直接感知的0.4~0.75 μm波段稱為可見光波段，而把波長從0.75至1000 μm的電磁波稱為紅外波段，紅外波段的短波段與可見光紅光相鄰，長波端與微波相接。紅外測溫儀就是利用這一原理制作而成的,溫度是度量物體冷熱程度的一個(gè)物理量，是工業(yè)生產(chǎn)中很普遍、很重要的一個(gè)熱工參數(shù)，許多生產(chǎn)工藝過程均要求對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)視和控制，溫度的測量和控制直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。傳統(tǒng)的接觸式測溫儀表如熱電偶、熱電阻等，因要與被測物質(zhì)進(jìn)行充分的熱交換，需經(jīng)過一定的時(shí)間后才能達(dá)到熱平衡，存在著測溫的延遲現(xiàn)象，故在連續(xù)生產(chǎn)質(zhì)量檢驗(yàn)中存在一定的使用局限。非接觸紅外測溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展,性能不斷提高,適用范圍也不斷擴(kuò)大。比起接觸式測溫方法,紅外測溫有著響應(yīng)時(shí)間快、測溫范圍廣、非接觸式測量、使用安全、靈敏度高、不干擾被測溫場及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。但由于受被測對(duì)象的發(fā)射率影響,幾乎不可能測到被測對(duì)象的真實(shí)溫度,測量的是表面溫度。常用測溫方法對(duì)比見表1。

表1 常用測溫方法對(duì)比

紅外測溫與傳統(tǒng)的接觸式測溫相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)遠(yuǎn)距離和非接觸測量。紅外測溫儀是通過測量物體的紅外輻射來確定物體的溫度，不需與被測物體接觸，并可遠(yuǎn)距離測量，它特別適合于對(duì)高速運(yùn)動(dòng)體、旋轉(zhuǎn)體、帶電體和高溫高壓物體的溫度測量。

(2)響應(yīng)速度快。紅外測溫儀不像熱電偶、溫度計(jì)那樣，需要與被測物體接觸并達(dá)到熱平衡，而只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可定溫，其響應(yīng)時(shí)間在毫秒甚至微秒數(shù)量級(jí)。

(3)靈敏度高。因物體溫度的微小變化就會(huì)引起輻射能量較大的變化，易于被探測器測出，故紅外測溫儀的可測溫差很小，可達(dá)零點(diǎn)幾攝氏度。

(4)準(zhǔn)確度高。由于紅外測溫儀是非接觸測量，不破壞物體本身的溫度分布，因而所測溫度真實(shí)準(zhǔn)確，測量精度可達(dá)0.1℃以下。

(5)測溫范圍廣。紅外測溫儀可測的溫度范圍很廣，可從負(fù)幾十?dāng)z氏度到正幾千攝氏度。

2 紅外測溫儀基本原理

紅外測溫采用逐點(diǎn)分析的方式，即把物體一個(gè)局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個(gè)探測器上，并通過已知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。由于被檢測的對(duì)象、測量范圍和使用場合不同，紅外測溫儀的外觀設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同，但基本結(jié)構(gòu)大體相似，紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、電信號(hào)處理線路、溫度指示器、信號(hào)放大器及一些附屬設(shè)備組成，其附屬設(shè)備包括瞄準(zhǔn)器、電源、整體機(jī)械結(jié)構(gòu)等。光學(xué)系統(tǒng)分調(diào)焦式和固定焦點(diǎn)式，其中還包括濾光片和瞄準(zhǔn)器，濾光片有通帶型、窄帶型和雙色型等幾種，光學(xué)系統(tǒng)的場鏡有反射式、折射式和干涉式等幾種類型。輻射體發(fā)出的紅外輻射，進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制器把紅外輻射調(diào)制成交變輻射，由紅外探測器轉(zhuǎn)變成為相應(yīng)的電信號(hào)。

測溫儀的紅外探測器一般采用熱釋電探測器。該電信號(hào)經(jīng)過放大器、信號(hào)處理電路、環(huán)境溫度補(bǔ)償、干擾信號(hào)和系統(tǒng)噪聲抑制，并按照儀器內(nèi)置的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 紅外測溫儀結(jié)構(gòu)

3 H D I R-2 A型紅外輻射測溫儀應(yīng)用案例

3.1 設(shè)備簡介

撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司共有5座高爐，2座580 m3,2座450 m3，1座420 m3,每一座高爐都有一條熱風(fēng)管道，每一條熱風(fēng)管道均有兩個(gè)高爐熱風(fēng)溫度測溫點(diǎn)，每臺(tái)高爐都需要測量熱風(fēng)溫度，熱風(fēng)溫度的準(zhǔn)確是確保是否正常穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，以前是用鉑銠10-鉑熱電偶測量，鉑銠10-鉑熱電偶（分度號(hào)是S）屬貴金屬熱電偶，直徑通常0.5 mm，它長期使用的最高溫度可達(dá)1300℃,短期可達(dá)1600℃。由于它的復(fù)制性好，長期較穩(wěn)定地保證較高的精度，因此，被用作國際實(shí)用溫標(biāo)中630.74~1064.43℃范圍內(nèi)的基準(zhǔn)儀器。

這種熱電偶宜在氧化性及中性氣氛中使用，在真空中可短期使用。但在金屬蒸汽、金屬氧化物、二氧化碳、氫等還原介質(zhì)中易遭損壞，除非選用可靠的保護(hù)管。這種熱電偶熱電偶電極在高溫下會(huì)升華，銠分子會(huì)滲透到鉑極，導(dǎo)致熱電勢下降和鉑電極折斷等。

3.2 改造理由

（1）熱風(fēng)溫度現(xiàn)采用的測量方式不合理，測溫元件消耗大，成本高，大多需修風(fēng)才能更換。根據(jù)2012年數(shù)據(jù)采集10月、11月、12月平均每個(gè)月需要更換測溫元件熱電偶為4個(gè)。

（2）熱風(fēng)溫度測量系統(tǒng)故障頻繁，維修人員勞動(dòng)強(qiáng)度大。根據(jù)2012年數(shù)據(jù)采集10月、11月、12月平均每個(gè)月需要維修、維護(hù)五次。

（3）降低熱風(fēng)溫度測量故障次數(shù)，可以提高維修人員在工作中的安全性。（現(xiàn)場測量：熱風(fēng)管道處煤氣含量多在100 PPM左右）

4 問題分析及改造實(shí)施過程

經(jīng)過認(rèn)真、仔細(xì)系統(tǒng)的分析影響高爐熱風(fēng)測溫系統(tǒng)故障的因素主要分為四大方面，現(xiàn)場測量因素、環(huán)境因素、人為因素、信號(hào)傳輸因素。

4.1 熱電偶問題

熱電偶損壞（安裝缺陷.質(zhì)量差）存在的問題是底襯管,安裝固定,保護(hù)層,偶質(zhì)量,均有缺陷。

現(xiàn)狀說明：熱風(fēng)管道的隔熱層因?yàn)槭褂脮r(shí)間長產(chǎn)生脫落現(xiàn)象，對(duì)偶的底襯管保護(hù)不利，偶的底襯管過長,在熱風(fēng)頻吹中造成變形卡壞電偶,電偶安裝固定法蘭過緊或偏,易造成偶管產(chǎn)生裂痕,遇到送風(fēng)時(shí)易斷裂，固定過松易被熱風(fēng)頂出，保護(hù)層過短易漏熱風(fēng)燒毀電偶和導(dǎo)線。電偶質(zhì)量差偶管易碎偶絲易斷造成不應(yīng)有的故障。

改造經(jīng)過：

針對(duì)此問題進(jìn)行對(duì)策擬定：

(1)縮短底襯管,由原0.5 m左右縮短為0.4 m對(duì)底襯管周圍隔熱層進(jìn)行加厚增補(bǔ)。優(yōu)點(diǎn)：可以改善襯管變形夾偶隔熱層隔熱效果差的現(xiàn)狀。

(2)設(shè)計(jì)新襯管取消法蘭安裝，加斜拉固定。優(yōu)點(diǎn)：可避免法蘭安裝易偏現(xiàn)狀。

(3)保護(hù)層加長,由10 cm加長至20 cm。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)施繁瑣但效果明顯。

(4)更換電偶剛玉管,改用壁加厚的電偶管。優(yōu)點(diǎn)：效果明顯但實(shí)施費(fèi)力。

預(yù)計(jì)效果：新設(shè)計(jì)襯管和隔熱層加厚與厚壁偶的采用,這些改善可一舉排除以上幾方面缺陷。

具體實(shí)施：在現(xiàn)場熱風(fēng)管道上切孔，加厚隔熱層將設(shè)計(jì)的新襯管，伸入襯管加焊，待焊嚴(yán)密后，安裝厚壁電偶,再安裝斜拉固定。

效果檢討：改善后,新制作的襯管和采用厚壁偶，又加厚隔熱層,避免了原有設(shè)計(jì)缺點(diǎn)，安裝后兩個(gè)月僅發(fā)生故障2次,控制在目標(biāo)之內(nèi)。

4.2 測量方式分析

測量方式落后存在的問題是采用接觸式測溫的方式

現(xiàn)狀說明：現(xiàn)熱風(fēng)溫度測量采用的是兩支為一組采集同一測溫點(diǎn)的S型電偶測溫,屬于接觸式測溫,電偶直接接觸高溫的熱風(fēng),易造成電偶燒損。

改造經(jīng)過：針對(duì)此問題進(jìn)行對(duì)策擬定,改為一支電偶一套紅外線組合搭配測溫。優(yōu)點(diǎn)：可節(jié)省電偶消耗,降低故障、測溫參數(shù)易產(chǎn)生不統(tǒng)一。

預(yù)計(jì)效果：兩套測溫裝置搭配組合后,既能夠滿足測溫精度又減少消耗,降低故障。

具體對(duì)策實(shí)施過程：高爐修風(fēng)，以火焊將原有的電偶切割拆卸，新安裝襯管，再以電焊將紅外線測溫儀安裝焊接牢固，之后調(diào)試。

效果檢討：改善后,兩套測溫裝置搭配組合既能夠滿足測溫精度又減少消耗,降低故障。改善后僅發(fā)生故障3次。

改變測量方式后對(duì)紅外線測溫儀的綜合評(píng)定，及紅外測溫儀工作原理紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)，光電探測器，信號(hào)放大器及信號(hào)處理.顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)換算轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。與電偶的接觸式測溫不同，紅外測溫儀的最大優(yōu)點(diǎn)就是：安全、耐用、便捷。

4.3 信號(hào)輸出問題

信號(hào)傳輸存在的問題是導(dǎo)線碳化、傳輸信號(hào)開路、傳輸信號(hào)波動(dòng)

現(xiàn)狀說明：

(1)因長期使用導(dǎo)線在高溫中發(fā)生炭化，造成信號(hào)短路。

(2)因原使用的電偶端子老化，接觸不良，屏蔽又不好，極易產(chǎn)生信號(hào)時(shí)斷時(shí)續(xù)的現(xiàn)象。

改造經(jīng)過：

針對(duì)此問題進(jìn)行對(duì)策擬定：

(1)改變線路位置遠(yuǎn)離熱源。優(yōu)點(diǎn)：可以改善導(dǎo)線易老化現(xiàn)狀。

(2)制定標(biāo)準(zhǔn)每年高爐中修更換導(dǎo)線一次。優(yōu)點(diǎn)：可起到改善應(yīng)有作用。

(3)對(duì)銹蝕的端子進(jìn)行打磨去銹處理并加以緊固。優(yōu)點(diǎn)：可減少端子類故障。

(4)完善信號(hào)線的屏蔽環(huán)節(jié)牢固接地。優(yōu)點(diǎn)：可減少信號(hào)波動(dòng)使其穩(wěn)定。

預(yù)計(jì)效果：起避免老化作用、起防止老化作用、接觸良好不再發(fā)生故障、減少信號(hào)波動(dòng)。

具體對(duì)策實(shí)施過程：(1)拆卸并更換老化導(dǎo)線。(2)對(duì)銹蝕的端子進(jìn)行打磨去銹處理并加以緊固。(3)將信號(hào)線的屏蔽環(huán)節(jié)牢固接地。

效果檢討：改善后,(1)顯示表內(nèi)部電源接觸良好。(2)信號(hào)不再時(shí)斷時(shí)續(xù)。(3)接頭不易再脫落。4測溫儀輸出接口已接牢。

4.4 其它問題分析

環(huán)境、人為方面存在的問題是灰塵多、作業(yè)人員刮碰電偶。

現(xiàn)狀說明：

(1)測溫元件未加裝防護(hù)應(yīng)該采取措施保護(hù)元件。

(2)電偶安裝位置不好位于過廊，易刮碰。

改造經(jīng)過：

針對(duì)此問題進(jìn)行對(duì)策擬定：

(1)增加防護(hù)設(shè)備防止灰塵。優(yōu)點(diǎn)：可以改善灰塵問題。

(2)改變電偶安裝位置，并加防護(hù)。優(yōu)點(diǎn)：效果明顯但實(shí)施費(fèi)力。

預(yù)計(jì)效果：避免灰塵侵蝕元件、明顯起到保護(hù)測溫元件作用。

具體對(duì)策實(shí)施過程：(1)將電偶安裝位置移開樓梯口。(2)制做防護(hù)鐵罩避免測溫元件進(jìn)灰侵蝕測量元件。

效果檢討：改善后,增加了防護(hù)，未再發(fā)生過測溫元件進(jìn)灰侵蝕測量元件的現(xiàn)象。

5 效果確認(rèn)

2013年3月份發(fā)生故障兩次，到現(xiàn)場認(rèn)證發(fā)現(xiàn)，第一次故障屬于正常故障，第二次故障是電偶偶絲質(zhì)量問題造成的，因此決定增補(bǔ)一項(xiàng)操作標(biāo)準(zhǔn)加強(qiáng)對(duì)領(lǐng)取備品，準(zhǔn)備安裝時(shí)的確認(rèn)工作。

6 結(jié)束語

通過對(duì)風(fēng)溫測量系統(tǒng)的改善實(shí)現(xiàn)了高爐生產(chǎn)中對(duì)風(fēng)溫的精確把握，從而提高了高爐煉鐵的效率和品質(zhì),改善延長了測溫元件及儀表的使用壽命,從而達(dá)到降低了維護(hù)量，提高了工作效率。

【l】《電氣工程師手冊(cè)》編委會(huì)編，電氣工程師手冊(cè)[M]，北京：中國電力出版社，2008.

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