唐 磊，吳海濱，倉亞軍，馮俊生，余龍寶，蔣 杉，趙曉虎

紅外輻射測(cè)溫在管式工業(yè)爐上的應(yīng)用

唐 磊1，吳海濱2，倉亞軍3，馮俊生1，余龍寶1，蔣 杉1，趙曉虎1

（1.合肥師范學(xué)院電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230601；3.合肥瑞石測(cè)控工程技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230088）

旨在開展紅外輻射測(cè)溫系統(tǒng)研究，以探測(cè)器像元所接收的目標(biāo)輻照度為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了紅外探測(cè)系統(tǒng)的信噪比、靈敏度和探測(cè)誤差，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵參數(shù)，并對(duì)系統(tǒng)面均勻性進(jìn)行了細(xì)致的校準(zhǔn)。針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)特殊應(yīng)用環(huán)境，建立系統(tǒng)背景補(bǔ)償模型進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)和連續(xù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果：平均值相差0.15℃，標(biāo)準(zhǔn)差4.4℃，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量精度要求；連續(xù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)與裂解爐實(shí)際運(yùn)行情況完全一致，表明該系統(tǒng)能夠解決管式工業(yè)爐爐管表面溫度連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)難題。

紅外輻射；表面溫度；對(duì)比實(shí)驗(yàn)；測(cè)量誤差

0 引言

在石油、化工行業(yè)各類加熱爐中，無論是從經(jīng)濟(jì)效益還是安全性考慮，溫度測(cè)量在世界范圍內(nèi)都是非常重要的。盡管高溫輻射計(jì)和熱像儀從20世紀(jì)70年代就開始在石油、化工行業(yè)廣泛使用，但加熱器燒嘴和爐管表面溫度的實(shí)時(shí)在線測(cè)量仍然是難以解決的世界性難題。石油、化工行業(yè)各類加熱爐溫度變化范圍是400℃～1200℃，結(jié)構(gòu)和操作類似于蒸汽鍋爐，但管內(nèi)流動(dòng)的不是水，而是更具爆炸性的油氣混合物。爐管表面溫度稍高于設(shè)計(jì)溫度就會(huì)發(fā)生二次裂解反應(yīng)產(chǎn)生碳沉積，導(dǎo)致管內(nèi)結(jié)焦，嚴(yán)重時(shí)甚至堵塞爐管而發(fā)生爆炸；爐管表面溫度稍低于設(shè)計(jì)溫度又會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)不徹底，產(chǎn)品收率降低，極大地影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。由于爐管溫度的恰當(dāng)控制直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、生產(chǎn)設(shè)備的安全性、設(shè)備運(yùn)行的耐久性以及人身安全，因此，在操作過程中爐管表面溫度需要被嚴(yán)格監(jiān)控。

闡述了一種自發(fā)研制的紅外比色溫度測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)爐管表面溫度的實(shí)時(shí)在線測(cè)量，解決石油、化工行業(yè)爐管表面溫度實(shí)時(shí)在線測(cè)量的技術(shù)難題。

1 測(cè)量原理

根據(jù)探測(cè)器像元在空間方向上所對(duì)應(yīng)的水平、垂直張角分析探測(cè)器每個(gè)像元所接收的目標(biāo)輻照度。不考慮輻射傳輸過程中高溫?zé)煔廨椛?、反射、散射及瞬態(tài)變化等影響因素，并假設(shè)爐管表面為平面輻射源，如圖1所示，管上面輻射源在紅外探測(cè)系統(tǒng)微面元上的輻照度為[2]：

式中：d為紅外探測(cè)系統(tǒng)微元接收的輻照度；為輻射面元；為輻射方向與輻射面源法線夾角；()為目標(biāo)自發(fā)輻射；(sur)為環(huán)境背景輻射；p為光程上介質(zhì)透過率；t為探測(cè)目標(biāo)發(fā)射率；為待測(cè)目標(biāo)溫度；sur為環(huán)境背景溫度；為輻射傳輸距離。

其中，微面元：

d＝×dd(2)

式中：d為方向所在位置的水平視角截面內(nèi)的微角元；為探測(cè)器距輻射面源的豎直距離；為水平距離，＝×cos×cos（如圖1所示）。探測(cè)器距輻射面源的豎直距離變化量可表示為：

d＝d(tan)＝d/cos2(3)

式(2)、(3)代入式(1)，得：

則紅外探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)器單位微面元上接收的目標(biāo)自發(fā)紅外輻射為：

紅外探測(cè)器單位微面元上接收的紅外輻射對(duì)水平、豎直微單位角元的微分再減去背景反射部分即等于單位角元內(nèi)輻射體的自發(fā)紅外輻射量。

對(duì)于物距遠(yuǎn)大于光學(xué)成像系統(tǒng)焦距的情況，探測(cè)器單位像元接收的平均自發(fā)輻射光電子數(shù)：

式中：為有效積分時(shí)間；為量子效率；為每流明光通量在每秒內(nèi)所激發(fā)的光電子數(shù)；為紅外光學(xué)系統(tǒng)透過率；/為紅外鏡頭孔徑比。若采用雙波段比色測(cè)溫技術(shù)，則：

式中：下標(biāo)1、2表示通道1和通道2。

圖1 紅外輻射源對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的輻照度

從上述分析可知，雙波段比色測(cè)溫技術(shù)可有效消除未知發(fā)射率變化所產(chǎn)生的測(cè)量誤差，還可減少輻射光程上紅外輻射同比衰減所產(chǎn)生的測(cè)量誤差。

在穩(wěn)定受激條件下每個(gè)瞬間輻射的光子流密度具有量子性的隨機(jī)漲落，但輻射光子流密度的平均值是確定的，因此，產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度圍繞一個(gè)確定平均值起伏。由于雙通道比值不改變信號(hào)分布特性，故噪聲可表示為[3-5]：

則信噪比：

探測(cè)系統(tǒng)的溫度靈敏度：

則系統(tǒng)溫度探測(cè)誤差：

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)

針對(duì)管式工業(yè)爐運(yùn)行溫度高、防護(hù)壁層厚、長周期運(yùn)行等應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了專業(yè)化特殊設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其特征在于：

1）小直徑、長光程、大后截距紅外鏡頭設(shè)計(jì)；小直徑即通光口徑小，需要制冷氣量小，可以采用多層渦旋制冷防護(hù)，既解決了高溫防護(hù)的問題，又解決了渦旋制冷氣體流量、壓力過大的問題；長至1m的超長鏡頭設(shè)計(jì)可使鏡頭伸入爐膛觀測(cè)，解決管式爐防護(hù)壁層較厚對(duì)測(cè)量視場(chǎng)的影響；90mm以上超長后截距設(shè)計(jì)，給系統(tǒng)分光、濾波等后續(xù)光路設(shè)計(jì)提供足夠的物理空間。

2）高通高反分光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；鏡頭設(shè)計(jì)長且通光口徑小，為了使光通量不至于損失太多，分光鏡設(shè)計(jì)透射面鍍高透膜，反射面鍍高反膜，保證探測(cè)器接收到足夠的光通量，如圖3所示。

3）一體化探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；分光棱鏡30°楔角設(shè)計(jì)給濾波片和探測(cè)器裝調(diào)留有足夠空間，結(jié)構(gòu)小且緊湊，穩(wěn)定性高。

3 系統(tǒng)校準(zhǔn)

由于采用了小直徑、長光程、大后截距鏡頭和高透高反分光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，容易造成光學(xué)系統(tǒng)有相對(duì)較大的像差和色差，導(dǎo)致探測(cè)器光譜響應(yīng)不一致，給測(cè)量結(jié)果帶來較大誤差。因此，必須進(jìn)行探測(cè)器光譜響應(yīng)面均勻性補(bǔ)償，提高系統(tǒng)探測(cè)精度。校準(zhǔn)儀器：IS-4008中型均勻光源系統(tǒng)，波長范圍340～2500nm，出光口面均勻性99.5%。在光譜響應(yīng)非線性矯正的基礎(chǔ)上，利用均勻光源系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器面均勻性進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償方法：取視場(chǎng)中心5×5像元照度均值作為基準(zhǔn)，用所有像元照度與基準(zhǔn)值相比得到補(bǔ)償系數(shù)陣列，各像元照度除以對(duì)應(yīng)系數(shù)即可將各像元補(bǔ)償一致。利用均勻光源還可檢測(cè)系統(tǒng)光學(xué)中心是否偏斜和面非均勻性，如圖4(a)所示，被測(cè)系統(tǒng)光學(xué)中心與探測(cè)器視場(chǎng)中心不一致，且視場(chǎng)邊緣與中心光譜響應(yīng)存在明顯偏差。光路調(diào)整后再進(jìn)行均勻性補(bǔ)償，結(jié)果如圖4(b)所示。由圖可見，補(bǔ)償后水平和豎直方向各點(diǎn)像元光譜響應(yīng)趨勢(shì)一致，消除了光學(xué)系統(tǒng)像差和色差所產(chǎn)生的非均勻性誤差。補(bǔ)償后像元各點(diǎn)波動(dòng)是量子噪聲所致，屬于系統(tǒng)相對(duì)誤差[6]。

系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

圖3 分光棱鏡透過率和反射率設(shè)計(jì)曲線

表1 測(cè)溫系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

圖4 紅外探測(cè)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)與面均勻性校準(zhǔn)

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)與連續(xù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

管式工業(yè)爐內(nèi)目標(biāo)表面溫度測(cè)量的困難在于：①紅外輻射要穿透高溫?zé)煔?，而高溫?zé)煔馐菤怏w和固體顆?；旌衔?，空間上各向異性且瞬態(tài)變化，火焰譜和能量傳遞過程特別復(fù)雜，且燃燒過程中由于燃料種類和條件不同導(dǎo)致火焰輻射強(qiáng)度和輻射特性隨機(jī)變化；②加熱爐尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，待測(cè)目標(biāo)和背景的輻射特性差異大，加熱過程中高溫背景的強(qiáng)輻射和反射等；③目標(biāo)長期處于高溫過氧環(huán)境中，目標(biāo)表面高溫氧化和滲碳導(dǎo)致表面發(fā)射率隨時(shí)間變化。由于待測(cè)目標(biāo)處于高溫燃燒爐膛環(huán)境中，影響因素太多且過于復(fù)雜，突出主要影響因素，忽略次要因素，建立背景補(bǔ)償模型[7-8]，消除強(qiáng)背景輻射和光程上高溫介質(zhì)輻射、散射、吸收的影響，且考慮了系統(tǒng)噪聲：

式中：(cam)為系統(tǒng)熱噪聲、散粒噪聲等噪聲等效輻射；M為探測(cè)系統(tǒng)獲得的總輻射信號(hào)強(qiáng)度；(p)為光程上高溫介質(zhì)的輻射；p為輻射光程上燃燒介質(zhì)溫度；cam為探測(cè)器溫度。

利用紅外測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)爐是某廠5萬噸乙烯裂解爐，運(yùn)行溫度800℃～1200℃，爐管表面設(shè)計(jì)溫度極限1080℃。根據(jù)裂解爐實(shí)際運(yùn)行情況做背景補(bǔ)償，然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)和連續(xù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)所用儀器為Raytek Raynger3I，型號(hào)：RAYR3I1MSC，使用波長1.6mm，溫度測(cè)溫范圍400℃～2000℃，距離系數(shù)比250:1，測(cè)量精度0.5%。對(duì)比實(shí)驗(yàn)日期2015年6月17日和18日，測(cè)點(diǎn)位置包括爐體兩側(cè)和中間各位置，測(cè)點(diǎn)覆蓋爐膛內(nèi)各位置高溫管和低溫管，對(duì)比結(jié)果如圖5所示。圖中橫坐標(biāo)表示紅外測(cè)溫儀測(cè)量溫度，縱坐標(biāo)表示紅外測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量溫度，由圖可見：二者測(cè)量結(jié)果吻合的非常好，離散溫度點(diǎn)線性擬合斜率0.998，最大相差12℃，平均相差0.15℃，標(biāo)準(zhǔn)差4.4，測(cè)溫范圍：956℃～1096℃，符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量精度要求。

圖5 測(cè)溫儀和紅外測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

連續(xù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)從2015年11月3號(hào)至2016年4月26號(hào)，連續(xù)6個(gè)月不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。由于裂解爐運(yùn)行期間爐管內(nèi)部積碳逐漸增加，熱傳導(dǎo)率下降，導(dǎo)致爐管表面溫度會(huì)持續(xù)上升，圖中數(shù)據(jù)為相鄰3根高溫管上設(shè)置的3個(gè)固定測(cè)溫點(diǎn)連續(xù)6個(gè)月日平均溫度跟蹤結(jié)果，由圖可見：2015年11月3號(hào)開始測(cè)量至2016年1月13日70天內(nèi)爐管表面溫度持續(xù)上升，期間由于負(fù)荷變化表面溫度有輕微波動(dòng)，但上升趨勢(shì)不變，2016年1月13日平均溫度1075℃，接近爐管表面溫度承受極限，1月14日開始燒焦，清楚內(nèi)部積碳，溫度降至最低點(diǎn)，此后又開始連續(xù)正常運(yùn)行，3月8日再次清焦，4月14日有一次原料切換過程，溫度波動(dòng)相對(duì)較大。連續(xù)測(cè)量期間沒有發(fā)現(xiàn)其他異常現(xiàn)象，與實(shí)際運(yùn)行情況完全一致，表明紅外測(cè)溫系統(tǒng)可以連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行爐管表面溫度探測(cè)。

圖6 紅外測(cè)溫系統(tǒng)連續(xù)溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

從輻射測(cè)溫基本原理著手，以探測(cè)器像元所接收的目標(biāo)輻照度為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了紅外探測(cè)系統(tǒng)的信噪比、靈敏度和探測(cè)誤差，介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)，強(qiáng)調(diào)了面均勻性校準(zhǔn)的必要性，明確了校準(zhǔn)過程。針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)特殊應(yīng)用環(huán)境，建立了背景補(bǔ)償模型，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)和連續(xù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)說明了紅外測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量精度能夠滿足管式工業(yè)爐爐管表面溫度監(jiān)測(cè)的精度要求，連續(xù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)說明了紅外測(cè)溫系統(tǒng)能夠持續(xù)、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)跟蹤爐管表面溫度變化過程。通過該研究成果的實(shí)施，可以有效解決管式工業(yè)爐爐管表面溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)難題。

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Application Studying of Infrared Radiation Temperature Measurement on the Tubular Industrial Furnace

TANG Lei1，WU Haibin2，CANG Yajun3，F(xiàn)ENG Junsheng1，YU Longbao1，JIANG Shan1，ZHAO Xiaohu1

(1.School of Electronic and Information Engineering, Hefei Normal University, Hefei 230601, China; 2.School of Physics and Material Sciences, Anhui University, Hefei 230601, China; 3.Hefei Ruishi Measuring and Controlling Engineering Technology Co Ltd., Hefei 230088, China)

This paper is focusing on studying the Infrared radiation temperature measurement system. The signal-to-noise ratio, sensitivity and detection accuracy of infrared detection system is analyzed in detail based on the target irradiance

by the detector pixels in the unit solid angle. Structure design and key parameters of the infrared detection system was introduced and calibration of the surface uniformity was carried out in detail. The background compensation model is set up for industrial field experiment. Then comparison experiments between the infrared detection system and the infrared radiation thermometer were implemented. The experiment results show mean difference is 0.15℃ and standard deviation is 4.4℃, so it can satisfy the requirements of industrial field temperature measurement accuracy. And technical challenge of temperature monitoring for tube surface is solved in high temperature environment.

infrared radiation，surface temperature，comparison experiment，measurement deviation

TN215

A

1001-8891(2016)07-0612-05

2016-05-16；

2016-05-26.

唐磊（1972-），男，安徽滁州人，博士，副教授，主要從事光電探測(cè)與信息處理方面研究。Email：tanglei_66@163.com。

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41574180）；安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目（1604a0902152）；安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2016A581）。