淺析紅外熱成像技術(shù)在窯爐檢測中應(yīng)用

嚴(yán)國莉 趙慶國

（中鋼集團(tuán)工程設(shè)計研究院有限公司，北京100080）

1 引言

紅外熱成像技術(shù)自產(chǎn)生以來，因其特有的屬性，受到人們的普遍關(guān)注。紅外熱成像運(yùn)用光電技術(shù)檢測物體熱輻射的紅外線特定波段信號，將該信號轉(zhuǎn)換成可供人類視覺分辨的圖像，并可以進(jìn)一步計算出溫度值。紅外熱成像技術(shù)使人類超越了視覺障礙，由此人們可以“看到”物體表面的溫度分布狀況。紅外熱像儀在軍事和民用方面都有廣泛的應(yīng)用，成為當(dāng)今各國探測技術(shù)中的重點研究和發(fā)展技術(shù)之一［1］。

紅外線是一種電磁波，具有與無線電波和可見光一樣的本質(zhì)。紅外線的發(fā)現(xiàn)是人類對自然認(rèn)識的一次飛躍。利用某種特殊的電子裝置將物體表面的溫度分布轉(zhuǎn)換成人眼可見的圖像，并以不同顏色顯示物體表面溫度分布的技術(shù)被稱為紅外熱成像技術(shù)，這種電子裝置稱為紅外熱像儀［2］。紅外熱像儀是利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像，熱圖像上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度［3］。

熱像儀在軍事和民用方面都有廣泛的應(yīng)用。隨著熱成像技術(shù)的成熟以及各種低成本適于民用的熱像儀的問世，它在國民經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)揮的作用也越來越大。在工業(yè)生產(chǎn)中，許多設(shè)備常用于高溫、高壓和高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，應(yīng)用紅外熱成像儀對這些設(shè)備進(jìn)行檢測和監(jiān)控，既能保證設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，又能發(fā)現(xiàn)異常情況以便及時排除隱患。同時，利用熱像儀還可以進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量控制和管理。

2 紅外熱成像技術(shù)基本原理

任何溫度高于絕對溫度零度的物體都有熱輻射，即輻射紅外波長的電磁波，熱成像技術(shù)就是通過測定物體的熱輻射，用二維可視圖像顯示物體的熱狀態(tài)分布，并進(jìn)行溫度測量。著名的斯蒂芬—玻爾茲曼定律是熱輻射的理論依據(jù)，根據(jù)這一理論，物體的全波段輻射度M與其絕對溫度T的四次方成正比，即：

其中σ＝5.67×10－8瓦／（米2K4）：斯蒂芬—玻爾茲曼比例系數(shù)；

ε≤1：物體的發(fā)射率，當(dāng)物體為絕對黑體時ε＝1。

因此，可以通過測定目標(biāo)的輻射度確定其溫度。窯爐測溫就是通過測定目標(biāo)的輻射度實現(xiàn)用二維圖像表示物體表面溫度分布［1］。

紅外輻射是波長為0.75～1000μm的電磁波，物體熱輻射的總能量中包含各個波長的成分，而且不同波段的輻射能量大小也不同，對應(yīng)于輻射能量最大的波長稱為峰值波長，一般用λmax表示。根據(jù)維恩位移定律：

式中，T為絕對溫度（K），λmax為輻射峰值波長（微米）。

在利用熱成像技術(shù)設(shè)計檢測系統(tǒng)中，要選擇與測溫范圍相適應(yīng)的波段，使探測器在該波段內(nèi)響應(yīng)最靈敏。

3 紅外熱成像技術(shù)在窯爐檢測中應(yīng)用

窯爐是伴隨文明社會的出現(xiàn)而誕生的工程技術(shù)系統(tǒng)，它是指在工業(yè)生產(chǎn)中用燃料或者電能產(chǎn)生熱量，將物料或工件進(jìn)行冶煉、焙燒、燒結(jié)、熔化、加熱的熱工設(shè)備。窯爐是一種用耐火材料砌成的用以煅燒物料或燒成制品的設(shè)備，被煅燒的原料和燃料往往共處一個空間，或燃燒區(qū)與煅燒區(qū)直接相通［4］。

在工業(yè)生產(chǎn)中，窯爐中許多設(shè)備常用于高溫、高壓和高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，應(yīng)用紅外熱成像儀對這些設(shè)備進(jìn)行檢測和監(jiān)控，既能保證設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，又能發(fā)現(xiàn)異常情況以便及時排除隱患。

熱成像技術(shù)實際上是作為一種高級測溫技術(shù)應(yīng)用于窯爐中的。過去的紅外測溫儀大都是點測溫儀，點測溫儀與熱像儀比較，雖具有成本低、攜帶方便、傳感器不需制冷等優(yōu)點，但它有如下缺點：1、只能測量一個點（小區(qū)）的溫度，不能測量表面的溫度分布，不能提供圖像，故難以證實儀器是否對準(zhǔn)了被測點；2、使用距離常常受儀器視場的限制；3、目標(biāo)的反常（不規(guī)則）反射難以同目標(biāo)的真實溫度變化區(qū)分開；4、對環(huán)境溫度起伏敏感［5］。所以，在遠(yuǎn)距離快速測量目標(biāo)表面溫度分布和記錄熱像的工程應(yīng)用中必須使用熱像儀。

以前工業(yè)上使用的熱像儀多用低溫制冷的單元探測器的光機(jī)掃描系統(tǒng)，但這種系統(tǒng)成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用不便。近年來，隨著圖像增強(qiáng)和圖像處理系統(tǒng)中采用數(shù)字電路的情況日愈增多，熱釋電攝像管系統(tǒng)和熱電制冷探測器線列以及兩維焦平面探測器列陣系統(tǒng)已成為熱像儀的主要發(fā)展類型。

熱像儀在窯爐上主要是檢測窯爐中設(shè)備、監(jiān)查窯爐運(yùn)行故障及控制產(chǎn)品質(zhì)量。一般通過最先進(jìn)的非制冷焦平面紅外探測器，利用熱像儀顯示被查目標(biāo)的熱像和提供表面熱分布的信息，實時動態(tài)紅外成像觀察爐內(nèi)原料溫度狀況，經(jīng)過圖像處理、數(shù)據(jù)分析，找出即將發(fā)生和已發(fā)生的故障及其位置，以便及時采取措施予以消除。比如，利用紅外熱像儀對窯爐進(jìn)行分區(qū)塊的檢測，并通過紅外分析軟件，對得到的熱圖像進(jìn)行溫度分布的分析。如在沒有冷卻器存在的部位，通過爐皮表面的不同變化，可以直接判斷有無內(nèi)襯缺陷。如果某部位拍攝的熱圖對比溫度尺寸上升，可以認(rèn)定爐內(nèi)襯已有損壞侵蝕；對于有冷卻器存在的部位，可以依據(jù)熱圖分析表面溫度分布情況，找出相對溫升高的部位，判斷冷卻壁損壞或爐內(nèi)襯缺陷，從而達(dá)到檢測窯爐的目的。某典型的高爐紅外熱像儀SG－RX508，特性參數(shù)如表1所示。

表1 典型高爐紅外熱像儀特性參數(shù)表

該熱像儀應(yīng)用于窯爐檢測，它不僅達(dá)到在爐內(nèi)進(jìn)行成像的功能，使操作人員“目測”爐內(nèi)料面情況，同時實時測溫，測量數(shù)達(dá)到十萬個溫度點，實時顯示的測試數(shù)據(jù)反應(yīng)了爐內(nèi)溫度或高或底的變化，精確測量出爐內(nèi)溫度，直觀的反應(yīng)出爐內(nèi)氣流變化情況，其應(yīng)用效果如圖1所示。

冶金生產(chǎn)型企業(yè)不僅與溫度有非常密切關(guān)系，同時它也是系統(tǒng)綜合性企業(yè)。窯爐中關(guān)鍵設(shè)備一旦發(fā)生事故，不僅經(jīng)濟(jì)上損失是巨大的，也容易造成人員的傷害，因此利用紅外熱成像技術(shù)對設(shè)備進(jìn)行檢測，了解和掌握設(shè)備使用過程的狀態(tài)，對于及早發(fā)現(xiàn)問題查明原因，保證安全的生產(chǎn)運(yùn)營，延長設(shè)備的使用壽命，降低熱損耗，節(jié)約能源有著重要的意義。紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展推進(jìn)了窯爐溫度檢測技術(shù)的發(fā)展，目前紅外探測成為主要的手段，而且監(jiān)測速度不斷提高，實時性逐漸增強(qiáng)，為操作人員提供了詳細(xì)的表面溫度分布情況，使得操作人員及時了解窯爐的實時狀態(tài)，促進(jìn)了窯爐檢測技術(shù)的發(fā)展。

4 結(jié)束語

紅外熱成像技術(shù)是現(xiàn)代關(guān)鍵高新技術(shù)，是各種檢測的重要組成部分，它為冶金自動化提供了全新手段，在工業(yè)故障診斷、復(fù)雜環(huán)境的非接觸測溫和過程控制等方面有廣泛用途［6］。

冶金工業(yè)窯爐應(yīng)用中，紅外熱成像儀將進(jìn)一步朝高精度、高靈敏度、智能化、集成化的方向發(fā)展。隨著各種新型紅外熱像儀的不斷出現(xiàn)和紅外熱成像技術(shù)的不斷完善，紅外熱成像技術(shù)將日趨成熟，在窯爐檢測、降低能耗方面有著更廣闊的前景，將會發(fā)揮越來越重要的作用。

［1］Ma Runjin，et al.A Study on Thermovision System and Application to Metallugical Industry［C］／／The IFAC Symposiam on Automation in MM Processing，pp.1992：271－276.

［2］楊立.紅外熱像儀測溫計算與誤差分析［J］.紅外技術(shù)，1999，（7）.

［3］李云紅，孫曉剛，原桂彬.紅外熱像儀精確測溫技術(shù)［J］.光學(xué)精密工程，2007，（9）.

［4］劉教瑜.窯爐檢測與控制技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社，2009：8.

［5］官上洪，王畢藝，趙萬利，閆秀生.紅外熱像儀測溫精度分析［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2012，27（3）.

［6］何麗.走向新世紀(jì)的紅外熱成像技術(shù)［J］.紅外，2002（12）.