淺談高溫成像比色計測溫裝置的運用

蘇建平 費建軍

(天津市電視技術研究所有限公司,天津 300040)

0 引言

高溫窯爐在生產過程中除了必要的工業自動化控制外,實時觀察被加熱材料的狀態、顏色和尺寸變化也是必不可少的工藝手段。國內外目前通用的做法是采取人工觀察或現場取樣的方式來實時進行,極少數采用視頻監控的也只是能粗略的反映爐內狀況,不能夠清晰、準確、全面地提供實時爐況,尤其是被加熱材料的溫度、狀態、顏色和尺寸變化。

客戶的需求度又與日俱增,通過目標市場分析,國內市場上尚無功能如此強大的產品。現有高溫視頻成像技術、紅外測溫技術、圖像處理技術等功能應用獨立性強,不能相互結合,導致客戶必須分別安裝使用,各成系統。本項目研制的最終目的就是成系統的解決技術分散、功能分散問題。

1 高溫成像比色計測溫裝置概述

1.1 高溫成像比色計測溫裝置的研制目的

高溫窯爐在生產過程中除了必要的工業自動化控制外,實時觀察被加熱材料的狀態、顏色和尺寸變化也是必不可少的工藝手段。用人工觀察或現場取樣存在以下三個主要問題:一是人的視覺在強光下極易產生疲勞;二是現場取樣存在一定的安全隱患;三是增加了生產系統的人力負擔并增加了生產人員的勞動強度。

高溫成像比色計測溫裝置對于有高溫窯爐生產作業的企業起著非常大的作用,很多企業都已經把高溫成像比色計測溫裝置作為促進企業發展的重要方式。有高溫窯爐生產作業企業的建設與發展前景,需要利用高溫成像比色計測溫裝置來促進。就目前的發展狀況來看高溫成像比色計測溫裝置的運用已經成為一種趨勢。

本文對高溫成像比色計測溫裝置的研制進行淺度分析[1]。

1.2 高溫成像比色計測溫裝置的發展趨勢

(1)技術的發展趨勢。溫度的測量一般分為接觸式測量和非接觸式測量。對高溫窯爐的溫度測量來說,接觸式測量如鉑電阻、熱電偶等只能實現點測量,測量范圍有限,效果不好;非接觸式測量如比色高溫計由于不與被測介質直接接觸,熱慣性小,測量上限不受材料限制等優點而倍受關注。圖像測溫技術是晶體爐溫度測量的技術發展方向,雖處于起步和非成熟階段,但市場的需求度會使本項目迅速成長并產業化。

高溫視頻成像技術國內已有二三十年的應用經驗,技術成熟但突破沒有,單一成像功能簡單,可視域廣、非接觸的特點沒有得到充分發揮。

(2)市場的需求分析。高溫成像比色計測溫裝置具有較強的實用性和廣泛的應用性,適用于高溫窯爐的視頻成像、溫度測量,具有較高的性能價格比,必將為用戶提高生產的自動化水平、降低生產的運行成本、提高產品質量和安全生產發揮較大的作用。

(3)在產業鏈發展中的作用。通過比色高溫計和攝像機的圖像處理對高溫窯爐物料工況、溫度等實時監測,可為生產過程提供必要的實時數據和控制參量,進而對高溫作業的安全、經濟、高效運行起到重要的作用,也必將對此行業的節能和高效生產產生積極的影響。溫度的測量一般分為接觸式測量和非接觸式測量。對高溫窯爐的溫度測量來說,接觸式測量如鉑電阻、熱電偶等只能實現點測量,測量范圍有限,效果不好;非接觸式測量如比色高溫計由于不與被測介質直接接觸,熱慣性小,測量上限不受材料限制等優點而倍受關注。圖像測溫技術是晶體爐溫度測量的技術發展方向,雖處于起步和非成熟階段,但市場的需求度會使本項目迅速成長并產業化。

2 高溫成像比色計測溫裝置發展的原因

通過比色高溫計和攝像機的圖像處理對高溫窯爐物料工況、溫度等實時監測,可為生產過程提供必要的實時數據和控制參量,進而對高溫作業的安全、經濟、高效運行起到重要的作用,也必將對此行業的節能和高效生產產生積極的影響。

2.1 實現功能

(1)實時檢測火焰燃燒溫度。(2)實時檢測物料生產各斷層溫度。(3)顯示重點位置異常(惡化)信息。(4)提供生產缺陷的預見性信息。(5)數據庫記錄每一個作業時段的溫度歷史數據。(6)具有自動識別和圖像自動調整大小的功能。(7)顯示高溫窯爐運行直觀狀態。

高溫成像比色計測溫裝置適用環境如圖2 所示:

圖2 高溫成像比色計測溫裝置適用環境圖Fig.2 Applicable environment diagram of temperature measuring device of high temperature imaging colorimeter

高溫成像比色計測溫裝置的發展已經成為促進有高溫窯爐生產作業的企業發展的重要原因。也可以說,高溫窯爐生產作業企業的順利運行、工作的處理,無時無刻都離不開高溫成像比色計測溫裝置[2]。

圖1 高溫比色計測溫系統Fig.1 High temperature colorimeter temperature measuring system

2.2 高溫成像比色計測溫裝置的研制內容

高溫成像比色計測溫裝置的研制內容,重點是如何將高溫窯爐動態圖像信息實時轉化為相應的溫度信息。測溫量程:1800℃以內。

(1)高溫窯爐動態視頻圖像的采集及視頻采集設備的保護。(2)爐內視頻圖像的數字化處理。(3)攝像鏡頭采集的各像素角度與亮度歧變的修正。(4)比色高溫計的校正和視頻RGB三原色的標定。(5)數字視頻圖像的溫度轉化計算和軟件開發。(6)溫度信息的處理、統計、記錄、顯示、以及重點信息實時轉化為相應控制信號的軟件開發。

3 高溫成像比色計測溫裝置的應用分析

高溫成像比色計裝置是結合高級的視頻攝像功能與靈活的紅外測溫特性于一體的一種設備,具有提供優質的圖像監視和進行準確的溫度測量的特性。高溫窯爐是一個需投入大量資金并確保運行條件最優化的地方,因為它對運行成本和產品質量有最主要的影響,本裝置的使用能有助于對成本和質量的控制[3]。

3.1 高溫成像比色計測溫裝置存在的重要性

(1)圖像監測不與爐體及其周邊被測介質直接接觸。(2)CCD攝像探頭在高溫窯爐1800℃以內的準確取像,圖像還原。(3)鏡頭焦距的合理選擇,偏振片的選擇。(4)基準標定(黑體爐)以及CCD歧變修正、比色高溫計校正。(5)傳統測溫算法的結合與優化。(6)傳統測距算法的結合與優化。(7)火焰、物料色溫分析、光譜分析。

3.2 高溫成像比色計測溫裝置的設計原則

(1)可行性和適用性。系統保證技術上的可行性和最優的性能價格比。(2)實用性。系統貫徹面向應用,注重實效的方針,堅持實用的原則。(3)先進性和成熟性。系統設計既采用先進的理念、技術和方法,由注意結構、設備的相對成熟。不但能反映當今的先進水平,而且具有發展的潛力,能保證在未來若干年內占主導地位。(4)開放性和標準性。本產品使用方便,僅需提供交流220V電源。適用于各種粉塵密度高,溫度高的惡劣環境,應用范圍廣泛。(5)可靠性和穩定性。在考慮先進性和開放性的同時,設計從產品結構、技術措施、設備性能等著手,確保產品運行的可靠性和穩定性。(6)可擴展性和易維護性。為了適應環境變化的要求,本產品充分考慮以最簡便的方法、最低的投資,實現產品的擴展和維護。隨著信息化思潮逐漸運用于城市建設領域,我國許多城市也先后引入了高溫成像比色計測溫裝置,包括引進國外先進的信息管理系統和專業的信息化管理軟件。但就現狀而言,仍處于起步階段,存在諸多局限問題[4]。

4 結論

從技術層面來看,高溫成像比色計的研制對于開發出成型的產品,節約能源與保證窯爐的安全運行有著重要的意義。同時,隨著該項技術與產品的成熟必將有效改善目前控制中的純延遲、大滯后特性,從而進一步提高運行效率和成品合格率。所以高溫成像比色計的研制必將會產生較大的社會和經濟效益。

從市場層面上來看,高溫成像比色計測溫裝置具有較強的實用性和較廣泛的應用性,可適用于煤炭地下氣化爐,具有較高的性能價格比,必將為企業提高生產的自動化水平、降低生產的運行成本、提高產品質量和降低廢品率發揮較大的作用。所以本產品投入市場后也必將為各行業、企業帶來較大的經濟效益和社會效益。