窑胴体红外线测温系统在水泥回转窑上的应用

1窑胴体红外线扫描测温系统——在水泥回转窑上的应用广州华极电气技术有限公司肖雪山一、概述随着水泥制造工艺的快速发展，干法水泥回转窑的直径越来越大，窑转速越来越快，回转窑作为水泥生产线的核心生产设备，对其工艺状况进行全面监控显得尤为重要。回转窑是一个高温设备，内部温度高达1450℃，正常状况下表面也有100～400多度，窑内部衬有一层约220mm厚的耐火材料，表面有20～30mm厚的钢板保护层。窑在运转时内部耐火材料会逐渐被侵蚀，有时甚至会脱落，一旦当耐火材料侵蚀到一定程度或脱落时，表面的钢板保护层温度会迅速升高，如不及时处理，钢板会软化熔蚀，甚至造成大事故，因此对窑表面温度进行实时监测是必须的。因为窑在高速运转，表面面积大，用传统热电偶测温的方法很难进行全面的监测，采用红外非接触式测量的方法具有较大的优势。目前用于水泥窑红外测温有两种方法，一种是用手持便携式测温仪由人工现场巡检，该方法优点是成本低廉，可以测量窑表面任何一点的温度，缺点是不能全面及时测量；另一方法用高速红外线扫描测温，优点是快速准确，实时性好，能全面连续测量，在控制室可以直接观察到窑表面的温度，缺点是成本高，需要特定的安装位置和平台，被遮挡的阴影区域无法测量，通常用便携式测温仪补测。目前可用于窑胴体测温的线扫描仪主要有雷泰（Raytek）MP150HR、爱光（Ircon）S251-07C10、兰德（Land）LSP6、艾格玛（Agema）THP7KLN、HGHKILNSCAN23等。二、红外测温原理1.红外测温理论基础红外线是一种电磁波，位于可见光红光外端，在绝对零度(-273℃)以上的物体都辐射红外图一、黑体辐射光谱曲线2能量，是红外测温技术的基础。在同一波长下，不同温度辐射的能量是不同的，温度越高辐射的能量越强，不同温度的辐射曲线永不会相交，利用此特性测量同一波长下的红外能量强度，即可测出该物体的温度，选择不同波长，其测温范围和精度是不同的。从图一可以看出短波段测量高温精度高，而长波段测量低温的精度高。雷泰公司用于水泥窑测温的扫描仪MP150HR，选择波长在3.5~4微米的区间测温，从上图可以看出在中低温段有较高的测量精度，MP150HR的测温范围在100~650℃。2.碲镉汞（HgCdTe）红外探测器碲镉汞红外探测器，又称MCT，是由碲、镉、汞三种半导体物质按一定比例混合，在金属衬底上涂一个10~20微米的涂层并经硬化处理，安装在微型热电制冷器冷端的表面，密封在一个金属壳内（见图二）。壳体顶端开有一个红外窗口，用白宝石密封，保证透光率在80%以上。探测器受到红外辐射时电导率会发生变化，在施加一定偏置电流的条件下，其输出的电信号会随红外辐射强度的变化而改变。碲镉汞红外探测器具有探测灵敏度高、响应时间快、覆盖波段宽、使用方便等特点。MCT探测器是红外扫描仪测温的关键元件。3.红外线扫描测温仪以雷泰公司的MP150HR为例来说明红外线扫描仪的结构和原理，见图三。MP150HR主要由光学、机械、电子三大部分组成，是一个光机电一体的精密仪器，所有部件被密封在一个铸铝的外壳内。光学部分由云母密封窗、反射棱镜、透镜和滤光片组成。高速旋转的棱镜将图二、红外传感器图三、MP150HR扫描仪结构原理图3从不同角度射来的红外线光反射到透镜，透镜将红外光聚焦后送到红外探测器。机械部分由高速步进电机、铸铝外壳组成，步进电机驱动棱镜高速旋转，采集不同角度辐射的红外光以及参考黑体辐射的红外光，铸铝外壳内置有冷却水管，主要起保护和散热作用。电子部分由红外探测器和控制电路组成，红外探测器将红外能量转为电信号，控制电路负责信号放大、数据转换、步进电机驱动，并与上位机通讯、完成数据交换等。三、红外线扫描测温系统红外线扫描测温仪只负责温度采集和数据转换，必须将所采集的数据送计算机分析处理后才能供窑操作员和工艺技术人员参考。窑胴体红外线扫描测温系统就是为完成上述功能设计的，主要由扫描测温仪、计算机、分析软件、控制箱、保护箱、同步传感器等组成。扫描测温系统应该具备2D温度图谱、3D温度图谱、轴向温度分析、高温报警、历史数据分析与查询等基本功能。四、CS2000窑胴体红外线扫描测温系统简介CS2000是广州华极电气技术有限公司于1996年开发，专用于水泥回转窑的国内第一套线扫描测温系统，其核心部件选用雷泰公司的MP系列线扫描仪，通过不断改进和创新，现已发展到V6.0版，经过14年的实际使用证明，是一个稳定可靠、免维护的回转窑测温系统。系统由MP150HR扫描测温仪、DellOptiplex计算机、测温分析专家软件、接口控制箱、同步触发器、位置编码器等组成，还有阴影地区温度检测、风机控制、轮带滑移监测等选配模块。1、快速线扫描仪MP150HRCS2000窑胴体扫描系统主体部件是扫描仪MP150HR，由美国雷泰（Raytek）公司制造，雷泰具有40多年专业生产红外测温仪的历史。MP150HR属于MP系列扫描仪的第四代产品，采用先进的光学棱镜转动线扫描技术，沿窑胴体轴线每秒可扫描150条线，是目前最快速的扫描仪，具有快速、非接触、精密的特点，每一块砖都至少有一点对应，并能适应各种转速的回转窑。42、同步成像实时温度显示智能的MP150线扫描仪加配计算机处理扫描数据，结合同步信号，可实时把整个窑体的温度分布和变化情况用彩色图像显示，窑每转一圈刷新一幅图像，从而达到同步成像。3、较高温度分辨率温度分辨率可达±2℃。高分辨率可以使得窑内部燃烧情况的任何变化而引起的局部耐火砖状况的变化，都可以及时地反映出来，便于操作人员准确了解和控制窑胴体的温度，结合软件预测温度变化趋势并采取相应的措施，避免事故的发生，减少不必要的停窑和耐火材料的更换，降低燃料和耐火材料的消耗，从而提高生产效率和效益。4、直观的图形显示该系统采用大量先进的算法和软件技术。计算机将完全数字化的测量数据图像化处理后，直观地将温度分布情况用2D、3D彩色图谱的方式显示出来，使温度、窑皮厚度可视化，操作员可以对整个窑热工状况做到“一目了然”，准确地了解窑胴体温度和窑皮厚度变化，判断窑的烧蚀情况，及时调整窑内的燃烧工况，使其达到最佳状态。5、快速准确定位用鼠标在2D温度图谱上移动，可以显示窑胴体任何一点的温度和坐标值。根据图像上显示的热点及其坐标，可以迅速准确地确定热点在窑胴体上发生的实际位置。6、灵活的多段分区监视和报警设定每条窑用户最多可设置48区的扫描监视带，并根据实际情况分别设定报警温度，各区的报警设置和最高、最低、平均值通过轴向温度分布曲线图显示。7、圆周方向温度差别显示窑胴体任一截面对应的圆周方向温度差别情况都可以显示出来，对于判断窑纵向圆周各点的温度差别简单方便。8、保存完整的文档和历史纪录计算机将每幅热图像、报警记录等保存在计算机内，方便随时查阅、调用和管理，对以后的分析、比较、决策提供依据。5窑扫描仪扫描仪窑9、温度趋势显示可显示窑胴体任何点的温度趋势，对预警耐火材料熔蚀有指导意义。10、打印功能、密码管理功能等可打印图像报表和数据报表，密码管理控制可以防止误操作。五、对线扫描仪几个主要技术指标的探讨与分析用户一般没有太多时间和精力对扫描仪结构和原理作过多深入细致的研究，有些销售商为了取得竞争优势，往往片面垮大一些参数和技术指标的作用，误导了一些用户，下面我们就对扫描仪的几个主要参数和技术指标作一些探讨分与析。1.扫描角度扫描角度又称视场角，是指扫描一条数据线时从扫描仪到第一点和到最后一点连线之间的夹角。不同厂家有不同的选择，有45°，90°、120°、140°几种规格，选多大的角度比较合适，是不是扫描角度越大就越好？从理论上讲，只有当被测物体表面与扫描仪镜头垂直时，测量效果才最好。下面所附图四是90°视场角安装示意图，图五是140°视场角安装示意图，两者都假设窑长为60米，以100∶1的距离系数的扫描仪为例。图四中，窑两端到扫描仪的距离是42米，探测斑点的直径是0.42米，由于扫描线与窑的夹角是45°，探测斑点的投影椭圆长轴=0.42/Sin(45°)=0.59米。图五中，窑两端到扫描仪的距离是32米，探测斑点的直径是0.32米，由于图四、90°视场角扫描仪安装示意图MP150HR扫描仪结构原理图图五、140°视场角扫描仪安装示意图6扫描线与窑的夹角是20°，探测斑点的投影椭圆长轴=0.32/Sin(20°)=0.94米。从上面分析看出，扫描角度越大，其探测点直径就越大，所以并不是角度越大越好，其实是越小越好，所以大多数扫描仪厂家将扫描角度限制在90°以内，LAND公司将其扫描仪最大角度限制在80°。用于造纸和扎钢的扫描仪一般选45°，雷泰公司扫描仪提供45°、90°两种角度供用户选择。2.扫描点数、扫描频率、距离系数的关系扫描点数要和扫描频率、距离系数一同综合考虑，描仪MCT探测器对红外辐射吸收响应时间和A/D转换时间决定了扫描仪单位时间内的扫描点数，其性能指标应以单位时间内的扫描点数来衡量，频率快，扫描点数就少，频率慢扫描点数就增加。如何合理安排每条扫描线的扫描点数，要视扫描仪距离系数而定，下面举两个例子来说明这个问题。例1、假设扫描仪距离系数为100∶1，扫描点数为5000点/线，窑长为60米，按照图四的标准安装方式，其在窑中部最小的探测热点直径是0.3米，两端的最小的探测热点直径是0.42米，取平均值0.36米，其实际有效点数=60m/0.36m=167点，虽然扫了5000点，其实很多点是重叠在一起的，重叠面积达97%。例2、假设扫描仪距离系数为1000∶1，扫描点数为1250点/线，窑长为60米，按照图五的标准安装方式，其在窑中部最小的探测热点直径是0.03米，两端的最小的探测热点直径是0.042米，取平均值0.036米，其实际有效点数=60m/0.036m=1670点，1250点-1670点=-420点，点与点之间存在间隙，将有部分地方可能探测不到。从上面例子分析可以看出，扫描点数与距离系数必须要安排在一个合理的范围之内，因为探测点是圆形的，相邻探测点最好有直径1/3的重叠，才能保证最好的测量效果，过多的重叠和不重叠都不可取。对于快速移动的物体，扫描频率的快慢决定了沿物体运动方向两扫描点之间的距离。随着水泥工艺越来越发达，回转窑直径不断增大，转速不断加快，窑表面的线速度也变得越来越快，较快的扫描频率是必须的。3.通讯方式随着扫描频率提高和扫描点数的增加，扫描仪传输数据倍增，传统的7RS232/RS485通讯的方式已不能满足要求，采用以太网TCP/IP通讯可以达到条件。