CN102297723A - 一种适用于高温环境的在线光学测温装备和组网测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学测温仪器，及其适用于在焦化炉顶，安装在立火道口，测量燃烧室温度的装备和方法。其特征是：有一个取代立火道小炉盖的，安装红外测温光学探头的基座；一根配套的长臂光学瞄准杠杆，作为调节瞄准炉内特定测点的专用工具；一套光纤红外测温仪，一个冷藏室，以及一个在炉顶架空安置冷藏室的框架。本发明的特点是：在贴近焦炉高温炉面的工况条件下，能精确瞄准和锁定炉内特定测点，节减和省略大量炉顶线缆，长期可靠在线工作；其安装、调试和维护方便；在工业先进性和实用性上，超越现有技术。

Description

一种适用于高温环境的在线光学测温装备和组网测量方法

技术领域

本发明涉及一种适用于安装在焦化炉顶立火道上的，在线光学测温装备和多传感器节点的组网测量方法，属于光学测温和焦炉热控的工业自动化领域。

背景技术

焦炉立火道的温度测量，目前有红外便携式人工测温，热电偶在线测温和红外线测温三种方式。

现有技术的不足和缺点：

一、用便携式红外测温仪，人工瞄准火道底部的鼻梁砖或焦炉煤气燃气孔测温，传统而普及，但每4小时循环测量一次，不便于实现焦炉加热的计算机调控。并且，要在将近7-10米（不同炉型）的测距，精确瞄准和按键储存上百个测点温度，得有射击打靶的专业水准，工人劳动强度大，实际测量结果的准确性和可信度难以控制。

二、在线式测温，便于实现焦炉加热的计算机调控。通常采用从蓄热室顶部插入热电偶，以蓄顶温度再换算火道温度，由于换算的数学模型不够完善，炉况变化时，误差就大。宝钢三期焦炉引进日本的热控技术，用热电偶测量直行标准火道的上层温度，这比蓄顶温度来得直接，但其横排，还是用人工测量火道底部的鼻梁砖温度，需要补正，因此，在校对和比较时，会有补正误差。另外，高温热电偶的保护套管在火道中容易碎裂，断落的碎管会影响燃烧室底部的燃气加热。还有，炉顶大量热电偶传输线的铺设，贵金属热偶的消耗更新，运行维护费用昂贵。

三、用红外在线测温，理论上没有损耗，与传统普及的人工测量方法相近，测量点可以相同，有利于校对，比较。国内从2006年初起，尝试使用该方法，但测量的装备和方法还在逐渐完善和成熟的过程中。某实用新型专利申请于2006年5月，未见按专利所述实施，数个煤焦化企业率先在现场采用的是某研究所设计、生产，型号为XTIR-F915的光纤红外测温仪，至2010年底，数量有百多套。仪表探头的安装，是用螺丝将探头法兰固定在中心打孔的立火道小炉盖上，前批次探头高出炉盖平面约130mm，后批次约40mm左右，要跪倒在约150℃的炉面砖上，弯腰低头贴近约200℃的小炉盖，才能通过光学探头去目视瞄准炉内测点；不确定小炉盖中心与火道底部测量点是否在一条同轴垂线上，不能保证小炉盖完全水平放置并纹丝不动，肉眼可以见到火道底部有红色亮暗的温度偏差；因此，探头瞄准角度的任何微小变化，其7-9米以外的测点和测量值就会有较大偏差。2008年到2009年的某焦炉节能攻关项目，用上述测温仪器，得出“焦炉全自动红外测温系统测温点与目前三班测温完全相同，测温误差不大于±2℃”的结论。当工业红外温度计校准用的黑体源，在实验室条件下，其1300℃的不确定误差还允许为“±2℃”时，当三班测温，即便对同一火道，在同一时间，用同一台测温仪，连续几次测量值的重复性误差“不大于±2℃”也无把握时；当“全自动红外测温系统”的数台仪表，对“完全相同”的“系统测温点”，现场用的发射率修正值竟然不相同时；显然结论超越了其现有技术所能做到的程度，只能是一种人为修饰的表象。另一方面，无论是现有热电偶还是红外在线测温，要在高温炉顶铺设和维护大量的长线缆或长光纤，施工和维护都很麻烦。

四、燃烧室是从底部燃气孔向上燃烧加热的，炉内等温线随高度变化；现有红外测温技术，测量的是火道底部鼻梁砖或焦炉煤气孔口的温度，热电偶测量的是火道上层的空气温度或蓄热室顶部空气的温度；在表征燃烧室温度时应该不是最佳测点。

发明内容

本发明的任务是提供能同时解决下列问题的总体技术方案：

方便瞄准和精确锁定测量目标，节减或省略大量铺设的传输光纤和线缆，选择和建立一个能表征燃烧室温度的合理测点。

本发明采用的技术方案的主要特征是：

A）一个取代立火道小炉盖的，安装并可精确调整和锁定光学探头测量指向的基座。

B）   一根长臂瞄准杠杆，作为专用工具，使光学探头能方便瞄准到炉内特定测点；同时，可具有测温功能。

C）   一个光纤红外测温探头，一根短距离传输光纤，和一个冷藏室，使红外测温传感器，电路模块和工作电池，在高温炉顶能长期正常工作。

D）  采用多节点有线组网测量方法，在机侧和焦侧两排标准火道上，各采用一条电源总线和一条信号总线。

E）   在机侧和焦侧两排标准火道上的终端测温节点带无线通讯功能和自供电，设立一个总的网关节点。建立点对多点的一个ZigBee无线传感器测温网络。

F）   从立火道口向下可瞄准到的，在与碳化室中焦饼中心高度对应的燃烧室墙上，建出一个能合理表征燃烧室温度的新测点。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1）  瞄准精确：安装人员可以站在高温炉顶，轻松撬动长臂光学瞄准杠杆，找到炉内特定测点；拔出杠杆后，目标自动锁定，不会偏离；可方便换装红外测温探头。可操作性和瞄准精度高。

2）  测量快捷：带翻盖的基座，经第一次瞄准锁定后，后续测量，只要打开翻盖，插入长臂光学瞄准杠杆，即可显示和存储与前一次测量完全相同的测点的温度，横排火道人工测温可因此变得方便、快捷、精确。

3）  节减线缆：仅以有线组网测量为例，终端测温节点都挂接在机侧或焦侧的一条电源总线和一条信号总线上；施工、维护方便，节减大量光纤、线缆。

4）  低成本运行：与贵金属热电偶测温相比，红外测温理论上没有损耗；与超长光纤和线缆传输相比，一段短光纤损坏的概率很小，运行维护成本低。

5）  便于推广：以ZigBee无线传感器网络测量为例，只要替换一个立火道小炉盖，就可进行点对点的现场测温和传输，立竿见影的演示效果，便于推广应用。

6）  测点合理：从立火道口向下可以看到的新建测点，与同高度燃烧室墙面温度，最为接近；与隔墙的碳化室焦饼同高度处的中心温度也最为接近。

7）  有助于焦炉热控：上述新建测点与同高度燃烧室墙面、碳化室墙面、焦饼表面的对应点的温度，依次传导，最为接近；因首尾两点温度可方便实测，燃烧室和碳化室之间的隔墙厚度、墙砖热导系数可知，装煤，加热，火落和出焦时间点可知或可测；所以，建立加热过程的数学模型，会更完善、精确，有助于焦炉的计算机热控。

附图说明

图1.本发明的光学测温装备和用于焦化炉立火道测温的示意图；

图2.在焦化炉顶有线组网测量的电源和信号二总线制方法的示意图；

图3.在焦化炉顶无线组网测量的点对多点的ZigBee方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的描述。

如图1.所示，一个替代立火道小炉盖的红外光学测温探头安装基座（100），下层（101）用膨胀螺丝（109）固定在炉顶砖上，上层（102）靠3个均布的压簧和螺丝（103）与下层（101）连接，弹性夹持中间的一个带窥视管（106）的球体（105）；作为工具的瞄准杠杆（500），上端是一个目镜、物镜后调焦的光纤红外测温探头（501），以下是一根长约1.6米左右窥视管（502），管下端有斜楔面（503）便于插入基座中的窥视管（106），两管的内、外径同轴滑配，杠杆窥视管（500）有一个径向台阶（504）限定插入深度。撬动杠杆（500），使基座（100）内的球体（105）转动，改变窥视管（106）的炉内指向，瞄准特定测点，夹持在瞄准杠杆（500）上的便携式光纤红外测温仪（505），可显示和存储测点温度。拔出杠杆（500）后的球体（105）靠压簧（103）自动锁定，为保险起见，还可用3个均布的螺丝（109）将球体（105）锁死，随后插入红外测温探头（201），用环扣（108）锁合二片连接法兰；如果，用于人工测温，以后只要打开翻盖，插入杠杆（500），不用再瞄准，即可快捷准确地完成测温。

如图1.所示，一个双层不锈钢真空冷藏室（300），其内壁与所放置的物件之间还有填充的柔性气凝胶保温层（301）。一块金属冷凝板（604）将内部空间隔离为上下两层，上层紧贴冷凝板（604）放置半导体制冷器（600），其热面向上，与平板环路热管散热器的蒸发器（601）紧贴，并通过热管（602）将其冷凝器（603）引出盒外。下层贴近冷凝板（604）安装红外测温传感器（203）、电子模块（204）和工作电池（205）。电缆、光纤和热管等，从盒盖的一面引出，该面的气凝胶保温层（302）和外层金属护件，为拼图模块状，安装时，管线嵌在相邻两块拼缝的预留孔内。冷藏室（300）架空放置在一个金属框架（400）内，框架上层置遮阳板（401），其上表面有反热辐射涂层，框架下层置架空的炉面热辐射挡板（402），其下表面有反热辐射涂层。

如图1.所示，无线组网测温时，冷藏室（300）内的测温电子模块（204）有引出天线（206），增加了无线通讯功能，金属框架（400）的上层多了太阳能电池板（800），下层多了一块与炉面接触的半导体温差发电模块（600）组件，组件包括金属均热板（604），平板环路热管散热器（601,602,603），上述装备成为一个无线终端测温节点。

如图1.所示，本发明设置一个合理表征燃烧室温度的新测点：在碳化室焦饼高度的中心线和隔墙燃烧室立火道中心垂线相交的对应点位置，从燃烧室的两边墙面上各砌出一截U型砖槽（902），槽口向上，拖住一根横跨的硅碳棒（900），从立火道口向下，可瞄准到其中间部分（901）测温，要求硅碳棒（900）不阻挡看到底部的鼻梁砖（903）和焦炉燃气口（904）。这样，便于选择新的或传统的测点，进行测量和校对比较。

如图2.所示，有线组网测温时，在机侧和焦侧两排标准火道上排列的有电子编码序列号的每个终端测温节点的冷藏室（300）内引出的电源线和信号线接在电源总线（L1）和信号总线（L2）上，组成多节点双总线制有线测温网络，所有上传信号汇集于现场总节点（001），组成一个现场有线测温网络，由现场总节点（001）与上位机（002）进行无线通讯。

如图3.所示，无线组网测温时，在机侧和焦侧两排标准火道上排列的有电子编码序列号的每个终端测温节点带无线通讯功能，有通讯天线，有独立的太阳能电池板和温差发电模块供电，一个现场网关节点（001），组成点对多点的一个ZigBee无线传感器测温网络；由（001）与上位机（002）进行无线通讯。

Claims (10)

1.一种适合用在焦化炉顶，安装在立火道口，精确瞄准和锁定特定测点，测量燃烧室温度的光学测温装备和在线组网测量的方法，每一个终端测温节点的基本装备是：一个安装探头的基座（100），一套光纤红外测温仪（200），一个冷藏室（300），以及一个在炉顶架空安置冷藏室（300）的框架（400）；上百个这样的有电子编码序列号的终端节点，在焦化炉顶的两侧标准火道上安置，组成一个在线测温网络；

所述的红外测温装备，其结构特征是：有一个取代立火道小炉盖的，并可调整和锁定其所带窥视管（106）的测量指向的基座（100）；在窥视管（106）的上端，安装有一个小翻盖（107），用于人工测温，插入安装光学探头（201），则用于在线测温；

所述的红外测温装备，其结构特征是：有一根专用的长臂瞄准杠杆（500），它是一个目视光学测温瞄准器（501），接一根长臂窥视管（502），用于插入和撬动基座中的球体（105）使其转动，以改变基座窥视管（106）的测量指向，杠杆（500）上夹持一个便携式光纤红外测温仪的信号处理显示盒（505），与上端的光学测温瞄准器（501）用短光纤相连，除用作撬动工具外，同时可用作测量工具；

所述的红外测温装备，其结构特征是：红外测温传感器（203）和智能电路模块（204）及工作电池（205）安装在一个冷藏室（300）中；

所述的红外测温装备，其结构特征是：冷藏室（300）带有半导体制冷器（600），确保在外界高温环境的长期影响下，盒内温度对红外测温传感器（203），电子模块（204）和工作电池（205）的工作始终是合适的；

所述的红外测温装备，其用于燃烧室温度测量的方法的特征是：除可按常规测温方法，瞄准火道底部的鼻梁砖或焦炉煤气孔外，本测量方法新建一个特定测点，即从立火道口往下，可瞄准到架设在燃烧室两边炉墙上的一根耐高温管材（900）进行测温；

所述的红外测温装备，其无线组网测量的特征是：各终端测温节点带有天线（305），具有无线通讯功能，并有一块太阳能电池板（800）和一块炉顶温差发电模块（700），为电池（205）充电和为冷藏室内的制冷模块（600）供电；

所述的红外测温装备，其无线组网测量的特征是：焦化炉顶机侧和焦侧两排上百个终端节点，与一个网关节点（001），在焦化炉顶组成一个一点对多点的ZigBee无线测温传感器网络；

所述的红外测温装备，其有线组网测量的特征是：各终端测温节点挂接在焦炉机侧或焦侧的一条电源总线（L1）和一条信号总线（L2）上，分时上传测量的温度值和获取工作电流；

所述的红外测温装备和测量方法，不受在焦化炉顶使用的局限，凡在类似的工况环境中，贴近热源，调整探头精确目视瞄准测量目标有困难的，在无法通水、通气冷却的情况下，测温仪的传感器和电路模块需要隔热和冷藏保护才能正常工作的，大用量高温线缆光纤铺设要求节简的使用场合，采用上述装备和测量方法，均属本发明要求的权利范围。

2.根据权利要求1所述的光学测温装备的安装基座（100），其结构特征是：有上下二层（101和102），用3个均布的压簧和螺栓（103）连接，弹性夹持中间的一个带窥视管（106）的球体（105）；基座（100）在焦化炉顶立火道口代替小炉盖安装，其下层（101）靠膨胀螺丝（109）固定在炉面砖上；基座下层（101）与球体（105）接触的中心环孔为有耐高温自润滑涂层的内球面，与球体（105）表面密封吻合；基座的窥视管（106）上端的法兰平台带有一个小翻盖（107），适用于人工红外测温；打开翻盖（107），插入安装红外光学探头（201），将两个对接法兰用环扣（108）锁合，则用于在线测温。

3.根据权利要求1所述的光学测温装备的长臂光学瞄准杠杆（500），其结构特征是：一个目视光学瞄准器（501），连接一根有一个有径向台阶（504）和下端楔面（503）的长窥视管（502）；瞄准器（501）可作为光纤红外测温仪的光学探头，与夹持在窥视管（502）上的便携式光纤红外测温仪的信号处理显示器（505）用光纤连接，具有杠杆和测温的双重功能。

4.根据权利要求1所述的光学测温装备的冷藏室（300），其结构特征是：一个双层不锈钢真空冷藏室（300），内壁与所放置的器件之间有柔性气凝胶填充层（301,302）；线缆、光纤和制冷器散热管，从盒盖的一面引出，该面的气凝胶保温层（302）和外层金属护件，为拼图模块状，安装时，管线嵌在相邻两块拼缝的预留孔内穿过。

5.根据权利要求1所述的光学测温装备的冷藏室（300），其结构特征是：有一块金属冷凝板（604）将内部空间隔离为上下两层，上层紧贴冷凝板放置半导体制冷器（600），其热面向上，与平板环路热管的蒸发器（601）紧贴；下层贴近冷凝板（604）安装测温传感器（203）、电子模块（204）和可充电的工作电池（205）。

6.根据权利要求1所述的光学测温装备的金属框架（400），其结构特征是：框架（400）中间架空放置冷藏室（300），框架（400）上层置遮阳板（401），无线测温时，加太阳能电池板（800），框架下层置架空的炉面热辐射挡板（402），无线测温时，加炉顶半导体温差发电模块（700）组件。

7.根据权利要求1所述的光学测温装备的半导体温差发电模块（700）和半导体制冷模块（600），其结构特征是：模块的上层带有小型高效的平板环路热管散热器组件（601,602,603或701,702,703），模块的下层带有一块金属导热基板（604或704）；发电模块（700）供电给制冷模块（600），发电和制冷模块的面积比一般采用3:1到8:1为宜。

8.根据权利要求1所述的光学测温装备，其有线组网测量的特征是：有电子编码序列号的上百个终端测温节点，在机侧和焦侧的直行标准火道上排成二行，每侧配置一条电源总线（L1）和一条信号总线（L2），各节点依次分时与上位机通讯，传送数据和取电。

9.根据权利要求1所述的光学测温装备，其无线组网测量的特征是：各终端测温节点有天线（305），带无线通讯功能，以及太阳能电池板（800）和温差发电模块（700），另用一个网关节点（001）在炉顶组成点对多点的一个ZigBee无线传感器测温网络。

10.根据权利要求1所述的光学测温装备和测量方法，其建立的新测温点的特征是：在对应于碳化室焦饼高度中心的燃烧室两边炉墙上各砌出一截凸出的U形槽砖（902），槽口向上，架住一根硅碳棒（900），从立火道口往下能瞄准到其中间部分（901）进行测温。

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