CN103808412B - 一种炉膛工件测温装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种炉膛工件测温装置及方法，主要用于热加工领域的工业炉炉膛工件表面温度场在线测量。本发明装置一种炉膛工件测温装置包括具有冷却保护套管的红外光内窥镜镜头组、高温烟气滤光片、红外热成像探头、镜头组自动旋转进退机构、红外热成像测温主机和监视显示设备及接触式工件表面温度测温计等部件，共同构成炉膛工件表面温度场红外热成像测温系统装置及其测温方法。本发明中红外热成像镜头组带有高温烟气滤光片，可有效滤除高温烟气对炉膛内工件表面温度屏蔽效应。通过热像素温度系统误差修正算法，有效消除系统误差，提高了测温精度。
Description
技术领域
本发明涉及工程检测技术领域，尤其涉及一种炉膛工件表面温度场红外热成像测温方法及其装置。
背景技术
在热加工工业实际生产过程中，炉膛内部被加热工件表面温度分布，尤其是直火式管式加热炉的炉管壁面温度分布一直是人们关心的重要技术指标。因此，多年来人们一直致力于解决这个问题。传统的炉管壁面温度监测方法是在炉管表面埋入热电偶，此方法仅仅能够检测到所埋点的炉管壁温，无法监测炉膛内加热工件如炉管、管架等内件的整体受热状态。这种接触式测温方法虽然测量精度较高，但是在强氧化、高温烟气环境中使用寿命很短，有的几天就翘起失效，因此无法在整个运行周期内，实现对炉管壁温(埋入点)在线检测。
近年来随着红外热成像测温技术的快速发展，有人尝试使用非接触的红外定点测温方法和红外热成像法，对炉管外壁温度进行测量。但由于工业炉炉管处于高温火焰环境的炉膛内，仅仅局限于从炉子看火孔外观测。这种方法无论使用光电高温计还是使用红外热像仪也只能检测到很少几根炉管的局部壁面温度，即测温视场受限，观测到的炉膛工件热图像极其有限；其次对于直火式管式加热炉，由于整个炉膛都弥漫着高温烟气，炉管被高温烟气包围着，炉管表面的红外辐射被高温二氧化碳气体辐射所笼罩。因而单纯使用非接触红外测温仪测量，结果误差非常大。本发明针对以上问题提出：一种接触与非接触相结合的炉膛工件表面温度场红外热成像测温方法及其装置，实时监测炉膛内整个炉管管壁受热情况，以实现对炉膛内工件(如炉管)表面温度场的大范围、宽视角在线精确测量。
文献《南京化工大学报》第21卷第6期“工业炉管温度的红外成像测试方法”公开了一种通过看火孔外架设红外热像仪的方法，对工业管式加热炉炉管温度分布进行检测及其误差校正的方法。此方法没有内窥式红外透镜组，仅仅局限于从炉子看火孔观测，只能使用红外热像仪检测到很少几根炉管的局部壁面温度。由于没有伸入炉膛内的红外观测内窥镜，因而不能观测整个炉膛内炉管温度分布。且系统没有设接触式点温计对红外热像测温进行误差校正，测温误差大。
中国专利CN201607278U公开了一种通过看火孔安装内窥镜保护套管将红外热像仪和可见光摄像机同时安装于其保护套管内的方法对工业管式加热炉炉管温度分布进行检测的方法。此方法虽然在保护套管内设置了窥镜组，但是其透镜组同时接收红外和可见光是不可能的，即使只设红外透镜其对被测炉管的红外辐射的衰减也非常大，因此测量误差很大。该专利没有设置高温烟气滤光片，不能排除烟气对炉管的热屏蔽效应，其测温结果不能反映炉膛内炉管表面温度分布的真实情况。另外，由于系统没有设置接触式点温计对红外热像测温进行误差校正，这种测量方法同样测温误差很大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现对炉膛内工件表面温度场的大范围宽视角在线测量，并且实现红外热成像测温的精确测量。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种炉膛工件测温装置，包括带冷却保护套管的红外光内窥镜镜头组、烟气滤光片、红外热成像探头、探头温度自动冷却控制部件、镜头组自动旋转进退机构、红外热成像预处理机、红外测温主机、以及接触式工件表面温度测温计，所述带冷却保护套管的红外内窥镜镜头组安装在加热炉炉墙的看火孔内，红外内窥镜镜头组安装在冷却保护套管的内层套管中，所述红外内窥镜镜头组前端安装有温度传感器，镜头组后端与红外热成像探头间是烟气滤光片，所述镜头组自动旋转进退机构固定在炉膛外壁的壳体上；所述冷却保护套管与探头温度自动冷却控制部件相连；所述红外内窥镜镜头组与自动旋转进退机构连接在一起；所述红外热成像预处理机通过信号传输电缆分别与红外热成像探头、镜头组自动旋转进退机构以及探头温度自动冷却控制部件相连，红外热成像预处理机通过红外图像远传光缆与红外测温主机相连；所述接触式工件表面温度测温计测量后的数据传输到红外测温主机。
本发明一种炉膛工件测温装置，其进一步特征在于：冷却保护部件的红外热成像镜头组是由多片透红外光学玻璃镜片构成。红外热成像镜头组带有烟气滤光片。可有效滤除高温烟气对炉膛内工件(如炉管)表面温度屏蔽效应。
本发明一种炉膛工件测温装置，其进一步特征在于：所述红外内窥镜镜头组的镜头前端安装有温度传感器。可通过预处理主机对冷却介质流量调节，保持内窥镜内温度稳定，有效保护红外镜片，保障测温精度。该装置还带有自动旋转进退机构，可完成镜头组超温等一系列自动进退炉膛、旋转观测、扩大测量镜头的视场角动作。
本发明一种炉膛工件测温装置，其进一步特征在于：所述冷却保护套管为多层，最好为三层夹套结构，最内层安装红外内窥镜镜头组。
本发明一种炉膛工件测温装置，其进一步特征在于：所述探头温度自动冷却控制部件通过连接气管与冷却保护套管相连。
本发明一种炉膛工件测温装置，其进一步特征在于：所述探头温度自动冷却控制部件为压缩空气冷却系统，冷却介质为冷却空气，通过流量调节阀进行调节。
本发明一种炉膛工件测温装置，其进一步特征在于：所述冷却介质自冷却保护套管的中层套管流入，从外层套管流出。
本发明一种炉膛工件测温装置，其进一步特征在于：具有管壁热像素温度系统误差修正算法。该算法通过接触式管壁测温计测得的温度与红外热像系统测得的温度进行失真修正而还原出真实的红外温度场热图像。
本发明一种炉膛工件测温方法，由以上所述的炉膛工件测温装置进行测量。该测温方法是通过将接触测温与非接触红外测温相结合而构成的一套炉膛工件测温方法，具体是用接触式点温计测得的温度对炉膛工件非接触红外测温测得的同点温度进行系统误差校正，并对高温烟气滤除后的测温结果进行修正，从而提高了炉膛内工件表面红外测温的精确度。
具体方法是：在加热炉炉墙恰当位置的看火孔内安装该测量系统的带冷却保护套管的红外内窥镜镜头组，炉膛内被测工件(如炉管)表面红外热辐射经烟气滤光片后传输到设于冷却保护套管尾部的红外热成像探头的红外焦平面上进行成像，再通过红外热成像预处理机转换成温度场热图像，并将其测得的炉管表面红外热图像通过传输光缆传输到红外测温主机中，同时通过接触式工件表面点温计将被测炉管表面校正点的温度测量信号也送到红外测温主机上，通过红外测温主机校正程序，以接触式工件表面点温计的测量值为基准对同一测量点热像温度进行修正。根据红外辐射和环境干扰、透镜组衰减等误差具有各向同性的特征，还原被测炉管红外热像图的真实温度分布，同时消除了炉内高温烟气干扰、红外透镜组衰减造成的系统误差。
与现有的测量方法相比本发明有以下几个有益效果：
第一、将接触测温和非接触红外测温有机结合而构成一套完整的炉膛内工件测温新方法。该综合测温方法发挥了接触测温精度高和非接触红外热成像测温视场大的特点，实现了整个工件表面温度场的精确测量。
第二、内窥镜套管温度可通过冷却介质流量调节，保持内窥镜内温度稳定，有效保护红外镜片，保障测温精度。红外光内窥镜镜头套管通过自动进退机构，可完成镜头组超温等一系列自动进退炉膛、旋转观测、扩大测量镜头的视场角动作。
第三、红外热成像镜头组带有烟气滤光片，可有效滤除高温烟气对炉膛内工件(如炉管)表面温度屏蔽效应。通过热像素温度系统误差修正算法，有效消除系统误差，进一步提高了测温精度。
附图说明
图1是本发明一种炉膛工件测温装置的结构图。
图中所示附图标记为：1是带冷却保护套管的红外光内窥镜镜头组，1-1红外光内窥镜镜头组，1-2三层冷却保护套管，1-3烟气滤光片，1-4看火孔隔热密封板；2是镜头组自动旋转进退机构，2-1进退机构支架，2-2驱动电机，2-3牵引机构2-4定位部件，2-5是自动旋转进退装置支撑连接件，2-6内窥镜进退连接件；3红外热成像预处理机，3-1红外热成像探头，3-2信号传输电缆，3-5红外图像远传光缆；4压缩空气冷却系统，4-1流量调节阀，4-2减压组合件，4-3连接气管，4-4冷却空气出气口；5是红外测温主机；6是接触式工件表面点温计；7是炉内被测工件；8是炉膛内壁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。附图和具体实施方式并不限制本发明要求保护的范围。
该炉膛工件红外测温系统装置是这样构成的。红外透镜组1-1安装于冷却保护套管1-2内部，套管1-2为三层夹套结构，最内层安装多片红外透镜并在前端镜片内安装有温度传感器1-5；冷却空气自中层套管流入，从外层套管流出。自动进退机构由支撑连接件2-5固定于炉膛外壁8的壳体上。红外光内窥镜镜头组套管1-2与自动进退机构通过器件2-6相连。隔热密封板1-4与炉壁8看火孔相连；压缩空气冷却系统4通过连接气管4-3与冷却套管进气口相连。内窥镜进退装置2与红外热成像预处理机3通过连接电缆3-3相连；红外热成像探头3-1与预处理主机3通过3-2信号传输电缆相连。红外热成像预处理机3通过光缆3-5与红外测温主机5相连。
该炉膛工件红外测温系统装置的工作过程是：该发明主要用于透过炉膛高温烟气测量炉内被加热工件(如炉管)的外壁温度场分布状况。使用时，将带冷却保护套管的红外光内窥镜镜头组1插入加热炉的看火孔并伸入炉膛内。被加热工件7(如炉管)的外壁发出的红外辐射能经过耐高温内窥镜1-1和烟气滤片1-3汇聚到热成像探头3-1的感温焦平面上，焦平面上的红外阵列传感器将接收的红外辐射场能转换对应的阵列图像信号，经由传输电缆3-2传给红外热成像预处理机3-4，再通过光缆3-5传给红外测温主机5；经由红外测温主机的图像处理软件转换成与被测管壁温度分布对应的温度场热像图(期间与接触式工件表面点温计6测得的温度进行比较修正)，并进一步显示和记录保存。与此同时，冷却空气经由流量调节阀4-1、减压组合件4-2、连接气管4-3进入内窥镜夹套管对其进行冷却最后经排除口4-4排出；在此期间安装于前端镜片内的温度传感器1-5对镜头内的冷却温度进行监测，并驱动调节阀4-1对冷却空气进行调节，使其稳定在设定的温度范围内。当温度超过其极限温度时，通过红外热成像预处理机3对内窥镜进退装置2发信号，通过自动进退机构2将高温红外内窥镜1退出炉外，保护红外内窥镜镜头不会过热烧坏。
Claims (7)
1.一种炉膛工件测温装置，包括带冷却保护套管的红外内窥镜镜头组、烟气滤光片、红外热成像探头、探头温度自动冷却控制部件、镜头组自动旋转进退机构、红外热成像预处理机、红外测温主机、以及接触式工件表面温度测温计，其特征在于：所述带冷却保护套管的红外内窥镜镜头组安装在加热炉炉墙的看火孔内，红外内窥镜镜头组安装在冷却保护套管的内层套管中，所述红外内窥镜镜头组前端安装有温度传感器，镜头组后端与红外热成像探头间是烟气滤光片，所述镜头组自动旋转进退机构固定在炉膛外壁的壳体上；所述冷却保护套管与探头温度自动冷却控制部件相连；所述红外内窥镜镜头组与自动旋转进退机构连接在一起；所述红外热成像预处理机通过信号传输电缆分别与红外热成像探头、镜头组自动旋转进退机构以及探头温度自动冷却控制部件相连，红外热成像预处理机通过红外图像远传光缆与红外测温主机相连；所述接触式工件表面温度测温计测量后的数据传输到红外测温主机。
2.根据权利要求1所述的炉膛工件测温装置，其特征在于：所述冷却保护套管为三层夹套结构，最内层安装红外内窥镜镜头组。
3.根据权利要求1所述的炉膛工件测温装置，其特征在于：所述探头温度自动冷却控制部件通过连接气管与冷却保护套管相连。
4.根据权利要求1所述的炉膛工件测温装置，其特征在于：所述探头温度自动冷却控制部件为压缩空气冷却系统。
5.根据权利要求4所述的炉膛工件测温装置，其特征在于：所述压缩空气冷却系统用冷却介质为冷却空气，通过流量调节阀进行调节。
6.根据权利要求5所述的炉膛工件测温装置，其特征在于：所述冷却介质自冷却保护套管的中层套管流入，从外层套管流出。
7.一种炉膛工件测温方法，其特征在于：由权利要求1-6任一所述的炉膛工件测温装置实现炉膛工件温度测量，具体方法是：炉膛内被测工件表面红外热辐射经烟气滤光片后传输到设于冷却保护套管尾部的红外热成像探头的红外焦平面上进行成像，再通过红外热成像预处理机转换成温度场热图像，并将其测得的工件表面红外热图像通过传输光缆传输到红外测温主机中，同时通过接触式工件表面温度测温计将被测工件表面校正点的温度测量信号也送到红外测温主机上，通过红外测温主机校正程序，以接触式工件表面温度测温计的测量值为基准对同一测量点热像温度进行修正。
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