CN104897284A - 一种炉膛工件表面测温装置和测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种炉膛工件表面测温装置，主要由内窥镜测温探头、循环冷却系统、热成像系统、终端热像处理系统和支撑调节系统组成；热成像系统一端与内窥镜测温探头相连，另一端与终端热像处理系统相连，热成像系统安装固定于支撑调节系统上；内窥镜测温探头上设有循环水入口和循环水出口，循环冷却系统通过管路分别于与内窥镜测温探头的循环水入口和循环水出口相连通。采用本发明的测温装置可以对多种形式的直火式炉膛内炉墙、工件管壁实施检测，也可以实现对炉膛内工件表面温度场的大范围宽视角热成像测量。同时本发明还公开了一种采用本发明的测温装置进行测温的测温方法。

Description

一种炉膛工件表面测温装置和测温方法

技术领域

本发明涉及工程检测技术领域的炉膛测温装置和测温方法，具体地说涉及一种炉膛工件表面测温装置和测温方法。

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炉膛内被加热工件表面温度分布的测量问题。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，无法监测炉膛内被加热工件(如炉管、管架等内件)整体受热状况。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，无法实现炉内管壁温的可靠检测。近年来红外热成像测温技术的快速发展，人们尝试使用非接触的红外测温方法(如红外光电高温计)和热成像法(红外热像仪)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，也仅仅局限于从炉子看火孔外观测，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。但是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、水蒸气辐射所笼罩。使用这种非接触红外测温仪测量环境的随机误差非常大，且无法用固定的方式修正。近年来随着红外光电技术的快速发展，有通过高温内窥镜观测炉内火焰的看火电视的实例，但也仅仅局限于定位观察火焰情况，不能灵活观测炉内各个方位的加热工件的受热状况，也不能进行大范围红外测温，而且这样的系统同样存在上述的测量误差太大的缺点。

《南京化工大学学报》(第21卷第6期，1999年11月)刊登的“工业炉管温度的红外成像测试方法”和《红外技术》(第23卷第2期，2001年3月)刊登的“工业炉管温度的红外成像测试方法”两篇论文分别叙述了通过看火观测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。此方法没有潜望式红外透镜组，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。没有红外观测内窥镜伸入炉膛内，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。

专利CN201607278U公开了一种“炉管在线热像表面温度测量装置”，该专利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。该专利公开的装置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工件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，由于该装置没有设置接触式点温计对红外热像测温进行误差校正，这种测量装置同样测温误差很大。

发明内容

为了克服以上接触式测温和固定式非接触热像测温的缺点，本发明提供了一种炉膛工件表面测温装置和测温方法。采用本发明的测温装置和测温方法可以对多种形式的直火式炉膛内炉墙、工件(如炉管)管壁实施检测，也可以实现对炉膛内工件(如炉管)表面温度场的大范围宽视角热成像测量。

本发明提供的一种炉膛工件表面测温装置主要由内窥镜测温探头、循环冷却系统、热成像系统、终端热像处理系统和支撑调节系统组成；热成像系统一端与内窥镜测温探头相连，另一端与终端热像处理系统相连，热成像系统安装固定于支撑调节系统上；内窥镜测温探头上设有循环水入口和循环水出口，循环冷却系统通过管路分别于与内窥镜测温探头的循环水入口和循环水出口相连通。

所述的内窥镜测温探头主要由火焰滤光片、内窥透镜组、透镜组保护套管、水冷内套管和水冷外套管组成；；火焰滤光片和内窥透镜组安装于透镜组保护套管内，沿透镜组保护套管的轴线方向由最右端向左依次设置；透镜组保护套管、水冷内套管和水冷外套管三个套管管径依次增大，长度依次变短，呈水平同心环嵌套布置，三管组成同心环管；同心环管的左端按透镜组保护套管、水冷内套管和水冷外套管的顺序依次向右缩进，透镜组保护套管的左端位于最左侧，水冷外套管的左端位于最右侧，三管彼此间通过外层管子的左端部与内层管子的外壁相焊接形成密封连接；同心环管的右端按透镜组保护套管、水冷外套管和水冷内套管的顺序依次向左缩进，透镜组保护套管的右端位于最右侧，水冷内套管的右端位于最左侧，三管彼此间通过位于同心环管右端的套管封头密封连接；

透镜组保护套管外壁和水冷内套管内壁之间形成内层环形空间，水冷内套管外壁和水冷外套管内壁之间形成外层环形空间，内层环形空间和外层环形空间通过设在水冷内套管右端沿圆周均匀分布的一圈导流孔相连通；在水冷内套管左端的管壁上设有循环水入口，在水冷外套管左端的管壁上设有循环水出口，循环水入口、内层环形空间、外形环形空间和循环水出口依次连通构成内窥镜测温探头的冷却水路。内窥镜测温探头主要用于接收炉膛内被加热工件发出的红外辐射并将其传输至热成像系统，冷却水路主要用于给内窥镜测温探头降温，以保护内窥透镜组免受炉膛高温烘烤，使其工作于适当的温度范围内。

所述的循环冷却系统主要由进水管、循环水制冷器、加压泵和出水管组成，进水管与内窥镜测温探头冷却水路的循环水出口相连通，出水管与内窥镜测温探头冷却水路的循环水入口相连通。循环冷却系统主要用于冷却循环水，为内窥镜测温探头提供保护。

所述热成像系统主要由红外热成像传感器和红外热像处理系统组成。热成像系统主要用于接收内窥镜测温探头传输来的红外辐射并将红外辐射场能转换成对应被测工件表面温度场的红外热图像信号，然后将红外热图像信号传输至终端热像处理系统。

所述的终端热像处理系统主要由红外测温热像处理机和监视显示设备组成。

终端热像处理系统具有红外测温误差修正功能，通过调整通道修正系数可使相同测点的红外测温数值逼近测温基准数据(接触式点温计测得的温度数值)，从而可以利用调整后的通道修正系数对测得的整个工件(如炉管)表面红外热成像温度场进行整体校正，以此消除非接触式的红外测温与接触式测温之间的误差，即红外测温误差。

终端热像处理系统主要用于接收热成像系统传输来的红外热图像信号并将其转换成与被测工件壁温温度分布对应的温度场热像图，并进一步显示和记录保存。

所述的支撑调节系统主要由可调节支撑的三脚架和内窥镜转角调节机构组成。支撑调节机构主要用于内窥镜测温探头的上下左右各方向的调节，使探头与被测目标的对准更准确、全面。

本发明的炉膛工件表面测温装置具有如下优点：

1)与固定式炉膛工业热电视系统相比，在应用灵活性和观测视场方面具有灵活机动的突出优势，可以通过多个看火孔对直火式工业炉内进行全方位观测，并能对炉内工件、炉膛内壁温度场进行宽视场角、大范围热成像。也可灵活利用本装置对多台工业炉实现炉膛成像测温，大大提高设备使用效率。

2)本测温装置带有火焰滤光片，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。

3)内窥镜测温探头的温度可通过冷却水流量调节保持稳定。有效保护红外内窥透镜不会过热烧坏，使用寿命比空气冷却大大提高。

本发明还提供了一种炉膛工件表面测温方法，主要包括如下步骤：

1)先使用接触式点温计对待测的被测目标工件的表面温度测点进行温度测量，获得测温基准数据；

2)将步骤1)中的测温基准数据输入本发明测温装置的终端热像处理系统中作为红外测温的测温基准；

3)采用本发明的测温装置对步骤1)中同样的表面温度测点进行温度测量，获得红外测温数据；

4)调整本发明测温装置的终端热像处理系统的红外热成像测温通道修正系数K，使步骤3)中的红外测温数据逼近步骤1)中测温基准数据，此时的修正系数K即为本发明的测温装置在该测量环境下的系统修正系数Kn；

5)用步骤4)得到的系统修正系数Kn对本发明测温装置测得的整个工件表面红外热成像温度场进行整体校正，以此消除红外测温系统误差，得到整个被测工件表面温度场的准确测温数据。

与现有的测量方法相比，本发明的方法将接触测温和非接触红外测温有机结合在一起从而构成一套完整的炉膛工件表面测温方法，该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、测量灵活的特点，实现了整个工件表面温度场的精确测量。

附图说明

图1为本发明的测温装置的结构示意图；

图2为图1中套管封头与透镜组保护套管、水冷内套管以及水冷外套管密封连接的结构示意图。

图中：1-套管封头，2-水冷外套管，3-水冷内套管，4-透镜组保护套管，5-火焰滤光片，6-内窥透镜组，7-热膨胀波纹管，8-循环水入口，9-循环水出口，10-导流孔，11、21-快速接头，12-进水管，13-调节阀，14-风冷风机，15-风冷盘管，16-回水管，17-吸水管，18-水箱，19-加压泵，20-出水管，22-镜头测温计，23-红外热成像传感器，24-温度报警器，25-红外热成像仪，26-传输电缆，27-终端热像处理系统，28-三脚架，29-内窥镜转角调节机构，30-密封板，31-炉墙，32-被测工件，33-内层环形空间，34-外层环形空间。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的阐述：

如图1所示，本发明提供的一种炉膛工件表面测温装置主要由内窥镜测温探头、循环冷却系统、热成像系统、终端热像处理系统和支撑调节系统组成；热成像系统一端与内窥镜测温探头相连，另一端与终端热像处理系统相连，热成像系统安装固定于支撑调节系统上；内窥镜测温探头上设有循环水入口和循环水出口，循环冷却系统通过管路分别于与内窥镜测温探头的循环水入口和循环水出口相连通。

所述的内窥镜测温探头主要由火焰滤光片5、内窥透镜组6、透镜组保护套管4、水冷内套管3和水冷外套管2组成；火焰滤光片5和内窥透镜组6安装于透镜组保护套管4内，沿透镜组保护套管4的轴线方向由最右端向左依次设置；透镜组保护套管4、水冷内套管3和水冷外套管2三个套管管径依次增大，长度依次变短，呈水平同心环嵌套布置，三管组成同心环管；同心环管的左端按透镜组保护套管4、水冷内套管3和水冷外套管4的顺序依次向右缩进，透镜组保护套管4的左端位于最左侧，水冷外套管2的左端位于最右侧，三管彼此间通过外层管子的左端部与内层管子的外壁相焊接形成密封连接；同心环管的右端按透镜组保护套管4、水冷外套管2和水冷内套管3的顺序依次向左缩进，透镜组保护套管4的右端位于最右侧，水冷内套管3的右端位于最左侧，三管彼此间通过位于同心环管右端的套管封头1密封连接。

如图2所示，所述的透镜组保护套管4外壁和水冷内套管3内壁之间形成内层环形空间33，水冷内套管3外壁和水冷外套管2内壁之间形成外层环形空间34，内层环形空间33和外层环形空间34通过设在水冷内套管3右端部沿圆周均匀分布的一圈导流孔10相连通，导流孔10的孔径一般为2～10mm，数量一般为3～16个。如图1所示，在水冷内套管3左端的管壁上设有循环水入口8，在水冷外套管2左端的管壁上设有循环水出口9，循环水入口8、内层环形空间33、外形环形空间34和循环水出口9依次连通构成内窥镜测温探头的冷却水路。水冷外套管2的左端部与水冷内套管3之间焊接有热膨胀波纹管7，用于吸收水冷内套管3和水冷外套管2之间的热膨胀。

如图1所示，所述的循环冷却系统主要由进水管12、循环水制冷器、加压泵19和出水管20组成，循环水制冷器主要由风冷风机14、风冷盘管15、回水管16、水箱18和吸水管17组成，进水管12的上端通过快速接头11与内窥镜测温探头冷却水路的循环水出口9相连通，出水管20的上端通过快速接头21与内窥镜测温探头冷却水路的循环水入口8相连通，进水管12上设有调节阀13。进水管12、风冷盘管15、回水管16、水箱18、吸水管17、加压泵19、出水管20依次顺序连通，构成循环回路。风冷风机14通过吹送空气加速风冷盘管15内循环水的冷却。来自循环水出口9的高温循环水经循环冷却系统降温后又经循环水入口8返回内窥镜测温探头的冷却水路，继续对内窥镜测温探头降温，保护内窥透镜组6免受高温烘烤，保证内窥镜测温探头正常工作。

如图1所示，所述热成像系统主要由镜头测温计22、红外热成像传感器23、温度报警器24、红外热成像仪25组成。镜头测温计22和温度报警器24共同组成温度报警系统，对内窥镜测温探头内的冷却温度进行实时监测，当温度超过极限温度时发出报警信号，提示将内窥镜测温探头退出炉外，保护内窥透镜组不会过热烧坏。热成像系统通过传输电缆26与终端热像处理系统27相连。

所述的终端热像处理系统27主要由红外测温热像处理机和监视显示设备组成。终端热像处理系统具有红外测温误差修正功能，能消除非接触式的红外测温与接触式测温之间的误差，即红外测温误差。

所述的支撑调节系统主要由可调节支撑的三脚架28和内窥镜转角调节机构29组成。支撑调节系统用于支撑热成像系统，内窥镜转角调节机构29主要用于内窥镜测温探头的上下左右各方向的调节，使探头与被测目标的对准更准确、全面。

如图1所示，本发明的炉膛工件表面测温装置的工作过程如下：使用本发明之前，先使用带防辐射罩的接触式点温计对待测的被测目标工件32的表面温度测点进行温度测量，获得测温基准数据；使用本发明时，先开启测温装置的循环冷却系统，使内窥镜测温探头处于其冷却水路的保护之下。然后将内窥镜测温探头通过加热炉炉墙31上的观测孔伸入炉膛内，用密封板30挡住观测孔与内窥镜测温探头之间的空隙，调节内窥镜转角调节机构29，使内窥镜测温探头对准上述已用点温计获得测温基准数据的被测目标工件32上同一测量位置，此时正处于加热中的被测工件32的外壁发出的红外辐射能经过耐高温的火焰滤光片5和内窥透镜组6汇聚到红外热成像传感器23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成对应的被测工件32(如炉管)表面红外热图像温度信号，经由传输电缆26传给终端热像处理系统27，并在其显示终端上显示出来被测目标工件32上同一测量位置的热像显示温度值。调整本发明测温装置的终端热像处理系统的红外热成像测温通道修正系数K，使该处热像显示温度值与开始用接触式点温计对被测工件测量获得的测量温度值(测温基准数据)相等。则终端热像处理系统的红外测温热像处理机在将红外热图像信号转换成被测工件壁温温度分布对应的温度场热像图的同时，与事先输入的测温基准数据进行比较修正，使测点温度逼近接触式点温计所测数值，并将修正后的整个被测工件32的整个温度热图进一步显示和记录保存，从而得到整个被测工件32表面温度场的准确测温数据。

在测温装置工作期间，镜头测温计22对内窥镜测温探头内的冷却温度进行实时监测，并通过温度报警器24对内窥镜测温探头内的温度进行显示报警，通过调节阀13对冷却水流量进行调节，使内窥镜测温探头稳定在设定的温度范围内。当温度超过极限温度时温度报警器24发出报警信号，提示将内窥镜测温探头退出炉外，保护内窥透镜组不会过热烧坏。

本发明的测温装置和测温方法主要用于热加工领域的工业炉炉膛工件表面温度场测量，尤其适用于直火式的石油化工加热炉的炉管表面温度分布进行大范围、宽视角的测量和热故障诊断的场合。对避免炉管表面温度超过允许值出现高温蠕变和爆管事故的发生，以及对监视炉膛内被加热工件表面温度分布状况等传热的研究(如管式炉炉管温度分布和受热情况分析诊断)。指导直火式加热炉优化结构设计、运行时炉火嘴负荷均匀调整和保证工业管式加热炉安全运行具有重要意义。

Claims (12)

1.一种炉膛工件表面测温装置，其特征在于：主要由内窥镜测温探头、循环冷却系统、热成像系统、终端热像处理系统和支撑调节系统组成；热成像系统一端与内窥镜测温探头相连，另一端与终端热像处理系统相连，热成像系统安装固定于支撑调节系统上；内窥镜测温探头上设有循环水入口和循环水出口，循环冷却系统通过管路分别于与内窥镜测温探头的循环水入口和循环水出口相连通。

2.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于：所述的内窥镜测温探头主要由火焰滤光片、内窥透镜组、透镜组保护套管、水冷内套管和水冷外套管组成；火焰滤光片和内窥透镜组安装于透镜组保护套管内，沿透镜组保护套管的轴线方向由最右端向左依次设置；透镜组保护套管、水冷内套管和水冷外套管三个套管管径依次增大，长度依次变短，呈水平同心环嵌套布置，三管组成同心环管。

3.根据权利要求2所述的测温装置，其特征在于：所述的同心环管的左端按透镜组保护套管、水冷内套管和水冷外套管的顺序依次向右缩进，透镜组保护套管的左端位于最左侧，水冷外套管的左端位于最右侧，三管彼此间通过外层管子的左端部与内层管子的外壁相焊接形成密封连接；同心环管的右端按透镜组保护套管、水冷外套管和水冷内套管的顺序依次向左缩进，透镜组保护套管的右端位于最右侧，水冷内套管的右端位于最左侧，三管彼此间通过位于同心环管右端的套管封头密封连接。

4.根据权利要求3所述的测温装置，其特征在于：所述的水冷外套管的左端部与水冷内套管之间焊接有热膨胀波纹管。

5.根据权利要求3所述的测温装置，其特征在于：所述的透镜组保护套管外壁和水冷内套管内壁之间形成内层环形空间，水冷内套管外壁和水冷外套管内壁之间形成外层环形空间，内层环形空间和外层环形空间通过设在水冷内套管右端沿圆周均匀分布的一圈导流孔相连通；在水冷内套管左端的管壁上设有循环水入口，在水冷外套管左端的管壁上设有循环水出口，循环水入口、内层环形空间、外形环形空间和循环水出口依次连通构成内窥镜测温探头的冷却水路。

6.根据权利要求5所述的测温装置，其特征在于：所述的导流孔的孔径为2～10mm，数量为3～16个。

7.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于：所述的循环冷却系统主要由进水管、循环水制冷器、加压泵和出水管组成，进水管与内窥镜测温探头的循环水出口相连通，出水管与内窥镜测温探头的循环水入口相连通。

8.根据权利要求7所述的测温装置，其特征在于：所述的循环水制冷器主要由风冷风机、风冷盘管、回水管、水箱和吸水管组成，进水管、风冷盘管、回水管、水箱、吸水管、加压泵、出水管依次顺序连通，构成循环回路，进水管上设有调节阀。

9.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于：所述热成像系统主要由镜头测温计、红外热成像传感器、温度报警器和红外热成像仪组成。

10.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于：所述的终端热像处理系统主要由红外测温热像处理机和监视显示设备组成，终端热像处理系统通过传输电缆与热成像系统相连。

11.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于：所述的支撑调节系统主要由可调节支撑的三脚架和内窥镜转角调节机构组成，支撑调节系统用于支撑热成像系统，内窥镜转角调节机构主要用于内窥镜测温探头的上下左右各方向的调节。

12.一种炉膛工件表面测温方法，主要包括如下步骤：

1)先使用接触式点温计对待测的被测目标工件的表面温度测点进行温度测量，获得测温基准数据；

2)将步骤1)中的测温基准数据输入权利要求1～11所述的任一测温装置的终端热像处理系统中作为红外测温的测温基准；

3)采用权利要求1～11所述的任一测温装置对步骤1)中同样的表面温度测点进行温度测量，获得红外测温数据；

4)调整权利要求1～11所述的任一测温装置的终端热像处理系统的红外热成像测温通道修正系数K，使步骤3)中的红外测温数据逼近步骤1)中测温基准数据，此时的修正系数K即为权利要求1～11所述的任一测温装置在该测量环境下的系统修正系数Kn；

5)用步骤4)得到的系统修正系数Kn对权利要求1～11所述的任一测温装置测得的整个工件表面红外热成像温度场进行整体校正，以此消除红外测温系统误差，得到整个被测工件表面温度场的准确测温数据。