CN108896187B - 一种回转窑表面红外双波段测温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种回转窑表面双波段测温方法，属于信号处理技术领域。本发明在单波段定标原理的基础上，考虑回转窑现场测温环境，在双波段测温模型中引入了大气衰减系数，结合回转窑扫描测温原理，提出了一种基于回转窑的双波段测温模型。该方法包括，实验室定标分别得到中波扫描仪和长波热像仪测温系统的定标系数。通过回转窑扫描测温原理计算出扫描点距离，然后根据单波段测温原理，使用黑体分别测量出某个扫描点在该扫描距离下在两个波段范围内的大气透过率。将计算的大气透过率代入到双波段测温模型中，得到两个波段的测量比值，根据比值与温度关系反演出扫描点的温度值。本发明考虑了回转窑现场测温实际情况，测温精度高，具有较高应用价值。
Description
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，具体是一种回转窑温度测量方法。
背景技术
近年来，随着我国建材、冶金、化工和环保等工业的高速发展，这些行业所需回转窑的数量也不断增长。回转窑是生产工艺中原料煅烧环节的核心设备，其运转情况的好坏直接关系到熟料的产量、质量和成本。回转窑内衬为耐火材料，在温度因素、化学侵蚀、机械磨损等不同情况下，会使耐火材料发生不同程度的破损和脱落，导致窑体内部凸凹不平,厚薄不均。一旦局部耐火材料脱落，会给生产及安全带来严重威胁。回转窑内衬的厚薄程度主要是通过回转窑表面温度进行检测。当回转窑某区域出现异常高温则说明此处窑衬已受损，存在红窑隐患。一旦发生红窑事故，将会给厂家的经营生产带来巨大的经济损失，甚至威胁人身安全,因此需要准确测量出回转窑表面温度。传统的回转窑表面测温方法为单波段测温方法，这种测温方法需要设定被测目标发射率，并且易受测温环境和距离的影响。回转窑表面面积大，表层钢板氧化、锈蚀严重，且易附着粉尘，导致其表面的发射率难以准确设定，同时由于回转窑表面的红外热辐射能要传播一段距离才能到达探测器，辐射能在传播过程中易受环境中的灰尘、水蒸气、烟雾等吸收、反射和散射，到达红外探测器的红外辐射能衰减严重，因此建立在普朗克辐射定律上的单波段红外测温方法难以准确测量回转窑表面的温度。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种准确测量回转窑表面的温度的回转窑表面红外双波段测温方法。本发明的技术方案如下：
一种回转窑表面红外双波段测温方法，其包括以下步骤：
101、使用单波段定标方法对中波扫描仪和长波热像仪进行实验室定标，并拟合出定标数据，得到中波扫描仪的线性响应度K1及定标偏置B1，长波热像仪的线性响应度K2及定标偏置B2；
102、使用中波扫描仪和长波热像仪测量出回转窑目标位置的灰度值；
103、现场测量以下数据：设备与回转窑的水平距离H、扫描仪到回转窑窑头距离l、回转窑长度L、回转窑的高度h1、扫描仪的高度h2以及确定总的扫描点数N，根据扫描仪软件监测位置和等角度算法，计算出扫描点编号，然后计算出监测位置距离回转窑表面被测位置的实际长度；
104、在测温现场根据回转窑表面温度范围，将黑体分别设置在温度Ts和Te，使用中波扫描仪和长波热像仪分别测量出黑体在距离OPi处的系统输出，然后计算出两个波段的大气透过率；
105、将计算得大气透过率和定标参数代入计算得到两个波段的输出比值，根据比值与温度的对应关系反演出温度。
进一步的，所述步骤103根据扫描仪软件监测位置和等角度算法，计算出扫描点编号，然后计算出监测位置距离回转窑表面被测位置的实际长度，具体计算公式如下：
其中OPi为测温设备到被测位置的距离，N1表示测温设备在垂直方向垂足位置的扫描点编号，i表示扫描点编号。
进一步的，所述步骤104使用中波扫描仪和长波热像仪分别测量出黑体在距离OPi处的系统输出，然后计算出两个波段的大气透过率，具体计算公式如下：
上式中，DNe和DNs为测温设备在温度为Ts和Te时的灰度，τatm某个距离下的大气透过率，K表示测温系统的系统响应度。Lb(Te)和Lb(Ts)分别为测温设备在温度为Ts和Te时的辐射亮度，可以由普朗克辐射公式计算得到。
进一步的，所述步骤105将计算得大气透过率和定标参数代入计算得到两个波段的输出比值，根据比值与温度的对应关系反演出温度，具体计算公式如下：
上式中，由等号左边建立黑体比值与温度的对应关系，然后将计算的参数代入等式右边，计算出比值后反演出温度。
进一步的，所述红外扫描中的红外探头在步进电机驱动下，以水平方向360度扫描回转窑，再截取其中有效数据发送到PC配套测温软件进行温度数据分析，得出每个温度点的位置信息和灰度信息。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明针对现有回转窑表面测温中测量精度不高的问题，为满足高精度测温精度的要求，使用一种双波段测量方法测量回转窑表面温度，并且在测温中引入了大气衰减系数，提高了测温精度。该方法的创新点主要包括以下几个步骤：
(1)实验室拟合两个波段的比值与温度的函数关系，并进行单波段定标得到系统参数。
(2)回转窑生产现场测量，在塔楼位置测量出目标区域中波波段和长波波段的系统输出。
(3)使用黑体进行现场标校，测量处在目标位置测量距离下的大气透过率。
(4)将定标参数、系统输出值和大气透过率参数代入到公式中，得到两个波段的比值，根据温度与比值的关系进行温度反演。
本发明提出的方法不需要设置发射率，对减小目标发射率的影响具有重要的作用。回转窑是一种大型的筒体结构，表面布满灰尘并且锈蚀严重，因此该方法在提升回转窑表面测温进度具有重要作用。并且本发明还考虑了传输过程中的大气衰减系数，使用现场标校的方法得到的大气透过率参数具有较高的可靠性。综合来看，本发明能有效提高回转窑表面测温精度，具有广泛的应用价值。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例是回转窑扫描测温示意图；图中θ表示扫描视场角，L表示回转窑长度，l表示窑头到回转窑与扫描仪垂足点的距离，h表示扫描仪到回转窑的距离；
附图2是黑体现场标校示意图，d为现场标校距离；
附图3是回转窑与中波扫描仪安装位置示意图，H为扫描点所在水平方向距离塔楼的距离，h1为塔楼的高度，h2为回转窑的高度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
回转窑红外扫描测温系统由红外扫描仪与PC端的配套温度监测软件组成，红外扫描中的红外探测头在电机的带动下进行数据采集、本发明中电机采用的是等角度水平旋转方式。因此在电机驱动下红外探头将从左至右水平扫描回转窑一行数据。回转窑与中波扫描仪关系示意图如图3所示，扫描仪安装在距离回转窑一定距离的塔楼上，以防止障碍物遮挡。
本发明采用西南水泥有限公司实际生产数据进行阐述。首先到回转窑生产现场按图1所示测得以下数据：回转窑长度为L＝60m、回转窑与扫描水平距离H＝22m、扫描仪距离窑头的距离l＝27m、扫描仪所在位置的高度h1＝8m，回转窑所在位置的高度h2＝6.7m。本红外扫描系统统总扫描点数N＝600。
然后根据扫描仪软件监测的目标位置，这里为了方便测量，选择回转窑的三个轮带和大齿轮附近的位置进行温度测量，测温距离分别为2.4m、27.1m、54m和51.6m。记录中波扫描仪和长波热像仪在四个位置测量的输出灰度值。
设置黑体温度分别为Ts、Te，测量出四个目标位置测温距离下长波波段和中波波段的大气透过率。
将大气透过率参数、定标参数代入公式计算比值，根据比值与温度的关系反演出温度。
101、使用单波段定标方法对中波扫描仪和长波热像仪进行实验室定标，使用软件拟合出定标数据，得到中波扫描仪的线性响应度K1、定标偏置B1和长波热像仪的线性响应度K2、定标偏置B2。
102、使用中波扫描仪和长波热像仪测量出回转窑目标位置的灰度值。
103、如图1和图3所示，根据扫描仪软件监测位置和等角度算法，计算出扫描点编号。然后计算出监测位置距离回转窑表面被测位置的实际长度。具体计算公式如下：
其中OPi为测温设备到被测位置的距离，N1表示测温设备在垂直方向垂足位置的扫描点编号，i表示扫描点编号。
104、在测温现场根据回转窑表面温度范围，将黑体分别设置在温度Ts和Te。按照图2所示，使用中波扫描仪和长波热像仪分别测量出黑体在距离OPi处的系统输出，然后计算出两个波段的大气透过率。具体计算公式如下：
上式中，DNe和DNs为测温设备在温度为Ts和Te时的灰度。Lb(Te)和Lb(Ts)分别为测温设备在温度为Ts和Te时的辐射亮度，可以由普朗克辐射公式计算得到。
105、将计算得大气透过率和定标参数代入计算得到两个波段的输出比值，根据比值与温度的对应关系反演出温度，具体计算公式如下：
上式中，由等号左边建立黑体比值与温度的对应关系。然后将计算的参数代入等式右边，计算出比值后反演出温度。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (4)
1.一种回转窑表面红外双波段测温方法，其特征在于，包括以下步骤：
101、使用单波段定标方法对中波扫描仪和长波热像仪进行实验室定标，并拟合出定标数据，得到中波扫描仪的线性响应度K1及定标偏置B1，长波热像仪的线性响应度K2及定标偏置B2；
102、使用中波扫描仪和长波热像仪测量出回转窑目标位置的灰度值；
103、现场测量以下数据：设备与回转窑的水平距离H、扫描仪到回转窑窑头距离l、回转窑长度L、回转窑的高度h1、扫描仪的高度h2以及确定总的扫描点数N，根据扫描仪软件监测位置和等角度算法，计算出扫描点编号，然后计算出监测位置距离回转窑表面被测位置的实际长度；
104、在测温现场根据回转窑表面温度范围，将黑体分别设置在温度Ts和Te，使用中波扫描仪和长波热像仪分别测量出黑体在距离OPi处的系统输出，然后计算出两个波段的大气透过率；
105、将计算得大气透过率和定标参数代入计算得到两个波段的输出比值，根据比值与温度的对应关系反演出温度；
所述步骤103根据扫描仪软件监测位置和等角度算法，计算出扫描点编号，然后计算出监测位置距离回转窑表面被测位置的实际长度，具体计算公式如下：
其中OPi为测温设备到被测位置的距离，N1表示测温设备在垂直方向垂足位置的扫描点编号，i表示扫描点编号。
2.根据权利要求1所述的一种回转窑表面红外双波段测温方法，其特征在于，所述步骤104使用中波扫描仪和长波热像仪分别测量出黑体在距离OPi处的系统输出，然后计算出两个波段的大气透过率，具体计算公式如下：
上式中，DNe和DNs为测温设备在温度为Ts和Te时的灰度，τatm表示某个测温距离下的大气透过率，K单波段测温系统的线性响应度，Lb(Te)和Lb(Ts)分别为测温设备在温度为Ts和Te时的辐射亮度，可以由普朗克辐射公式计算得到。
3.根据权利要求2所述的一种回转窑表面红外双波段测温方法，其特征在于，所述步骤105将计算得大气透过率和定标参数代入计算得到两个波段的输出比值，根据比值与温度的对应关系反演出温度，具体计算公式如下：
上式中，由等号左边建立黑体比值与温度的对应关系，然后将计算的参数代入等式右边，计算出比值后反演出温度，比值与温度的关系使用多项式关系进行拟合，公式表示如下：
R(T)＝anTn+an-1Tn-1+........+a0。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种回转窑表面红外双波段测温方法，其特征在于，所述中波扫描仪中的红外探头在步进电机驱动下，以水平方向360度扫描回转窑，再截取其中有效数据发送到PC配套测温软件进行温度数据分析，得出每个温度点的位置信息和灰度信息。
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