淺析紅外熱成像技術在窯爐檢測中應用

嚴國莉 趙慶國

（中鋼集團工程設計研究院有限公司，北京100080）

1 引言

紅外熱成像技術自產生以來，因其特有的屬性，受到人們的普遍關注。紅外熱成像運用光電技術檢測物體熱輻射的紅外線特定波段信號，將該信號轉換成可供人類視覺分辨的圖像，并可以進一步計算出溫度值。紅外熱成像技術使人類超越了視覺障礙，由此人們可以“看到”物體表面的溫度分布狀況。紅外熱像儀在軍事和民用方面都有廣泛的應用，成為當今各國探測技術中的重點研究和發展技術之一［1］。

紅外線是一種電磁波，具有與無線電波和可見光一樣的本質。紅外線的發現是人類對自然認識的一次飛躍。利用某種特殊的電子裝置將物體表面的溫度分布轉換成人眼可見的圖像，并以不同顏色顯示物體表面溫度分布的技術被稱為紅外熱成像技術，這種電子裝置稱為紅外熱像儀［2］。紅外熱像儀是利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，熱像圖與物體表面的熱分布場相對應。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發出的不可見紅外能量轉變為可見的熱圖像，熱圖像上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度［3］。

熱像儀在軍事和民用方面都有廣泛的應用。隨著熱成像技術的成熟以及各種低成本適于民用的熱像儀的問世，它在國民經濟各部門發揮的作用也越來越大。在工業生產中，許多設備常用于高溫、高壓和高速運轉狀態，應用紅外熱成像儀對這些設備進行檢測和監控，既能保證設備的安全運轉，又能發現異常情況以便及時排除隱患。同時，利用熱像儀還可以進行工業產品質量控制和管理。

2 紅外熱成像技術基本原理

任何溫度高于絕對溫度零度的物體都有熱輻射，即輻射紅外波長的電磁波，熱成像技術就是通過測定物體的熱輻射，用二維可視圖像顯示物體的熱狀態分布，并進行溫度測量。著名的斯蒂芬—玻爾茲曼定律是熱輻射的理論依據，根據這一理論，物體的全波段輻射度M與其絕對溫度T的四次方成正比，即：

其中σ＝5.67×10－8瓦／（米2K4）：斯蒂芬—玻爾茲曼比例系數；

ε≤1：物體的發射率，當物體為絕對黑體時ε＝1。

因此，可以通過測定目標的輻射度確定其溫度。窯爐測溫就是通過測定目標的輻射度實現用二維圖像表示物體表面溫度分布［1］。

紅外輻射是波長為0.75～1000μm的電磁波，物體熱輻射的總能量中包含各個波長的成分，而且不同波段的輻射能量大小也不同，對應于輻射能量最大的波長稱為峰值波長，一般用λmax表示。根據維恩位移定律：

式中，T為絕對溫度（K），λmax為輻射峰值波長（微米）。

在利用熱成像技術設計檢測系統中，要選擇與測溫范圍相適應的波段，使探測器在該波段內響應最靈敏。

3 紅外熱成像技術在窯爐檢測中應用

窯爐是伴隨文明社會的出現而誕生的工程技術系統，它是指在工業生產中用燃料或者電能產生熱量，將物料或工件進行冶煉、焙燒、燒結、熔化、加熱的熱工設備。窯爐是一種用耐火材料砌成的用以煅燒物料或燒成制品的設備，被煅燒的原料和燃料往往共處一個空間，或燃燒區與煅燒區直接相通［4］。

在工業生產中，窯爐中許多設備常用于高溫、高壓和高速運轉狀態，應用紅外熱成像儀對這些設備進行檢測和監控，既能保證設備的安全運轉，又能發現異常情況以便及時排除隱患。

熱成像技術實際上是作為一種高級測溫技術應用于窯爐中的。過去的紅外測溫儀大都是點測溫儀，點測溫儀與熱像儀比較，雖具有成本低、攜帶方便、傳感器不需制冷等優點，但它有如下缺點：1、只能測量一個點（小區）的溫度，不能測量表面的溫度分布，不能提供圖像，故難以證實儀器是否對準了被測點；2、使用距離常常受儀器視場的限制；3、目標的反常（不規則）反射難以同目標的真實溫度變化區分開；4、對環境溫度起伏敏感［5］。所以，在遠距離快速測量目標表面溫度分布和記錄熱像的工程應用中必須使用熱像儀。

以前工業上使用的熱像儀多用低溫制冷的單元探測器的光機掃描系統，但這種系統成本高，結構復雜，使用不便。近年來，隨著圖像增強和圖像處理系統中采用數字電路的情況日愈增多，熱釋電攝像管系統和熱電制冷探測器線列以及兩維焦平面探測器列陣系統已成為熱像儀的主要發展類型。

熱像儀在窯爐上主要是檢測窯爐中設備、監查窯爐運行故障及控制產品質量。一般通過最先進的非制冷焦平面紅外探測器，利用熱像儀顯示被查目標的熱像和提供表面熱分布的信息，實時動態紅外成像觀察爐內原料溫度狀況，經過圖像處理、數據分析，找出即將發生和已發生的故障及其位置，以便及時采取措施予以消除。比如，利用紅外熱像儀對窯爐進行分區塊的檢測，并通過紅外分析軟件，對得到的熱圖像進行溫度分布的分析。如在沒有冷卻器存在的部位，通過爐皮表面的不同變化，可以直接判斷有無內襯缺陷。如果某部位拍攝的熱圖對比溫度尺寸上升，可以認定爐內襯已有損壞侵蝕；對于有冷卻器存在的部位，可以依據熱圖分析表面溫度分布情況，找出相對溫升高的部位，判斷冷卻壁損壞或爐內襯缺陷，從而達到檢測窯爐的目的。某典型的高爐紅外熱像儀SG－RX508，特性參數如表1所示。

表1 典型高爐紅外熱像儀特性參數表

該熱像儀應用于窯爐檢測，它不僅達到在爐內進行成像的功能，使操作人員“目測”爐內料面情況，同時實時測溫，測量數達到十萬個溫度點，實時顯示的測試數據反應了爐內溫度或高或底的變化，精確測量出爐內溫度，直觀的反應出爐內氣流變化情況，其應用效果如圖1所示。

冶金生產型企業不僅與溫度有非常密切關系，同時它也是系統綜合性企業。窯爐中關鍵設備一旦發生事故，不僅經濟上損失是巨大的，也容易造成人員的傷害，因此利用紅外熱成像技術對設備進行檢測，了解和掌握設備使用過程的狀態，對于及早發現問題查明原因，保證安全的生產運營，延長設備的使用壽命，降低熱損耗，節約能源有著重要的意義。紅外熱成像技術的發展推進了窯爐溫度檢測技術的發展，目前紅外探測成為主要的手段，而且監測速度不斷提高，實時性逐漸增強，為操作人員提供了詳細的表面溫度分布情況，使得操作人員及時了解窯爐的實時狀態，促進了窯爐檢測技術的發展。

4 結束語

紅外熱成像技術是現代關鍵高新技術，是各種檢測的重要組成部分，它為冶金自動化提供了全新手段，在工業故障診斷、復雜環境的非接觸測溫和過程控制等方面有廣泛用途［6］。

冶金工業窯爐應用中，紅外熱成像儀將進一步朝高精度、高靈敏度、智能化、集成化的方向發展。隨著各種新型紅外熱像儀的不斷出現和紅外熱成像技術的不斷完善，紅外熱成像技術將日趨成熟，在窯爐檢測、降低能耗方面有著更廣闊的前景，將會發揮越來越重要的作用。

［1］Ma Runjin，et al.A Study on Thermovision System and Application to Metallugical Industry［C］／／The IFAC Symposiam on Automation in MM Processing，pp.1992：271－276.

［2］楊立.紅外熱像儀測溫計算與誤差分析［J］.紅外技術，1999，（7）.

［3］李云紅，孫曉剛，原桂彬.紅外熱像儀精確測溫技術［J］.光學精密工程，2007，（9）.

［4］劉教瑜.窯爐檢測與控制技術.北京：國防工業出版社，2009：8.

［5］官上洪，王畢藝，趙萬利，閆秀生.紅外熱像儀測溫精度分析［J］.光電技術應用，2012，27（3）.

［6］何麗.走向新世紀的紅外熱成像技術［J］.紅外，2002（12）.