紅外輻射測溫在管式工業爐上的應用

唐 磊，吳海濱，倉亞軍，馮俊生，余龍寶，蔣 杉，趙曉虎

紅外輻射測溫在管式工業爐上的應用

唐 磊1，吳海濱2，倉亞軍3，馮俊生1，余龍寶1，蔣 杉1，趙曉虎1

（1.合肥師范學院電子信息工程學院，安徽 合肥 230601；2.安徽大學 物理與材料科學學院，安徽 合肥 230601；3.合肥瑞石測控工程技術有限公司，安徽 合肥 230088）

旨在開展紅外輻射測溫系統研究，以探測器像元所接收的目標輻照度為基礎，詳細分析了紅外探測系統的信噪比、靈敏度和探測誤差，介紹了系統的結構設計及關鍵參數，并對系統面均勻性進行了細致的校準。針對工業現場特殊應用環境，建立系統背景補償模型進行對比實驗和連續觀測實驗，對比結果：平均值相差0.15℃，標準差4.4℃，滿足工業現場溫度測量精度要求；連續觀測實驗與裂解爐實際運行情況完全一致，表明該系統能夠解決管式工業爐爐管表面溫度連續實時監測的技術難題。

紅外輻射；表面溫度；對比實驗；測量誤差

0 引言

在石油、化工行業各類加熱爐中，無論是從經濟效益還是安全性考慮，溫度測量在世界范圍內都是非常重要的。盡管高溫輻射計和熱像儀從20世紀70年代就開始在石油、化工行業廣泛使用，但加熱器燒嘴和爐管表面溫度的實時在線測量仍然是難以解決的世界性難題。石油、化工行業各類加熱爐溫度變化范圍是400℃～1200℃，結構和操作類似于蒸汽鍋爐，但管內流動的不是水，而是更具爆炸性的油氣混合物。爐管表面溫度稍高于設計溫度就會發生二次裂解反應產生碳沉積，導致管內結焦，嚴重時甚至堵塞爐管而發生爆炸；爐管表面溫度稍低于設計溫度又會出現反應不徹底，產品收率降低，極大地影響企業的經濟效益[1]。由于爐管溫度的恰當控制直接關系到企業的經濟效益、生產設備的安全性、設備運行的耐久性以及人身安全，因此，在操作過程中爐管表面溫度需要被嚴格監控。

闡述了一種自發研制的紅外比色溫度測量系統，可以實現爐管表面溫度的實時在線測量，解決石油、化工行業爐管表面溫度實時在線測量的技術難題。

1 測量原理

根據探測器像元在空間方向上所對應的水平、垂直張角分析探測器每個像元所接收的目標輻照度。不考慮輻射傳輸過程中高溫煙氣輻射、反射、散射及瞬態變化等影響因素，并假設爐管表面為平面輻射源，如圖1所示，管上面輻射源在紅外探測系統微面元上的輻照度為[2]：

式中：d為紅外探測系統微元接收的輻照度；為輻射面元；為輻射方向與輻射面源法線夾角；()為目標自發輻射；(sur)為環境背景輻射；p為光程上介質透過率；t為探測目標發射率；為待測目標溫度；sur為環境背景溫度；為輻射傳輸距離。

其中，微面元：

d＝×dd(2)

式中：d為方向所在位置的水平視角截面內的微角元；為探測器距輻射面源的豎直距離；為水平距離，＝×cos×cos（如圖1所示）。探測器距輻射面源的豎直距離變化量可表示為：

d＝d(tan)＝d/cos2(3)

式(2)、(3)代入式(1)，得：

則紅外探測系統探測器單位微面元上接收的目標自發紅外輻射為：

紅外探測器單位微面元上接收的紅外輻射對水平、豎直微單位角元的微分再減去背景反射部分即等于單位角元內輻射體的自發紅外輻射量。

對于物距遠大于光學成像系統焦距的情況，探測器單位像元接收的平均自發輻射光電子數：

式中：為有效積分時間；為量子效率；為每流明光通量在每秒內所激發的光電子數；為紅外光學系統透過率；/為紅外鏡頭孔徑比。若采用雙波段比色測溫技術，則：

式中：下標1、2表示通道1和通道2。

圖1 紅外輻射源對探測系統的輻照度

從上述分析可知，雙波段比色測溫技術可有效消除未知發射率變化所產生的測量誤差，還可減少輻射光程上紅外輻射同比衰減所產生的測量誤差。

在穩定受激條件下每個瞬間輻射的光子流密度具有量子性的隨機漲落，但輻射光子流密度的平均值是確定的，因此，產生的輻射強度圍繞一個確定平均值起伏。由于雙通道比值不改變信號分布特性，故噪聲可表示為[3-5]：

則信噪比：

探測系統的溫度靈敏度：

則系統溫度探測誤差：

2 系統結構設計與參數

針對管式工業爐運行溫度高、防護壁層厚、長周期運行等應用環境特點，對系統結構進行了專業化特殊設計，結構框圖如圖2所示，其特征在于：

1）小直徑、長光程、大后截距紅外鏡頭設計；小直徑即通光口徑小，需要制冷氣量小，可以采用多層渦旋制冷防護，既解決了高溫防護的問題，又解決了渦旋制冷氣體流量、壓力過大的問題；長至1m的超長鏡頭設計可使鏡頭伸入爐膛觀測，解決管式爐防護壁層較厚對測量視場的影響；90mm以上超長后截距設計，給系統分光、濾波等后續光路設計提供足夠的物理空間。

2）高通高反分光結構設計；鏡頭設計長且通光口徑小，為了使光通量不至于損失太多，分光鏡設計透射面鍍高透膜，反射面鍍高反膜，保證探測器接收到足夠的光通量，如圖3所示。

3）一體化探測器結構設計；分光棱鏡30°楔角設計給濾波片和探測器裝調留有足夠空間，結構小且緊湊，穩定性高。

3 系統校準

由于采用了小直徑、長光程、大后截距鏡頭和高透高反分光結構設計，容易造成光學系統有相對較大的像差和色差，導致探測器光譜響應不一致，給測量結果帶來較大誤差。因此，必須進行探測器光譜響應面均勻性補償，提高系統探測精度。校準儀器：IS-4008中型均勻光源系統，波長范圍340～2500nm，出光口面均勻性99.5%。在光譜響應非線性矯正的基礎上，利用均勻光源系統對探測器面均勻性進行補償。補償方法：取視場中心5×5像元照度均值作為基準，用所有像元照度與基準值相比得到補償系數陣列，各像元照度除以對應系數即可將各像元補償一致。利用均勻光源還可檢測系統光學中心是否偏斜和面非均勻性，如圖4(a)所示，被測系統光學中心與探測器視場中心不一致，且視場邊緣與中心光譜響應存在明顯偏差。光路調整后再進行均勻性補償，結果如圖4(b)所示。由圖可見，補償后水平和豎直方向各點像元光譜響應趨勢一致，消除了光學系統像差和色差所產生的非均勻性誤差。補償后像元各點波動是量子噪聲所致，屬于系統相對誤差[6]。

系統關鍵參數如表1所示。

圖3 分光棱鏡透過率和反射率設計曲線

表1 測溫系統關鍵參數

圖4 紅外探測系統光學系統檢測與面均勻性校準

4 對比實驗與連續觀測實驗

管式工業爐內目標表面溫度測量的困難在于：①紅外輻射要穿透高溫煙氣，而高溫煙氣是氣體和固體顆粒混合物，空間上各向異性且瞬態變化，火焰譜和能量傳遞過程特別復雜，且燃燒過程中由于燃料種類和條件不同導致火焰輻射強度和輻射特性隨機變化；②加熱爐尺寸大、結構復雜，待測目標和背景的輻射特性差異大，加熱過程中高溫背景的強輻射和反射等；③目標長期處于高溫過氧環境中，目標表面高溫氧化和滲碳導致表面發射率隨時間變化。由于待測目標處于高溫燃燒爐膛環境中，影響因素太多且過于復雜，突出主要影響因素，忽略次要因素，建立背景補償模型[7-8]，消除強背景輻射和光程上高溫介質輻射、散射、吸收的影響，且考慮了系統噪聲：

式中：(cam)為系統熱噪聲、散粒噪聲等噪聲等效輻射；M為探測系統獲得的總輻射信號強度；(p)為光程上高溫介質的輻射；p為輻射光程上燃燒介質溫度；cam為探測器溫度。

利用紅外測溫系統進行工業現場實驗，實驗爐是某廠5萬噸乙烯裂解爐，運行溫度800℃～1200℃，爐管表面設計溫度極限1080℃。根據裂解爐實際運行情況做背景補償，然后進行現場對比實驗和連續觀測實驗。對比實驗所用儀器為Raytek Raynger3I，型號：RAYR3I1MSC，使用波長1.6mm，溫度測溫范圍400℃～2000℃，距離系數比250:1，測量精度0.5%。對比實驗日期2015年6月17日和18日，測點位置包括爐體兩側和中間各位置，測點覆蓋爐膛內各位置高溫管和低溫管，對比結果如圖5所示。圖中橫坐標表示紅外測溫儀測量溫度，縱坐標表示紅外測溫系統測量溫度，由圖可見：二者測量結果吻合的非常好，離散溫度點線性擬合斜率0.998，最大相差12℃，平均相差0.15℃，標準差4.4，測溫范圍：956℃～1096℃，符合工業現場溫度測量精度要求。

圖5 測溫儀和紅外測溫系統對比實驗

連續觀測實驗從2015年11月3號至2016年4月26號，連續6個月不間斷實時監測，測量結果如圖6所示。由于裂解爐運行期間爐管內部積碳逐漸增加，熱傳導率下降，導致爐管表面溫度會持續上升，圖中數據為相鄰3根高溫管上設置的3個固定測溫點連續6個月日平均溫度跟蹤結果，由圖可見：2015年11月3號開始測量至2016年1月13日70天內爐管表面溫度持續上升，期間由于負荷變化表面溫度有輕微波動，但上升趨勢不變，2016年1月13日平均溫度1075℃，接近爐管表面溫度承受極限，1月14日開始燒焦，清楚內部積碳，溫度降至最低點，此后又開始連續正常運行，3月8日再次清焦，4月14日有一次原料切換過程，溫度波動相對較大。連續測量期間沒有發現其他異常現象，與實際運行情況完全一致，表明紅外測溫系統可以連續穩定地進行爐管表面溫度探測。

圖6 紅外測溫系統連續溫度測量實驗

5 結論

從輻射測溫基本原理著手，以探測器像元所接收的目標輻照度為基礎，詳細分析了紅外探測系統的信噪比、靈敏度和探測誤差，介紹了系統設計架構及關鍵參數，強調了面均勻性校準的必要性，明確了校準過程。針對工業現場特殊應用環境，建立了背景補償模型，并進行了現場對比實驗和連續觀測實驗。對比實驗說明了紅外測溫系統的測量精度能夠滿足管式工業爐爐管表面溫度監測的精度要求，連續觀測實驗說明了紅外測溫系統能夠持續、穩定、實時跟蹤爐管表面溫度變化過程。通過該研究成果的實施，可以有效解決管式工業爐爐管表面溫度實時監測的技術難題。

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Application Studying of Infrared Radiation Temperature Measurement on the Tubular Industrial Furnace

TANG Lei1，WU Haibin2，CANG Yajun3，FENG Junsheng1，YU Longbao1，JIANG Shan1，ZHAO Xiaohu1

(1.School of Electronic and Information Engineering, Hefei Normal University, Hefei 230601, China; 2.School of Physics and Material Sciences, Anhui University, Hefei 230601, China; 3.Hefei Ruishi Measuring and Controlling Engineering Technology Co Ltd., Hefei 230088, China)

This paper is focusing on studying the Infrared radiation temperature measurement system. The signal-to-noise ratio, sensitivity and detection accuracy of infrared detection system is analyzed in detail based on the target irradiance

by the detector pixels in the unit solid angle. Structure design and key parameters of the infrared detection system was introduced and calibration of the surface uniformity was carried out in detail. The background compensation model is set up for industrial field experiment. Then comparison experiments between the infrared detection system and the infrared radiation thermometer were implemented. The experiment results show mean difference is 0.15℃ and standard deviation is 4.4℃, so it can satisfy the requirements of industrial field temperature measurement accuracy. And technical challenge of temperature monitoring for tube surface is solved in high temperature environment.

infrared radiation，surface temperature，comparison experiment，measurement deviation

TN215

A

1001-8891(2016)07-0612-05

2016-05-16；

2016-05-26.

唐磊（1972-），男，安徽滁州人，博士，副教授，主要從事光電探測與信息處理方面研究。Email：tanglei_66@163.com。

國家自然科學基金面上項目（41574180）；安徽省科技攻關項目（1604a0902152）；安徽省高校自然科學研究重點項目（KJ2016A581）。