內窺式高溫攝像機在加熱爐中的設計與使用

馬 凱

內窺式高溫攝像機是建立在光學、傳感器技術和現代電子通信技術基礎之上的一種溫度與影像監測裝置。具有適用范圍廣、觀察視角好、操作簡單、運行穩定、在線實時監控等優點，被廣泛應用于各種工業加熱爐等需要監控溫度和不便于人工操作的場合。過去受材料和技術所限，很多加熱爐都采用的是外窺式高溫攝像機。但由于外窺式高溫攝像機受視場范圍和測量精度的影響，已經很難滿足工業生產中日益提高的工藝要求，因而逐漸被淘汰。取而代之的則是具有更好監控性能的內窺式高溫攝像機。內窺式高溫攝像機的監控探頭伸入到加熱爐內部，可以使監控人員更加清晰和直觀地觀察到加熱爐火焰的燃燒情況、爐渣堆積情況和爐內板坯的加熱情況。從而更加精確地對加熱爐的燃燒工藝參數進行調整，對空氣、煤氣的輸出比例進行控制，使火焰達到最佳的燃燒狀態；并通過合理調整出鋼時間和糾偏，避免鋼坯傾斜、不正常撞鋼等事故的發生。由此可見，內窺式高溫攝像機為加熱爐的工藝調整和人員操作提供了有力的支撐，提高了生產工藝水平，保證了加熱爐的正常安全生產。本文對內窺式高溫攝像機的結構原理，以及其在加熱爐中的設計應用進行了探討。

1 內窺式高溫攝像機硬件配置的結構設計

內窺式高溫攝像機是一種能夠伸入到加熱爐爐膛內部的溫度監測裝置。采集并生成的視頻影像可實時傳輸到監控室的電視監控畫面上，使人員可通過監控畫面近距離直接對爐膛內的火焰燃燒情況和板坯加熱情況進行觀察。攝像儀所使用的超動態范圍攝像儀，可隨爐內亮度變化自動調節電子光圈，并有較好的背光補償作用。可以在逆光、強光等不同的光線條件下清晰攝取爐內火焰燃燒和板坯加熱情況。攝像機具有采集范圍廣、可視性好、體積小、重量輕、壽命長、可靠性好的優點。內窺式高溫攝像機的硬件配置主要有：攝像頭、高溫鏡頭、保護套、電視監控、電氣檢測系統、電動退膛裝置、防爆保護罩、配風機構、制冷器、連接電纜等。

1.1 攝像頭

攝像頭是伸入到爐膛內部的視頻影像采集裝置，是內窺式高溫攝像機的核心部件，由超動態攝像機、溫度傳感器、保護套、高溫光學鏡頭等幾部分組成。目前較多采用的是電荷耦合器（CCD）攝像頭。CCD攝像頭主要由CCD圖像傳感器、同步信號發生器、CCD驅動器、A/D、AGC、預中放、D/A轉換電路和電源電路組成。攝像頭主要應用了光學原理，通過對物體反射光線的采集，形成電信號傳輸至監視器。電荷耦合器（CCD）將光學鏡頭成像畫面分解成幾十萬個像素，當被攝物體的反射光線經過鏡頭成像到CCD芯片上時，CCD會根據光的強弱積聚，經過光電電荷轉換后，轉移輸出，形成相應的電信號。該電信號經過放大電路、AGC自動增益控制、模數信號轉換、圖像數字信號處理和數模轉換之后，可生成標準的復合視頻信號，并通過視頻輸出端子和視頻線輸出至視頻監控器，形成清晰完整的攝像畫面。

1.2 高溫鏡頭與成像儀

高溫鏡頭具有良好的耐高溫和耐腐蝕特性，主要作用是在CCD靶面上使被攝物體成像。采用了藍寶石耐高溫超長成像儀，用以吸收來自窯內發出的強烈黃色光，使圖像更清晰。成像儀采用了中繼物鏡兩次成像設計，通過增加成像儀成像距離減少了爐內高溫熱輻射對攝像機的影響。成像儀光圈調節有手動與自動兩種調節方式，保證了動態攝像下的成像質量。同時針孔式設計的成像儀也可減小加熱爐爐壁的開孔尺寸。在加熱爐中安裝攝像頭時，安裝方向一般垂直與觀察方向。為了使被攝物體良好成像，需要將光學系統高溫鏡頭視角設計成轉向90°。使被攝畫面能夠在光路上轉90°后，成像在攝像機的CCD靶面上。為了避免長期強光照射下使攝像機CCD靶面迅速老化，保證成像質量，需要在高溫鏡頭的光學系統內插入濾色片，使光能量和光照強度衰減后再投入到CCD靶面上。

1.3 保護套

保護套是包裹在攝像機外緣的帶有冷卻和隔熱功能的金屬保護部件，由耐高溫不銹鋼及特種合金材料制成。是一種雙層結構的圓形殼體，對攝像頭起到高溫保護的作用。由于內窺式高溫攝像機需要伸入到上千攝氏度的加熱爐內，為了避免攝像機的損壞和過早老化，因此攝像機必須裝設在專用的高溫保護套內，通過氣冷和水冷兩套系統對攝像機鏡頭進行隔熱和冷卻保護。保護套采用耐高溫和腐蝕的不銹鋼材質，為了提高隔熱性能，采用了雙層的套管式結構。頭部為攝像機鏡頭，尾部為冷卻系統的進氣口和進、出水口。攝像頭通過支架安裝在保護套內，在頭部攝像機鏡頭處開有專門的觀察孔，孔內安裝的石英玻璃起到隔熱的作用；同時，設置在保護套內的冷卻裝置也起到了降溫和冷卻的作用，共同保護攝像機和鏡頭免遭高溫損壞。此外，保護套還設置有高溫報警功能。在保護套內的攝像頭位置設置有熱敏電阻與電氣檢測系統相連接，當溫度超過正常范圍時自動發出報警聲音，以提醒操作人員收回攝像機或是加強冷卻。保護套頭尾兩端的進氣管和觀察孔內充有氮氣，起到冷卻攝像機和保護觀察孔內玻璃窗不受污染的作用。

1.4 監控電視

監控電視采用一般的液晶顯示器即可。通過顯示器上的視頻接入端口和高溫視頻電纜與高溫攝像機的信號輸出端口相連接，即可獲取現場攝像頭傳回的視頻信號，并在屏幕上顯示出現場實時的視頻畫面。監控電視一般都會安裝在中央控制室內，室內人員通過監控畫面可以隨時以多角度觀察加熱爐內的工作狀況。內窺式高溫攝像機獲取的監控畫面不僅清晰、直接，彌補了由于觀察窗角度限制而造成的觀察不全面的問題；而且人員的工作強度和工作環境也得到了緩解和改善。一般的監控電視中還配置了多畫面合成器，可在顯示器上同時顯示多個畫面，而且每個畫面的寬度大小可以自由調節，從而便于對加熱爐爐前、爐內、爐尾等各環節進行同時監控。

1.5 電氣檢測系統

電氣檢測系統主要是起到檢測攝像機溫度、冷卻水流量和氮氣保護系統氣壓的作用。該系統與一般的電氣檢測系統結構組成相類似，主要由熱敏電阻、微壓差變送器、流量傳感器、監視儀表以及配套的通信線纜組成。電氣檢測系統不間斷地對溫度、氣壓、流量等參數進行巡回檢測。當某一項參數超出正常范圍時，檢測系統便會發出報警，提醒操作人員及時觀察和查找發現問題，采取措施消除參數異常。

1.6 電動推進和退膛裝置

主要為電動馬達，通過電動機和齒輪傳動將固定在推進器上的攝像探頭送入或是退出爐膛，一般由人員在控制室或是現場點動按鈕進行操作。推進器的控制系統會接收到來自現場傳感器的壓力、溫度等參數信息；如果攝像機、高溫光學鏡頭的溫度或是壓縮空氣的壓力等某項參數指標高于或是低于設定值時，電氣檢測系統就會發出報警，同時推進器會發出控制信號給電氣控制箱，啟動電動機，自動將攝像探頭從爐膛內退出。使高溫攝像機在滿足保護條件的情況下，推進進入加熱爐內的高溫工作區；而在溫度、壓力等參數不符合條件時，由人員操作退出高溫工作區，從而保護探頭安全。在攝像機監測運行的過程中，操作室人員還可根據監控畫面的顯示情況，操作攝像機“打開”或是“關閉”光圈，以得到更加清晰和良好的畫面。

1.7 電氣和氣源控制柜

電氣控制柜主要用于高溫攝像機電氣系統的控制和保護，如驅動攝像頭的進退、檢測攝像探頭溫度以及視頻信號、傳感器信號、故障信號的傳輸。設備采用220V交流電供電，為推進和退膛裝置供電；輸出12V直流電為攝像機、行程開關、壓力控制器、溫度控制器供電；自動控制系統則采用5V直流電供電。同時，電氣控制柜還承擔著保護、轉接線纜，分配和傳遞信息以及調整、過濾和分配壓縮空氣的作用，保證了攝像頭的平穩工作。氣源控制柜采用了二級過濾方式，可對壓縮空氣中的粉塵、油、水等進行過濾，以獲得無水、無油的純凈冷卻壓縮空氣，為探頭罩內的攝像機和高溫針孔鏡頭提供冷卻保護。從而使攝像系統能夠在高溫環境下正常工作；每使用6個月～12個月后，清洗和更換濾芯即可。

2 內窺式高溫攝像機的技術特點

內窺式高溫攝像機最大的特點是可以將鏡頭直接伸入到加熱爐的爐壁觀察孔，在高溫工作環境內近距離直接觀察爐內工件運行情況、板坯加熱情況和加熱爐火焰燃燒情況。為了適應加熱爐內特殊的作業環境，滿足對加熱爐爐內觀察的需要，內窺式高溫攝像機需要具備耐高溫、耐腐蝕等技術特點。以在冶金加熱爐比較常用的YZSG-FL內窺式高溫攝像機為例，產品主要具備以下技術特點：

（1）耐高溫、耐腐蝕。內窺式高溫攝像機的工作環境非常特殊，攝像機探頭需要伸入到溫度高達1500℃以上，且燃燒著的爐膛內，并在爐膛內高溫環境中維持長時間連續運行。內窺式高溫攝像機采用了具有良好耐高溫、耐腐蝕性能的合金材質作為攝像機鏡頭的隔熱保護套；同時保護套的雙層結構中還設置了專門的冷卻系統，可有效降低保護套內的溫度，使攝像機探頭處在比較理想的-10℃～70℃的環境溫度范圍內。

（2）視角大、觀察好。內窺式高溫攝像機采用專門的高溫針孔成像儀，視場角最大可達到110°。選擇合適的安裝視角，可以使攝像機探頭全面爐膛內部的工況。

（3）可靠性好。電動機驅動和PLC控制的方式使攝像探頭具備了比較穩定的工作性能，可以及時可靠地完成入膛、退膛、攝像等功能。風冷系統在足夠的空氣壓力下，只需要少量的壓縮空氣吹掃，即可確保高溫攝像機得到有效的清潔和冷卻。風冷的方式可以使攝像頭在長期高溫環境下穩定工作，不容易出現腐蝕損壞。

（4）具有完整的自動保護功能。系統設備按照工業級標準配置，根據其使用工況設置了完善的連鎖自保護功能。比如高溫保護、低氣壓保護等。當攝像機工作環境溫度、壓力等參數不符合條件時，系統PLC自動控制攝像機退膛，離開高溫工作區，從而保護攝像機探頭的安全。在設備遇到突然停電的情況時，相關的傳感器會迅速向電動推進器發出“退膛”指令。然后設備會在UPS電源的保護作用下，驅動攝像頭從高溫爐膛中退出，以達到系統斷電情況下自動保護的目的。在低氣壓保護方面，當壓縮空氣壓力低于規定值0.2MPa時，位于氣路上的壓力開關會將低壓信息傳遞給電氣控制系統，由電機驅動將探頭退出至爐外。

（5）操作控制簡單。內窺式高溫攝像機系統中受控部件較少，電氣結構簡單，只有高溫成像儀和電動推進器。電動推進器采用低速電機驅動，簡單的齒輪與鏈條傳動，動作準確而又及時，可采用手動或是電動控制。通過安裝在控制室內的操作器或者是現場的電氣控制柜，均可對電動推進器進行退出或是伸進；系統也可由連鎖裝置自動進行控制。

3 內窺式高溫攝像機在加熱爐中的使用與維護

3.1 設備的檢測與調試

3.1.1 安裝總檢

設備安裝完畢后，應根據總布置圖、電路圖和接線圖對照設備安裝要求進行全面檢查，檢查各部分連線是否正確。確認無誤后，接通開關電源并通電。此時數顯溫度調節儀的界面上應顯示探頭罩內溫度，監控電視畫面上應有圖像出現，注意觀察。打開壓縮空氣進氣閥，檢查壓力表，保證控制開關處壓力大于0.2MPa。此時設備已可投入運行，可在冷卻空氣接通并正常供氣10min后，接通電源進行操作。確認監控畫面、溫度和壓力等參數顯示無誤后，可對自動退出保護功能進行測試。具體方法是在設備通電通氣10min后，操作探頭伸入爐內，在溫度、壓力等參數正常的情況下觀察設備運行情況。確認無問題后，關閉供氣閥門，此時設備的低壓保護功能應啟動，并自動控制退膛裝置控制探頭退出。高溫保護功能的確認需要在氣壓參數正常的情況下，將溫控儀報警溫度設置到低于儀表顯示溫度，如果此時退膛裝置自動控制探頭退出的話，則說明高溫保護功能正常。

3.1.2 參數的設置與調試

內窺式高溫攝像機屬于自動化電氣設備，投入運行前需要對各項運行參數進行設置與調試。包括PLC參數與程序設置、溫控儀參數設置、壓力傳感器參數設置、攝像機快門與自動白平衡的設置調整、鏡頭焦距的調試等等。這些設備參數可參照操作說明書，并根據監控實際需要進行設置調整。

3.2 內窺式高溫攝像機在加熱爐中的使用

加熱爐是軋鋼生產線的重點部位之一，對熱軋產品的質量控制起著重要作用。內窺式高溫攝像機在加熱爐中可對爐前、爐內、爐尾等不同的部位和環節進行實時監控，有效保證了熱軋生產線的正常生產運行和熱軋鋼坯的質量。其中爐前與爐內監控主要是用于監控板坯的加熱狀態和火焰燃燒情況，觀察板坯狀態、火焰燃燒情況與工藝要求是否相符，并通過板坯控制系統調整出鋼時間和調整空氣、煤氣比例等燃燒參數，以保證板坯加熱質量。此外，爐內監控還用于監控爐內爐渣的堆積情況，操作人員則可監控畫面的指導下，遠程控制清理爐渣。爐尾監控主要用于監視裝鋼機的運行軌跡，裝鋼時對鋼坯的方向進行糾正，以避免鋼坯傾斜、不正常撞鋼等事故的發生。內窺式高溫攝像機工作環境惡劣，粉塵較大。為了消除粉塵影響，保證正常成像，需要保證電源、風源的正常，以保證設備工作時氣流能夠對鏡頭前段粉塵進行吹掃。設備投入運行后，在監控正常的情況下，各種調整好的儀表參數不要再輕易進行調整。如果設備需要維護，則必須將探頭退出爐膛，關閉系統電源并待其完全冷卻后方可進行正常維護。

3.3 設備的定期維護

空氣過濾設備、鏡頭、鏡頭保護管等都是需要定期維護的部件。空氣過濾設備在使用一段時間后，過濾器會出現積水、積油的情況。因此，需要每隔一段時間就對空氣過濾設備的出水閥、出油閥進行放空。如果設備使用中出現氣流不穩和堵塞的情況，也需要對過濾設備進行清理。如果設備出現潮濕現象，需要將設備進行暴曬或是純凈空氣干燥處理。高溫、粉塵的工作環境對于鏡頭和鏡頭保護管來說，也會有很大影響。會導致其出現污染和結灰的情況，并影響監控。當監控視界變小或是圖像模糊不清時，需要將探頭退出，對端蓋氣孔、觀察孔等進行清理，防止有污物堵塞小孔。定期使用軟毛刷或鏡頭紙擦拭鏡頭窺孔和針孔鏡頭前部的藍寶石鏡片表面，以保證圖像清晰。對于鏡頭上灰塵的清理不宜使用工具擦拭，最好使用干凈的氣流吹凈。如果鏡頭污漬較大不易清理，則可用脫脂棉球沾水進行清理；如果鏡頭有損傷，則需要及時更換。不可隨意拆卸鏡頭內部，只可清潔鏡頭前端蓋和前端玻璃片。