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(yè)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(shù)有限公司，安徽 合肥 230088）

旨在開展紅外輻射測溫系統(tǒng)研究，以探測器像元所接收的目標輻照度為基礎(chǔ)，詳細分析了紅外探測系統(tǒng)的信噪比、靈敏度和探測誤差，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵參數(shù)，并對系統(tǒng)面均勻性進行了細致的校準。針對工業(yè)現(xiàn)場特殊應用環(huán)境，建立系統(tǒng)背景補償模型進行對比實驗和連續(xù)觀測實驗，對比結(jié)果：平均值相差0.15℃，標準差4.4℃，滿足工業(yè)現(xiàn)場溫度測量精度要求；連續(xù)觀測實驗與裂解爐實際運行情況完全一致，表明該系統(tǒng)能夠解決管式工業(yè)爐爐管表面溫度連續(xù)實時監(jiān)測的技術(shù)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(yè)各類加熱爐中，無論是從經(jīng)濟效益還是安全性考慮，溫度測量在世界范圍內(nèi)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(yè)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(yè)各類加熱爐溫度變化范圍是400℃～1200℃，結(jié)構(gòu)和操作類似于蒸汽鍋爐，但管內(nèi)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(shè)計溫度就會發(fā)生二次裂解反應產(chǎn)生碳沉積，導致管內(nèi)結(jié)焦，嚴重時甚至堵塞爐管而發(fā)生爆炸；爐管表面溫度稍低于設(shè)計溫度又會出現(xiàn)反應不徹底，產(chǎn)品收率降低，極大地影響企業(yè)的經(jīng)濟效益[1]。由于爐管溫度的恰當控制直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟效益、生產(chǎn)設(shè)備的安全性、設(shè)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(jiān)控。

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

1 測量原理

根據(jù)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(tài)變化等影響因素，并假設(shè)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(tǒng)微面元上的輻照度為[2]：

式中：d為紅外探測系統(tǒng)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(fā)輻射；(sur)為環(huán)境背景輻射；p為光程上介質(zhì)透過率；t為探測目標發(fā)射率；為待測目標溫度；sur為環(huán)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(nèi)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(tǒng)探測器單位微面元上接收的目標自發(fā)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(nèi)輻射體的自發(fā)紅外輻射量。

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

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(nèi)所激發(fā)的光電子數(shù)；為紅外光學系統(tǒng)透過率；/為紅外鏡頭孔徑比。若采用雙波段比色測溫技術(shù)，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(tǒng)的輻照度

從上述分析可知，雙波段比色測溫技術(shù)可有效消除未知發(fā)射率變化所產(chǎn)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(chǎn)生的測量誤差。

在穩(wěn)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(chǎn)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(tǒng)的溫度靈敏度：

則系統(tǒng)溫度探測誤差：

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)

針對管式工業(yè)爐運行溫度高、防護壁層厚、長周期運行等應用環(huán)境特點，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了專業(yè)化特殊設(shè)計，結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(shè)計，給系統(tǒng)分光、濾波等后續(xù)光路設(shè)計提供足夠的物理空間。

2）高通高反分光結(jié)構(gòu)設(shè)計；鏡頭設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計；分光棱鏡30°楔角設(shè)計給濾波片和探測器裝調(diào)留有足夠空間，結(jié)構(gòu)小且緊湊，穩(wěn)定性高。

3 系統(tǒng)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(jié)構(gòu)設(shè)計，容易造成光學系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)探測精度。校準儀器：IS-4008中型均勻光源系統(tǒng)，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(chǔ)上，利用均勻光源系統(tǒng)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(shù)陣列，各像元照度除以對應系數(shù)即可將各像元補償一致。利用均勻光源還可檢測系統(tǒng)光學中心是否偏斜和面非均勻性，如圖4(a)所示，被測系統(tǒng)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(diào)整后再進行均勻性補償，結(jié)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(tǒng)像差和色差所產(chǎn)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(tǒng)相對誤差[6]。

系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

圖3 分光棱鏡透過率和反射率設(shè)計曲線

表1 測溫系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

圖4 紅外探測系統(tǒng)光學系統(tǒng)檢測與面均勻性校準

4 對比實驗與連續(xù)觀測實驗

管式工業(yè)爐內(nèi)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?；旌衔铮臻g上各向異性且瞬態(tài)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(jié)構(gòu)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(huán)境中，目標表面高溫氧化和滲碳導致表面發(fā)射率隨時間變化。由于待測目標處于高溫燃燒爐膛環(huán)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(zhì)輻射、散射、吸收的影響，且考慮了系統(tǒng)噪聲：

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

利用紅外測溫系統(tǒng)進行工業(yè)現(xiàn)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(shè)計溫度極限1080℃。根據(jù)裂解爐實際運行情況做背景補償，然后進行現(xiàn)場對比實驗和連續(xù)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(shù)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(cè)和中間各位置，測點覆蓋爐膛內(nèi)各位置高溫管和低溫管，對比結(jié)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(tǒng)測量溫度，由圖可見：二者測量結(jié)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(yè)現(xiàn)場溫度測量精度要求。

圖5 測溫儀和紅外測溫系統(tǒng)對比實驗

連續(xù)觀測實驗從2015年11月3號至2016年4月26號，連續(xù)6個月不間斷實時監(jiān)測，測量結(jié)果如圖6所示。由于裂解爐運行期間爐管內(nèi)部積碳逐漸增加，熱傳導率下降，導致爐管表面溫度會持續(xù)上升，圖中數(shù)據(jù)為相鄰3根高溫管上設(shè)置的3個固定測溫點連續(xù)6個月日平均溫度跟蹤結(jié)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(nèi)爐管表面溫度持續(xù)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(nèi)部積碳，溫度降至最低點，此后又開始連續(xù)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(xù)測量期間沒有發(fā)現(xiàn)其他異常現(xiàn)象，與實際運行情況完全一致，表明紅外測溫系統(tǒng)可以連續(xù)穩(wěn)定地進行爐管表面溫度探測。

圖6 紅外測溫系統(tǒng)連續(xù)溫度測量實驗

5 結(jié)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(chǔ)，詳細分析了紅外探測系統(tǒng)的信噪比、靈敏度和探測誤差，介紹了系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)，強調(diào)了面均勻性校準的必要性，明確了校準過程。針對工業(yè)現(xiàn)場特殊應用環(huán)境，建立了背景補償模型，并進行了現(xiàn)場對比實驗和連續(xù)觀測實驗。對比實驗說明了紅外測溫系統(tǒng)的測量精度能夠滿足管式工業(yè)爐爐管表面溫度監(jiān)測的精度要求，連續(xù)觀測實驗說明了紅外測溫系統(tǒng)能夠持續(xù)、穩(wěn)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(yè)爐爐管表面溫度實時監(jiān)測的技術(shù)難題。

[1] Pregowski P, Goleniewski G, Komosa W, et al. Applications of dynamic IR thermography in studying operation of the heaters[J]., 2005, 5782: 83-92.

[2] Pregowski P, Goleniewski G, Komosa W, et al. An empirical research in application of dynamic, multispectral-band IR thermal images for investigations of petrochemical furnaces[J].,, 2008, 7100: 71002B-1-10.

[3] Pregowski P, Goleniewski G, Komosa W, et al. Heating medium absorption and emission as factors in thermographic investigations of petrochemical furnaces[J]., 2009, 7299: 1-11.

[4] Pregowski P, Goleniewski G, Komosa W, et al. New method of dynamic and multispectral thermography elaborated for inspection of petrochemical process furnaces[J]., 2005, 5948: 1-11.

[5] 張華, 潘際鑾, 廖寶劍, 等. 圖像比色法溫度場實時檢測系統(tǒng)各個因素對測溫的影響[J]. 中國科學(E輯), 1998, 28(1): 63-68.

ZHANG Hua, PAN Jiluan, LIAO Baojian, et al. Effect of various factors on for temperature measurement of image colorimetric method[J].(), 1998, 28(1): 63-68.

[6] 張金城, 廖守億, 張作宇, 等. 電阻陣列非均勻性校正實時性改進[J]. 紅外技術(shù), 2015, 37(11): 921-925.

ZHANG Jincheng, LIAO Shouyi, ZHANG Zuoyu, et al. Real-time improvement for resistor array nonuniformity correction[J]., 2015, 37(11): 921-925.

[7] Michael B Kaplinsky, Jun Li, Nathanial J McCaffrey, et al. Recent advances in the development of a multiwavelength imaging pyrometer[J]., 1997, 36(11): 3176-3187.

[8] 唐磊, 倉亞軍, 吳海濱, 等. 裂解爐爐管溫度實時在線監(jiān)測與分析[J]. 乙烯工業(yè), 2015, 27(2): 42-46.

TANG Lei, CANG Yajun, WU Haibin, et al. Real time on-line monitoring and analysis of temperature of cracking furnace tube[J]., 2015, 27(2): 42-46.

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

TANG Lei1，WU Haibin2，CANG Yajun3，F(xiàn)ENG 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(guān)項目（1604a0902152）；安徽省高校自然科學研究重點項目（KJ2016A581）。