付冬梅 孫 靜 楊 燾 陳 鋒

(1.北京科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100083；2.獨(dú)山子石化公司研究院，新疆 克拉瑪依 838600)

石化熱設(shè)備表面紅外儀檢測溫度校正方法

付冬梅1孫 靜1楊 燾1陳 鋒2

(1.北京科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100083；2.獨(dú)山子石化公司研究院，新疆 克拉瑪依 838600)

根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際測得的石化熱設(shè)備數(shù)據(jù)，提出一種基于熱電偶的溫度校正模型，并給出干擾因素影響規(guī)律的補(bǔ)償方法。針對具體的風(fēng)速、風(fēng)向和附近熱設(shè)備的影響，建立了修正補(bǔ)償公式。現(xiàn)場實(shí)際結(jié)果表明所提方法能有效減小紅外熱像儀測量的溫度誤差，達(dá)到溫度修正的目的。

紅外熱像儀 溫度校正 石化熱設(shè)備 干擾因素

紅外熱像檢測技術(shù)發(fā)明于19世紀(jì)60年代，該技術(shù)具有快速、非接觸、全場測定物體表面溫度場分布的優(yōu)越性能。而溫度信息是世間萬物的廣譜信息，因此，在軍事和各民用領(lǐng)域[1]得到廣泛的應(yīng)用，特別是在設(shè)備安全[2]和環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮著越來越重要的作用。如爐窯、煤氣化爐[3]及保溫管道[4]等表面溫度分布情況在一定程度上反映了設(shè)備的保溫效果、熱污染情況和襯里的狀態(tài)。在石化行業(yè)中，各種加熱爐的能源消耗少則占總能源消耗的20%～30%，多則占80%～90%[5]，而且其保溫效果的好壞還直接關(guān)系到設(shè)備的生產(chǎn)效率和運(yùn)行安全，對進(jìn)行安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率和延長設(shè)備使用壽命均具有重要意義[3]。但若對加熱爐保溫狀況或襯里狀態(tài)評估就必須要獲得相對準(zhǔn)確的加熱爐表面溫度分布[6]。

石化熱設(shè)備幾何尺寸巨大，紅外熱像儀經(jīng)常超允許測量范圍使用，造成測量誤差。文獻(xiàn)[7～10]表明，紅外熱像儀在測溫時(shí)，其準(zhǔn)確度將受到諸如光照、風(fēng)速、環(huán)境溫度、設(shè)備表面發(fā)射率及近距離熱設(shè)備輻射等因素的影響，如何校正這些影響因素造成的溫度誤差，是筆者要解決的問題。

熱設(shè)備表面紅外檢測溫度的一般校正方法有兩種：一種是基于所謂的“標(biāo)準(zhǔn)”溫度測量值建立校正模型，筆者以熱電偶[11]獲得此溫度值；另一種是研究干擾因素的影響規(guī)律，并建立其誤差補(bǔ)償模型。

1 基于熱電偶的溫度校正模型的建立

欲對紅外熱像儀測量的溫度誤差進(jìn)行校正，首先需要得到所謂的準(zhǔn)確溫度。筆者以熱電偶的測量溫度T2為準(zhǔn)確溫度，以紅外熱像儀在風(fēng)速小于0.5m/s，無陽光照射，測量距離和設(shè)備表面發(fā)射率滿足儀器要求的情況下得到的，對應(yīng)測點(diǎn)的紅外圖像中的溫度值T1為被校正溫度。圖1為紅外熱像儀測量溫度校正原理。

圖1 紅外熱像儀測量溫度校正原理

可得到如下校正公式：

T*=T1-ΔT

(1)

其中，ΔT=T1-T2,T*為熱電偶校正溫度，實(shí)際上這種校正方式的理想結(jié)果就是T2=T*。以某石化廠轉(zhuǎn)化爐F201為例，在無風(fēng)、無陽光照射、測試距離10m、設(shè)備表面發(fā)射率設(shè)定正確的條件下，分別采用熱像儀和熱電偶采集轉(zhuǎn)化爐外表面同一點(diǎn)處溫度，反復(fù)這種檢測n次得到兩組數(shù)據(jù)，將經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波和均值處理后的數(shù)據(jù)繪制成圖2。

圖2中的R2是相關(guān)系數(shù)，R2的值越接近于1，表示擬合效果越好。定義溫度值線性擬合偏差為：

(2)

圖2 偏差溫度擬合圖

其中，j表示可用的采樣序列數(shù)，n表示采樣的個數(shù)，σi(i=1,2)為擬合偏差。于是可以得到紅外測溫的擬合偏差σ1=0.2085，熱電偶接觸測量的溫度的擬合偏差為σ2=0.2592。

可見，偏差溫度ΔT隨著T1與T2的上升而上升，其中，紅外儀測量溫度與偏差溫度關(guān)系式可近似擬合為：

ΔT=0.1138T1-5.8257

(3)

熱電偶接觸測溫與偏差溫度關(guān)系式可近似擬合為：

T2=7.8309ΔT+51.0611

(4)

至此，在得到紅外熱像儀拍攝的紅外圖像后，首先可以通過式(3)，由紅外熱像圖上的溫度T1得到偏差溫度的預(yù)估值ΔT,然后利用基于式(4)得到溫度T2，即可得校正后的紅外熱像儀的溫度T*。表1給出了一組實(shí)測數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果，其中e1為校正前溫度誤差百分比，e2為校正后溫度誤差百分比。

表1 基于熱電偶的溫度校正模型的檢驗(yàn)表

由表1說明，該方法在一定條件下有較好的校正能力。

2 受干擾因素影響的溫度補(bǔ)償方法

以上基于熱電偶的校正方式是在設(shè)定正確的條件下，但這些約束對生產(chǎn)實(shí)際而言比較苛刻。因此，還需要討論光照、風(fēng)速、風(fēng)向、近距離熱設(shè)備輻射及設(shè)備表面發(fā)射率等這些影響因素。設(shè)備表面發(fā)射率可以通過熱像儀自身所帶的功能修正，而光照影響的修正或補(bǔ)償是一個世界性的難題，目前只能采用規(guī)避的方法來盡量避免[10]。下面討論風(fēng)速、風(fēng)向和附近熱設(shè)備的影響。

2.1風(fēng)速、風(fēng)向的影響與校正

物體表面散熱的主要物理方式有輻射、傳導(dǎo)和對流3種。輻射指機(jī)體以發(fā)射紅外線的方式來散熱；傳導(dǎo)就是機(jī)體通過傳遞分子動能的方式散發(fā)熱量；對流就是空氣的流動，這是以空氣分子為介質(zhì)的一種散熱方式。風(fēng)速和風(fēng)向主要影響的是對流的散熱方式，進(jìn)而對紅外測溫精度造成了一定的影響[12]。

筆者通過風(fēng)速對空氣對流換熱系數(shù)影響而得到的一種更適合工程簡化計(jì)算的溫度修正公式：

(5)

其中，T*表示校正后的溫度；T表示校正前的溫度；ω表示風(fēng)速，m/s；a和b為系數(shù)，需要根據(jù)設(shè)備所處當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況來確定。但上式適合于周圍不存在其他較高大建筑物的情況。例如在新疆某煉油廠，在風(fēng)速小于5m/s時(shí)，經(jīng)實(shí)測檢驗(yàn)得a=1和b=0.35。

當(dāng)設(shè)備周圍存在與設(shè)備相當(dāng)甚至更高大的建筑物時(shí)，就需要考慮風(fēng)向的影響。將風(fēng)向分為圖3所示的3種情況。

校正關(guān)系為：

T*=(1+α)T

(6)

其中α為校正系數(shù)。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，分別按下式取值：

(7)

2.2附近熱設(shè)備的影響與校正

石化系統(tǒng)中，設(shè)備往往以集群形式建造，即某一個熱設(shè)備附近還有與之相當(dāng)?shù)钠渌麩嵩O(shè)備。各個熱設(shè)備表面都會向外產(chǎn)生輻射，由此會對被檢測的熱設(shè)備的溫度場構(gòu)成一定的影響。這里所說的附近設(shè)備是指與所測設(shè)備之間的距離D與自身幾何尺寸min{L,W,H}相當(dāng)?shù)脑O(shè)備，其中L、W、H分別表示設(shè)備的長、寬、高。

圖3 設(shè)備所受風(fēng)向的示意圖

經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)和實(shí)地驗(yàn)證，筆者提出了一種如圖4所示的溫度校正流程。圖中，ΔTe表示相鄰兩設(shè)備之間的表面溫差。

修正經(jīng)驗(yàn)公式中的β、μ與風(fēng)向因子α、設(shè)備發(fā)射率、設(shè)備間的溫差ΔTe成正比，與設(shè)備間的距離D成反比。

3 整體校正

將上述3種情況的溫度校正方法綜合起來，最終可得到整體校正流程(圖5)。

其中TD為溫度閾值，對于某廠的轉(zhuǎn)化爐設(shè)備，TD=50℃，對于某廠的裂解爐設(shè)備,TD=70℃。

為驗(yàn)證校正效果，筆者進(jìn)行兩次現(xiàn)場測試?，F(xiàn)場采集的設(shè)備表面紅外圖像(圖6)的溫度T1，與熱電偶獲得的溫度T2相比偏差較大，采用提出的方法進(jìn)行溫度校正處理。將處理后的溫度數(shù)據(jù)T*與熱電偶測溫儀表獲得的溫度數(shù)據(jù)T2對比，結(jié)果見表2、3，其中e1為校正前溫度誤差百分比，e2為校正后溫度誤差百分比。熱電偶的精度為0.01℃。

圖5 溫度整體校正流程

圖6 現(xiàn)場采集的設(shè)備表面紅外圖像

表2 測試1數(shù)據(jù)對比

表3 測試2數(shù)據(jù)對比

結(jié)果表明，對長波紅外熱像儀現(xiàn)場溫度檢測結(jié)果采用提出的方法進(jìn)行溫度修正后，其偏差減小，提高了測溫精度。對于較低溫度的設(shè)備紅外儀測得的溫度偏低，對于較高溫度的設(shè)備紅外儀測得的溫度偏高。

4 結(jié)束語

為了對石化熱設(shè)備保溫狀況的分析與評估方法進(jìn)行研究，需利用紅外熱像儀實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的紅外測溫診斷，因此對紅外測溫的準(zhǔn)確性、可靠性要求很高。針對該問題，筆者通過理論分析，并結(jié)合加熱爐保溫狀況的實(shí)際數(shù)據(jù)，提出了石化熱設(shè)備的紅外測溫受風(fēng)速、風(fēng)向及附近熱設(shè)備等多種因素影響的溫度誤差校正方法。經(jīng)過對現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)際校正，結(jié)果表明了所提方法的有效性。

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CorrectionMethodforInfraredTemperatureMeasurementofPetrochemicalHeatEquipmentSurface

FU Dong-mei1, SUN Jing1, YANG Tao1, CHEN Feng2

(1.CollegeofAutomation,UniversityofScienceandTechnologyBejing,Bejing100083,China;2.PetroChinaDushanziPetrochemicalCompany,Karamay838600,China)

Basing on the measured data of in-situ petrochemical heat equipment, a thermocouple-based temperature-correcting model was proposed and the relative compensation method for the interference factors was presented. Aiming at the influence from the wind speed and direction and neighboring heat equipment, the detailed analysis was implemented, including the establishment of correction and compensation formula. Application results show that the method proposed can effectively reduce temperature error of the infrared thermal imager so that the purpose of temperature correction can be reached.

infrared thermal imager, temperature correction, petrochemical heat equipment, interference factor

TH811

A

1000-3932(2016)11-1144-04

2016-09-25(修改稿)

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61272358)