專利名稱：一種適用于高溫環(huán)境的在線光學測溫裝備和組網(wǎng)測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種適用于安裝在焦化爐頂立火道上的，在線光學測溫裝備和多傳感器節(jié)點的組網(wǎng)測量方法，屬于光學測溫和焦爐熱控的工業(yè)自動化領域。
背景技術：
焦爐立火道的溫度測量，目前有紅外便攜式人工測溫，熱電偶在線測溫和紅外線測溫三種方式?，F(xiàn)有技術的不足和缺點
一、用便攜式紅外測溫儀，人工瞄準火道底部的鼻梁磚或焦爐煤氣燃氣孔測溫，傳統(tǒng)而普及，但每4小時循環(huán)測量一次，不便于實現(xiàn)焦爐加熱的計算機調控。并且，要在將近7-10 米(不同爐型)的測距，精確瞄準和按鍵儲存上百個測點溫度，得有射擊打靶的專業(yè)水準，工人勞動強度大，實際測量結果的準確性和可信度難以控制。二、在線式測溫，便于實現(xiàn)焦爐加熱的計算機調控。通常采用從蓄熱室頂部插入熱電偶，以蓄頂溫度再換算火道溫度，由于換算的數(shù)學模型不夠完善，爐況變化時，誤差就大。 寶鋼三期焦爐引進日本的熱控技術，用熱電偶測量直行標準火道的上層溫度，這比蓄頂溫度來得直接，但其橫排，還是用人工測量火道底部的鼻梁磚溫度，需要補正，因此，在校對和比較時，會有補正誤差。另外，高溫熱電偶的保護套管在火道中容易碎裂，斷落的碎管會影響燃燒室底部的燃氣加熱。還有，爐頂大量熱電偶傳輸線的鋪設，貴金屬熱偶的消耗更新， 運行維護費用昂貴。三、用紅外在線測溫，理論上沒有損耗，與傳統(tǒng)普及的人工測量方法相近，測量點可以相同，有利于校對，比較。國內從2006年初起，嘗試使用該方法，但測量的裝備和方法還在逐漸完善和成熟的過程中。某實用新型專利申請于2006年5月，未見按專利所述實施，數(shù)個煤焦化企業(yè)率先在現(xiàn)場采用的是某研究所設計、生產，型號為XTIR-F915的光纖紅外測溫儀，至2010年底，數(shù)量有百多套。儀表探頭的安裝，是用螺絲將探頭法蘭固定在中心打孔的立火道小爐蓋上，前批次探頭高出爐蓋平面約130mm，后批次約40mm左右，要跪倒在約150°C的爐面磚上，彎腰低頭貼近約200°C的小爐蓋，才能通過光學探頭去目視瞄準爐內測點；不確定小爐蓋中心與火道底部測量點是否在一條同軸垂線上，不能保證小爐蓋完全水平放置并紋絲不動，肉眼可以見到火道底部有紅色亮暗的溫度偏差；因此，探頭瞄準角度的任何微小變化，其7-9米以外的測點和測量值就會有較大偏差。2008年到2009年的某焦爐節(jié)能攻關項目，用上述測溫儀器，得出“焦爐全自動紅外測溫系統(tǒng)測溫點與目前三班測溫完全相同，測溫誤差不大于士2°C”的結論。當工業(yè)紅外溫度計校準用的黑體源，在實驗室條件下，其1300°C的不確定誤差還允許為“士2°C ”時，當三班測溫，即便對同一火道，在同一時間，用同一臺測溫儀，連續(xù)幾次測量值的重復性誤差“不大于士2°C”也無把握時；當 “全自動紅外測溫系統(tǒng)”的數(shù)臺儀表，對“完全相同”的“系統(tǒng)測溫點”，現(xiàn)場用的發(fā)射率修正值竟然不相同時；顯然結論超越了其現(xiàn)有技術所能做到的程度，只能是一種人為修飾的表象。另一方面，無論是現(xiàn)有熱電偶還是紅外在線測溫，要在高溫爐頂鋪設和維護大量的長線纜或長光纖，施工和維護都很麻煩。四、燃燒室是從底部燃氣孔向上燃燒加熱的，爐內等溫線隨高度變化；現(xiàn)有紅外測溫技術，測量的是火道底部鼻梁磚或焦爐煤氣孔口的溫度，熱電偶測量的是火道上層的空氣溫度或蓄熱室頂部空氣的溫度；在表征燃燒室溫度時應該不是最佳測點。

發(fā)明內容
本發(fā)明的任務是提供能同時解決下列問題的總體技術方案
方便瞄準和精確鎖定測量目標，節(jié)減或省略大量鋪設的傳輸光纖和線纜，選擇和建立一個能表征燃燒室溫度的合理測點。本發(fā)明采用的技術方案的主要特征是
A)—個取代立火道小爐蓋的，安裝并可精確調整和鎖定光學探頭測量指向的基座。B)—根長臂瞄準杠桿，作為專用工具，使光學探頭能方便瞄準到爐內特定測點；同時，可具有測溫功能。C) 一個光纖紅外測溫探頭，一根短距離傳輸光纖，和一個冷藏室，使紅外測溫傳感器，電路模塊和工作電池，在高溫爐頂能長期正常工作。D)采用多節(jié)點有線組網(wǎng)測量方法，在機側和焦側兩排標準火道上，各采用一條電源總線和一條信號總線。E)在機側和焦側兩排標準火道上的終端測溫節(jié)點帶無線通訊功能和自供電，設立一個總的網(wǎng)關節(jié)點。建立點對多點的一個ZigBee無線傳感器測溫網(wǎng)絡。F)從立火道口向下可瞄準到的，在與碳化室中焦餅中心高度對應的燃燒室墻上， 建出一個能合理表征燃燒室溫度的新測點。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果是
1)瞄準精確安裝人員可以站在高溫爐頂，輕松撬動長臂光學瞄準杠桿，找到爐內特定測點；拔出杠桿后，目標自動鎖定，不會偏離；可方便換裝紅外測溫探頭?？刹僮餍院兔闇示壬小?)測量快捷帶翻蓋的基座，經(jīng)第一次瞄準鎖定后，后續(xù)測量，只要打開翻蓋，插入長臂光學瞄準杠桿，即可顯示和存儲與前一次測量完全相同的測點的溫度，橫排火道人工測溫可因此變得方便、快捷、精確。3)節(jié)減線纜僅以有線組網(wǎng)測量為例，終端測溫節(jié)點都掛接在機側或焦側的一條電源總線和一條信號總線上；施工、維護方便，節(jié)減大量光纖、線纜。4)低成本運行與貴金屬熱電偶測溫相比，紅外測溫理論上沒有損耗；與超長光纖和線纜傳輸相比，一段短光纖損壞的概率很小，運行維護成本低。5)便于推廣以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡測量為例，只要替換一個立火道小爐蓋， 就可進行點對點的現(xiàn)場測溫和傳輸，立竿見影的演示效果，便于推廣應用。6)測點合理從立火道口向下可以看到的新建測點，與同高度燃燒室墻面溫度，最為接近；與隔墻的碳化室焦餅同高度處的中心溫度也最為接近。7)有助于焦爐熱控上述新建測點與同高度燃燒室墻面、碳化室墻面、焦餅表面的對應點的溫度，依次傳導，最為接近；因首尾兩點溫度可方便實測，燃燒室和碳化室之間的隔墻厚度、墻磚熱導系數(shù)可知，裝煤，加熱，火落和出焦時間點可知或可測；所以，建立加熱過程的數(shù)學模型，會更完善、精確，有助于焦爐的計算機熱控。


圖1.本發(fā)明的光學測溫裝備和用于焦化爐立火道測溫的示意圖； 圖2.在焦化爐頂有線組網(wǎng)測量的電源和信號二總線制方法的示意圖； 圖3.在焦化爐頂無線組網(wǎng)測量的點對多點的ZigBee方法的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步的描述。如圖1.所示，一個替代立火道小爐蓋的紅外光學測溫探頭安裝基座(100)，下層 (101)用膨脹螺絲(109)固定在爐頂磚上，上層(102)靠3個均布的壓簧和螺絲(103)與下層(101)連接，彈性夾持中間的一個帶窺視管(106)的球體(105)；作為工具的瞄準杠桿 (500)，上端是一個目鏡、物鏡后調焦的光纖紅外測溫探頭(501)，以下是一根長約1.6米左右窺視管(502)，管下端有斜楔面(503)便于插入基座中的窺視管(106)，兩管的內、外徑同軸滑配，杠桿窺視管(500)有一個徑向臺階(504)限定插入深度。撬動杠桿(500)，使基座 (100)內的球體(105)轉動，改變窺視管(106)的爐內指向，瞄準特定測點，夾持在瞄準杠桿 (500)上的便攜式光纖紅外測溫儀(505)，可顯示和存儲測點溫度。拔出杠桿(500)后的球體(105)靠壓簧(103)自動鎖定，為保險起見，還可用3個均布的螺絲(109)將球體(105)鎖死，隨后插入紅外測溫探頭(201)，用環(huán)扣(108)鎖合二片連接法蘭；如果，用于人工測溫， 以后只要打開翻蓋，插入杠桿(500)，不用再瞄準，即可快捷準確地完成測溫。如圖1.所示，一個雙層不銹鋼真空冷藏室(300)，其內壁與所放置的物件之間還有填充的柔性氣凝膠保溫層(301)。一塊金屬冷凝板(604)將內部空間隔離為上下兩層，上層緊貼冷凝板(604)放置半導體制冷器(600)，其熱面向上，與平板環(huán)路熱管散熱器的蒸發(fā)器(601)緊貼，并通過熱管(602 )將其冷凝器(603 )引出盒外。下層貼近冷凝板(604)安裝紅外測溫傳感器(203)、電子模塊(204)和工作電池(205)。電纜、光纖和熱管等，從盒蓋的一面引出，該面的氣凝膠保溫層(302)和外層金屬護件，為拼圖模塊狀，安裝時，管線嵌在相鄰兩塊拼縫的預留孔內。冷藏室(300)架空放置在一個金屬框架(400)內，框架上層置遮陽板(401)，其上表面有反熱輻射涂層，框架下層置架空的爐面熱輻射擋板(402)，其下表面有反熱輻射涂層。如圖1.所示，無線組網(wǎng)測溫時，冷藏室(300)內的測溫電子模塊(204)有引出天線 (206)，增加了無線通訊功能，金屬框架(400)的上層多了太陽能電池板(800)，下層多了一塊與爐面接觸的半導體溫差發(fā)電模塊(600)組件，組件包括金屬均熱板(604)，平板環(huán)路熱管散熱器(601，602，603)，上述裝備成為一個無線終端測溫節(jié)點。如圖1.所示，本發(fā)明設置一個合理表征燃燒室溫度的新測點在碳化室焦餅高度的中心線和隔墻燃燒室立火道中心垂線相交的對應點位置，從燃燒室的兩邊墻面上各砌出一截U型磚槽(902)，槽口向上，拖住一根橫跨的硅碳棒(900)，從立火道口向下，可瞄準到其中間部分(901)測溫，要求硅碳棒(900)不阻擋看到底部的鼻梁磚(903)和焦爐燃氣口 (904)。這樣，便于選擇新的或傳統(tǒng)的測點，進行測量和校對比較。如圖2.所示，有線組網(wǎng)測溫時，在機側和焦側兩排標準火道上排列的有電子編碼序列號的每個終端測溫節(jié)點的冷藏室(300)內引出的電源線和信號線接在電源總線(Li) 和信號總線(L2)上，組成多節(jié)點雙總線制有線測溫網(wǎng)絡，所有上傳信號匯集于現(xiàn)場總節(jié)點 (001)，組成一個現(xiàn)場有線測溫網(wǎng)絡，由現(xiàn)場總節(jié)點(001)與上位機(002)進行無線通訊。
如圖3.所示，無線組網(wǎng)測溫時，在機側和焦側兩排標準火道上排列的有電子編碼序列號的每個終端測溫節(jié)點帶無線通訊功能，有通訊天線，有獨立的太陽能電池板和溫差發(fā)電模塊供電，一個現(xiàn)場網(wǎng)關節(jié)點(001)，組成點對多點的一個ZigBee無線傳感器測溫網(wǎng)絡；由(001)與上位機(002 )進行無線通訊。
權利要求
1.一種適合用在焦化爐頂，安裝在立火道口，精確瞄準和鎖定特定測點，測量燃燒室溫度的光學測溫裝備和在線組網(wǎng)測量的方法，每一個終端測溫節(jié)點的基本裝備是一個安裝探頭的基座(100)，一套光纖紅外測溫儀(200)，一個冷藏室(300)，以及一個在爐頂架空安置冷藏室(300)的框架(400)；上百個這樣的有電子編碼序列號的終端節(jié)點，在焦化爐頂?shù)膬蓚葮藴驶鸬郎习仓?，組成一個在線測溫網(wǎng)絡；所述的紅外測溫裝備，其結構特征是有一個取代立火道小爐蓋的，并可調整和鎖定其所帶窺視管(106)的測量指向的基座(100)；在窺視管(106)的上端，安裝有一個小翻蓋 (107)，用于人工測溫，插入安裝光學探頭(201 )，則用于在線測溫；所述的紅外測溫裝備，其結構特征是有一根專用的長臂瞄準杠桿(500)，它是一個目視光學測溫瞄準器(501)，接一根長臂窺視管(502)，用于插入和撬動基座中的球體(105) 使其轉動，以改變基座窺視管(106)的測量指向，杠桿(500)上夾持一個便攜式光纖紅外測溫儀的信號處理顯示盒(505)，與上端的光學測溫瞄準器(501)用短光纖相連，除用作撬動工具外，同時可用作測量工具；所述的紅外測溫裝備，其結構特征是紅外測溫傳感器(203)和智能電路模塊(204)及工作電池(205)安裝在一個冷藏室(300)中；所述的紅外測溫裝備，其結構特征是冷藏室(300)帶有半導體制冷器(600)，確保在外界高溫環(huán)境的長期影響下，盒內溫度對紅外測溫傳感器(203)，電子模塊(204)和工作電池(205)的工作始終是合適的；所述的紅外測溫裝備，其用于燃燒室溫度測量的方法的特征是除可按常規(guī)測溫方法， 瞄準火道底部的鼻梁磚或焦爐煤氣孔外，本測量方法新建一個特定測點，即從立火道口往下，可瞄準到架設在燃燒室兩邊爐墻上的一根耐高溫管材(900)進行測溫；所述的紅外測溫裝備，其無線組網(wǎng)測量的特征是各終端測溫節(jié)點帶有天線(305)，具有無線通訊功能，并有一塊太陽能電池板(800)和一塊爐頂溫差發(fā)電模塊(700)，為電池 (205)充電和為冷藏室內的制冷模塊(600)供電；所述的紅外測溫裝備，其無線組網(wǎng)測量的特征是焦化爐頂機側和焦側兩排上百個終端節(jié)點，與一個網(wǎng)關節(jié)點(001)，在焦化爐頂組成一個一點對多點的ZigBee無線測溫傳感器網(wǎng)絡；所述的紅外測溫裝備，其有線組網(wǎng)測量的特征是各終端測溫節(jié)點掛接在焦爐機側或焦側的一條電源總線(Li)和一條信號總線(L2)上，分時上傳測量的溫度值和獲取工作電流；所述的紅外測溫裝備和測量方法，不受在焦化爐頂使用的局限，凡在類似的工況環(huán)境中，貼近熱源，調整探頭精確目視瞄準測量目標有困難的，在無法通水、通氣冷卻的情況下， 測溫儀的傳感器和電路模塊需要隔熱和冷藏保護才能正常工作的，大用量高溫線纜光纖鋪設要求節(jié)簡的使用場合，采用上述裝備和測量方法，均屬本發(fā)明要求的權利范圍。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學測溫裝備的安裝基座(100)，其結構特征是有上下二層 (101和102)，用3個均布的壓簧和螺栓(103)連接，彈性夾持中間的一個帶窺視管(106) 的球體(105)；基座(100)在焦化爐頂立火道口代替小爐蓋安裝，其下層(101)靠膨脹螺絲 (109)固定在爐面磚上；基座下層(101)與球體(105)接觸的中心環(huán)孔為有耐高溫自潤滑涂層的內球面，與球體(105)表面密封吻合；基座的窺視管(106)上端的法蘭平臺帶有一個小翻蓋(107)，適用于人工紅外測溫；打開翻蓋(107)，插入安裝紅外光學探頭(201)，將兩個對接法蘭用環(huán)扣(108)鎖合，則用于在線測溫。
3.根據(jù)權利要求1所述的光學測溫裝備的長臂光學瞄準杠桿(500)，其結構特征是一個目視光學瞄準器(501)，連接一根有一個有徑向臺階(504 )和下端楔面(503 )的長窺視管 (502)；瞄準器(501)可作為光纖紅外測溫儀的光學探頭，與夾持在窺視管(502)上的便攜式光纖紅外測溫儀的信號處理顯示器(505)用光纖連接，具有杠桿和測溫的雙重功能。
4.根據(jù)權利要求1所述的光學測溫裝備的冷藏室(300)，其結構特征是一個雙層不銹鋼真空冷藏室(300)，內壁與所放置的器件之間有柔性氣凝膠填充層(301，302);線纜、光纖和制冷器散熱管，從盒蓋的一面引出，該面的氣凝膠保溫層(302)和外層金屬護件，為拼圖模塊狀，安裝時，管線嵌在相鄰兩塊拼縫的預留孔內穿過。
5.根據(jù)權利要求1所述的光學測溫裝備的冷藏室(300)，其結構特征是有一塊金屬冷凝板(604)將內部空間隔離為上下兩層，上層緊貼冷凝板放置半導體制冷器(600)，其熱面向上，與平板環(huán)路熱管的蒸發(fā)器(601)緊貼；下層貼近冷凝板(604)安裝測溫傳感器(203)、 電子模塊(204)和可充電的工作電池(205)。
6.根據(jù)權利要求1所述的光學測溫裝備的金屬框架(400)，其結構特征是框架(400) 中間架空放置冷藏室(300)，框架(400)上層置遮陽板(401)，無線測溫時，加太陽能電池板 (800)，框架下層置架空的爐面熱輻射擋板(402)，無線測溫時，加爐頂半導體溫差發(fā)電模塊 (700)組件。
7.根據(jù)權利要求1所述的光學測溫裝備的半導體溫差發(fā)電模塊(700)和半導體制冷模塊(600)，其結構特征是模塊的上層帶有小型高效的平板環(huán)路熱管散熱器組件 (601，602，603或701，702，703)，模塊的下層帶有一塊金屬導熱基板(604或704);發(fā)電模塊 (700)供電給制冷模塊(600)，發(fā)電和制冷模塊的面積比一般采用3:1到8:1為宜。
8.根據(jù)權利要求1所述的光學測溫裝備，其有線組網(wǎng)測量的特征是有電子編碼序列號的上百個終端測溫節(jié)點，在機側和焦側的直行標準火道上排成二行，每側配置一條電源總線(Li)和一條信號總線(L2)，各節(jié)點依次分時與上位機通訊，傳送數(shù)據(jù)和取電。
9.根據(jù)權利要求1所述的光學測溫裝備，其無線組網(wǎng)測量的特征是各終端測溫節(jié)點有天線(305)，帶無線通訊功能，以及太陽能電池板(800)和溫差發(fā)電模塊(700)，另用一個網(wǎng)關節(jié)點(001)在爐頂組成點對多點的一個ZigBee無線傳感器測溫網(wǎng)絡。
10.根據(jù)權利要求1所述的光學測溫裝備和測量方法，其建立的新測溫點的特征是在對應于碳化室焦餅高度中心的燃燒室兩邊爐墻上各砌出一截凸出的U形槽磚(902)，槽口向上，架住一根硅碳棒(900)，從立火道口往下能瞄準到其中間部分(901)進行測溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學測溫儀器，及其適用于在焦化爐頂，安裝在立火道口，測量燃燒室溫度的裝備和方法。其特征是有一個取代立火道小爐蓋的，安裝紅外測溫光學探頭的基座；一根配套的長臂光學瞄準杠桿，作為調節(jié)瞄準爐內特定測點的專用工具；一套光纖紅外測溫儀，一個冷藏室，以及一個在爐頂架空安置冷藏室的框架。本發(fā)明的特點是在貼近焦爐高溫爐面的工況條件下，能精確瞄準和鎖定爐內特定測點，節(jié)減和省略大量爐頂線纜，長期可靠在線工作；其安裝、調試和維護方便；在工業(yè)先進性和實用性上，超越現(xiàn)有技術。
文檔編號G01J5/02GK102297723SQ20111013176
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權日2011年5月20日
發(fā)明者袁國炳 申請人:袁國炳