一種高爐熱風(fēng)爐拱頂紅外光纖溫度檢測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于熱風(fēng)爐拱頂溫度檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別基于紅外光纖非接觸式溫度檢測 技術(shù)和高爐熱風(fēng)爐拱頂溫度檢測技術(shù)的融合，主要完成高爐熱風(fēng)爐拱頂溫度的準確、非接 觸式測量。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱風(fēng)爐是為高爐加熱鼓風(fēng)的設(shè)備，是現(xiàn)代高爐不可缺少的重要組成部分。高爐在 其不同的冶煉階段所需熱風(fēng)溫度不同，風(fēng)溫的穩(wěn)定直接關(guān)系到高爐的爐況及鐵水質(zhì)量。頂 燃蓄熱式熱風(fēng)爐是現(xiàn)代熱風(fēng)爐的主要形式，欲穩(wěn)定風(fēng)溫，就必須對熱風(fēng)爐拱頂溫度進行準 確控制，而拱頂溫度的準確檢測是其準確控制的前提。傳統(tǒng)工藝采用熱電偶檢測拱頂溫度， 是一種接觸式測量方法，檢測精度較高，但頂燃式熱風(fēng)爐容易在熱電偶的周圍形成渦流，極 易損壞熱電偶，且熱電偶必須在休風(fēng)狀態(tài)下更換，安裝難度也較大，維護運行成本較高。
[0003] 隨著檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外輻射測溫技術(shù)已經(jīng)具備非接觸、免維護、低成本等 優(yōu)點，并已逐步取代傳統(tǒng)熱電偶測量方式，具有測溫范圍廣，響應(yīng)速度快，靈敏度高等特點。
[0004] 目前已有采用紅外單波段測溫方法來實現(xiàn)非接觸式測溫的方案，即通過單一的紅 外探測器接收物體表面的紅外熱輻射，利用輻射能量大小與表面溫度的對應(yīng)關(guān)系進行求 解，如采用長波紅外探測器實現(xiàn)物體表面溫度的檢測，利用ZnS紅外感光材料對高溫進行 測量。但單波段測溫方法易受現(xiàn)場大氣狀況、環(huán)境溫度、被測物體表面發(fā)射率等因素的影 響，測量精度不高，一般測量誤差在1% FS以上。
[0005] 此外，在工業(yè)上也常用紅外雙波段測溫法（也稱比色測溫法），即利用2個不同響 應(yīng)波段的紅外探測器輸出信號的比值，來抵消外界因素對2個探測器測量結(jié)果所造成的等 比偏差，如通過InAs和InSb光電變換元件輸出信號比實現(xiàn)機械加工中切削溫度的測量，采 用紅外光纖雙波段法對橋絲溫度的測量，采用帶通比色濾波器對50°C~400°C中低溫的精 確測量。雙波段測溫法雖可有效解決單波段紅外測溫方法存在的問題，但由于現(xiàn)有的雙波 段測溫儀多用光電二極管作光電轉(zhuǎn)換元件，其內(nèi)阻較小，必須使用精密運放實現(xiàn)阻抗匹配。 此外根據(jù)輻射能量與物體表面的依賴關(guān)系（普朗克定律）=M = C1* λ 5/[exp (C2* λ *T)-1]， 其中C1X2S常數(shù)，λ為波長，T為物體表面溫度，雙波段測溫與單波段測溫一樣，其最終輸 出與待測溫度呈非線性關(guān)系，需要對其進行線性化補償。
[0006] 經(jīng)檢索，中國專利號ZL200820190496. 3,授權(quán)公告日為2009年6月17日，發(fā)明創(chuàng) 造名稱為：高爐熱風(fēng)爐拱頂熱風(fēng)溫度測量裝置；該申請案在測溫頭外殼內(nèi)裝半球反射器， 所述半球反射器扣在保護窺視管的上方，聚焦物鏡通過套筒座安裝在所述半球反射器的頂 部，光纖的一端端面通過套筒座安裝在聚焦物鏡的焦距處，另一端端面通過機械斬波調(diào)制 盤與光電傳感器偶合，光電傳感器輸出的電信號通過前置放大器和單片機處理系統(tǒng)運算， 輸出與溫度對應(yīng)的模擬量或數(shù)字量。該申請案具有穩(wěn)定、可靠的特點，但同樣存在受外界因 素影響大、測量不準確的缺點。
[0007] 針對上述測溫方案存在的缺陷，急需提供一種效果更優(yōu)的熱風(fēng)爐拱頂溫度檢測方 案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0009] 本發(fā)明針對目前采用熱電偶對熱風(fēng)爐拱頂進行接觸式測溫，存在熱電偶易損壞、 安裝困難等缺陷，以及現(xiàn)有紅外非接觸測溫技術(shù)存在的受外界因素影響大、測量不準確等 缺點，提出了一種高爐熱風(fēng)爐拱頂紅外光纖溫度檢測系統(tǒng)及方法；本發(fā)明通過2個不同波 段的紅外熱電堆探測器將熱風(fēng)爐拱頂內(nèi)輻射的紅外光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，對其比值進行 對數(shù)運算后，再進行放大，使最終得到的電壓信號與拱頂溫度呈線性關(guān)系；從已獲得的實驗 數(shù)據(jù)可得，該方法不受外界環(huán)境因素影響，測溫精度高達±0. 2% FS ;本發(fā)明的應(yīng)用對于穩(wěn) 定風(fēng)溫，降低焦比、提高鐵水質(zhì)量具有重要意義。
[0010] 2.技術(shù)方案
[0011] 為達到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0012] 本發(fā)明的一種高爐熱風(fēng)爐拱頂紅外光纖溫度檢測系統(tǒng)，包括光學(xué)單元和光信號處 理單元，所述光學(xué)單元包括2片菲涅爾透鏡，2片菲涅爾透鏡之間通過光纖傳輸光信號，所 述的光信號處理單元包括2個紅外探測器、對數(shù)比處理器、運算放大器、AD轉(zhuǎn)換器和微處理 器，2個紅外探測器接收光學(xué)單元匯聚的紅外光，且2個紅外探測器的輸出端均與對數(shù)比處 理器的輸入端相連，對數(shù)比處理器、運算放大器、AD轉(zhuǎn)換器和微處理器依次相連。
[0013] 更進一步地，所述的2個紅外探測器響應(yīng)波段不同。
[0014] 更進一步地，所述的紅外探測器為紅外熱電堆探測器。
[0015] 更進一步地，所述的紅外探測器采用型號為TPS2534的集成雙通道紅外熱電堆探 測器。
[0016] 更進一步地，所述紅外探測器和菲涅爾透鏡之間設(shè)置有光過濾器。
[0017] 本發(fā)明的一種高爐熱風(fēng)爐拱頂紅外光纖溫度檢測方法，其步驟為：
[0018] 步驟一、一片菲涅爾透鏡將熱風(fēng)爐拱頂發(fā)出的紅外光聚焦于一點并送入光纖，另 一片菲涅爾透鏡將光纖內(nèi)的點光源校正為平行光，輸送給紅外探測器；
[0019] 步驟二、2個紅外探測器將接收到的紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為電壓信號，所述電壓信號 依次經(jīng)對數(shù)比處理器和運算放大器進行對數(shù)比放大；
[0020] 步驟三、放大后電壓信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸入到微處理器中，微處理器直接將所 得數(shù)據(jù)進行線性化輸出。
[0021] 更進一步地，步驟二中經(jīng)對數(shù)比放大后電壓信號為：
[0022]
[0023] 式中，&為運算放大器的增益；
其中心表示紅外探測器電壓響應(yīng)度， A表示紅外探測器的靈敏元面積；Δ λ，λ。分別為紅外探測器的響應(yīng)頻帶寬度和中心波長， fA λ，λ。為紅外探測器實驗擬合函數(shù)；T為高爐熱風(fēng)爐拱頂表面溫度。
[0024] 3.有益效果
[0025] 采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與已有的公知技術(shù)相比，具有如下顯著效果：
[0026] (1)本發(fā)明的一種高爐熱風(fēng)爐拱頂紅外光纖溫度檢測系統(tǒng)，2個紅外探測器位置 緊靠在一起，所處環(huán)境溫度和與高爐熱風(fēng)爐拱頂表面距離及發(fā)射率都是相同的，并且共用 一套光學(xué)系統(tǒng)，通過兩個不同波段的紅外探測器輸出電壓比值，使得系統(tǒng)測量結(jié)果不受環(huán) 境溫度、測量距離等外界因素的影響；
[0027] (2)本發(fā)明的一種高爐熱風(fēng)爐拱頂紅外光纖溫度檢測系統(tǒng)，經(jīng)對數(shù)比處理器和運 算放大器進行對數(shù)比放大后，所得到的輸出量與高爐熱風(fēng)爐拱頂表面溫度成線性關(guān)系，且 提高了輸入的動態(tài)范圍，放大后的電壓信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸入到微處理器中，微處理 器可直接將溫度進行線性化輸出，簡化了補償算法的設(shè)計，減少了程序設(shè)計及標定的工作 量；
[0028] (3)本發(fā)明的一種高爐熱風(fēng)爐拱頂紅外光纖溫度檢測方法，鑒于輻射能量的大小 與物體表面溫度有十分密切的關(guān)系，通過對高爐熱風(fēng)爐拱頂自身輻射能量的測量，可準確、 快速測定其表面溫度。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明的一種高爐熱風(fēng)爐拱頂紅外光纖溫度檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 示意圖中的標號說明：
[0031] 1、紅外光；2、菲涅爾透鏡；3、光纖；41、第一光過濾器；42、第二光過濾器；51、第一 紅外探測器；52、第二紅外探測器；6、對數(shù)比處理器；7、運算放大器；8、AD轉(zhuǎn)換器；9、微處 理器。
【具體實施方式】
[0032] 為進一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細描述。
[0033] 實施例1
[0034] 紅外輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，自然界一切溫度高于絕對 零度的物體，由于分子和原子的熱運動，都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的 電磁波。分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。輻射能量的 大小與物體表面溫度有十分密切的關(guān)系。因此通過對物體自身輻射能量的測量，就可準確 測定它的表面溫度。不像傳統(tǒng)采用的熱電偶測溫方式需要傳感器與被測物體接觸，且由于 被測物體與傳感器之間熱傳導(dǎo)的時滯效應(yīng)，不能實現(xiàn)對被測物體溫度快速測量。普朗克定 律、維恩位移定律和斯蒂芬-玻爾茲曼定律定量描述了紅外輻射能量的強度與其溫度的關(guān) 系，構(gòu)成了紅外測溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)。
[0035] 參看圖1，本實施例的一種高爐熱風(fēng)爐拱頂紅外光纖溫度檢測系統(tǒng)，包括光學(xué)單元 和光信號處理單元，所述光學(xué)單元包括2片菲涅爾透鏡2, 2片菲涅爾透鏡2之間通過光纖 3傳輸光信號，一片菲涅爾透鏡2將熱風(fēng)爐拱頂發(fā)出的紅外光1聚焦于一點并送入光纖3， 另一片菲涅爾透鏡2將光纖3內(nèi)的點光源校正為平行光，以便于紅外探測器進行接收。
[0036] 所述的光信號處理單元包括2個紅外探測器（即圖1所示的第一紅外探測器51 和第二紅外探測器52)、對數(shù)比處理器6、運算放大器7、AD轉(zhuǎn)換器8和微處理器9,光學(xué)單 元匯聚其視場內(nèi)高爐熱風(fēng)爐拱頂?shù)募t外輻射能量，紅外輻射能量聚焦在第一紅外探測器51 和第二紅外探測器52上并轉(zhuǎn)變成電壓信號，本實施例在紅外探測器和菲涅爾透鏡2之間設(shè) 置了第一光過濾器41和第二光過濾器42,第一紅外探測器51和第二紅外探測器52的位置 緊靠在一起且響應(yīng)波段不同，2個紅外探測器均采用紅外熱電堆探測器。第一紅外探測器 51和第二紅外探測器52輸出端均與對數(shù)比處理器6的輸入端相連，對數(shù)比處理器6、運算 放大器7、AD轉(zhuǎn)換器8和微處理器9依次相連。