紅外測溫儀案例 ETG－BJ030001
項目單位：某鋼鐵有限公司 儀器設(shè)備：Kleiber 315K
一、背景應(yīng)用
焦化爐是延遲焦化裝置的核心設(shè)備，又稱煉焦?fàn)t，是用于煤煉焦的設(shè)備。是焦化技術(shù)中的關(guān)鍵。煤焦化技術(shù)的應(yīng)用已有200多年的歷 史，其爐子的結(jié)構(gòu)形式經(jīng)歷了許多變化。初期煉焦仿造燒木炭的過程 采用成堆干餾。18世紀(jì)中期，開始演變成磚砌的半封閉式長窯爐。
1763年開始采用全封閉式圓窯即蜂窩爐。成堆干餾和窯爐干餾共同的特點(diǎn)是內(nèi)部加熱，即炭化和燃燒在一起，靠燃燒一部分煤和干餾煤 氣直接加熱其余的煤而干餾成焦。19世紀(jì)中期，焦?fàn)t技術(shù)發(fā)生轉(zhuǎn)折 性變革，從窯爐發(fā)展到外部加熱的炭化室煉焦階段，出現(xiàn)倒焰爐。這 種焦?fàn)t是將成焦的炭化室和加熱的燃燒室用墻隔開，在隔墻上部設(shè)有 通道，炭化室內(nèi)煤的干餾氣經(jīng)此通道直接流入燃燒室，與來自燃燒室 頂部風(fēng)道的空氣混合，自上而下地流動燃燒，這種爐子已經(jīng)具備了現(xiàn) 代焦?fàn)t基本的特征。19世紀(jì)70年代，建成了回收化學(xué)產(chǎn)品的焦?fàn)t， 使煉焦走向生產(chǎn)多種產(chǎn)品的重要階段。此后不久，1883年建成了利 用煙氣廢熱的蓄熱式焦?fàn)t，至此，焦?fàn)t在總體上基本定型。
現(xiàn)代焦?fàn)t（見彩圖）爐體由炭化室、燃燒室和蓄熱室三個主要部 分構(gòu)成(圖1)。一般，炭化室寬0.4～0.5m、長10～17m、高4～7.5m，頂部設(shè)有加煤孔和煤氣上升管(在機(jī)側(cè)或焦側(cè))，兩端用爐門 封閉。燃燒室在炭化室兩側(cè)，由許多立火道構(gòu)成。蓄熱室位于爐體下 部，分空氣蓄熱室和貧煤氣蓄熱室。
現(xiàn)代化焦?fàn)t主要部分用硅磚砌筑，火道溫度可達(dá)到1400℃。成 焦時間因炭化室寬度和火道溫度不同，一般為 13～18h。焦?fàn)t機(jī)械 有裝煤車、推焦車、導(dǎo)焦車和熄焦車等（圖2）。由裝煤車把煤裝入炭 化室，煉成的焦炭用推焦車推出，赤熱的焦炭經(jīng)導(dǎo)焦車落入熄焦車內(nèi)， 經(jīng)水熄或回收熱能的干法熄焦（見彩圖）。熄過的焦炭放到焦臺上。 焦炭經(jīng)過篩選后作為產(chǎn)品外送。
為了改善煉焦生產(chǎn)條件，現(xiàn)代焦?fàn)t操作除了機(jī)械化、自動化之外， 還建有防治煙塵和處理污水裝置。電子計算機(jī)也已開始用于焦?fàn)t操 作。爐子向大型化發(fā)展，炭化室有效容積增加到50m3。為了提高焦 爐生產(chǎn)能力，采取降低爐墻厚度和選用導(dǎo)熱性能好的爐墻磚等措施， 將是發(fā)展的趨勢。
焦化爐是延遲焦化裝置的核心設(shè)備，是否安全運(yùn)行直接影響到焦化裝置的長周期生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益。由于延遲焦化裝置的原料為重質(zhì)渣 油，密度大、黏度高、加熱過程中易結(jié)焦。為了避免管內(nèi)嚴(yán)重結(jié)焦， 必須在流速快、熱強(qiáng)度較高的操作條件下，使油品在加熱爐中能迅速 達(dá)到所需溫度。而熱強(qiáng)度大又會導(dǎo)致管壁溫度升高而引起結(jié)焦，所以 必須采取措施減小熱強(qiáng)度不均勻性，降低管壁局部溫度。但如何 準(zhǔn)確掌握爐膛及爐管溫度場情況一直是難以解決的問題，傳統(tǒng)的方法 是在爐膛和爐管的不同部位安裝熱電偶，但熱電偶在高溫環(huán)境中極易損壞或漂移，給工藝操作控制帶來了極大困難。使用紅外熱像技術(shù)監(jiān) 測爐管溫度場，可準(zhǔn)確了解加熱爐的運(yùn)行狀態(tài)，給提高煉量提供了可 靠保證，能夠產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。
圖3 焦?fàn)t外觀
圖4 焦?fàn)t外觀
二、焦化爐使用紅外測溫的注意事項
確定測溫范圍 確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀重要的一個性能指標(biāo)。每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍。因此，用戶的被測溫度范圍 一定要考慮準(zhǔn)確、周全，既不要過窄，也不要過寬。根據(jù)黑體輻射定 律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發(fā)射率誤 差所引起的輻射能量的變化，因此，測溫時應(yīng)盡量選用短波較好。一般來說，測溫范圍越窄，監(jiān)控溫度的輸出信號分辨率越高，精度可靠 性容易解決。測溫范圍過寬，會降低測溫精度。確定目標(biāo)尺寸 紅外測溫儀根據(jù)原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀（輻射比色測溫儀）。對于單色測溫儀，在進(jìn)行測溫時，被測目標(biāo)面積應(yīng)充滿測溫儀 視場。建議被測目標(biāo)尺寸超過視場大小的50%為好。如果目標(biāo)尺寸小 于視場，背景輻射能量就會進(jìn)入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數(shù)，造 成誤差。相反，如果目標(biāo)大于測溫儀的視場，測溫儀就不會受到測量 區(qū)域外面的背景影響。對于比色測溫儀，其溫度是由兩個獨(dú)立的波長 帶內(nèi)輻射能量的比值來確定的。因此當(dāng)被測目標(biāo)很小，不充滿視場， 測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對輻射能量有衰減時，都不對測 量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。對于細(xì)小而又處于運(yùn)動或震動之中的目標(biāo)，比色測溫儀是較好選擇。這是由于光線直徑小，有柔性，可以在彎曲、 阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量確定距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）。
雙色測溫儀，其溫度是由兩個獨(dú)立的波長帶內(nèi)輻射能量的比值來 確定的。因此當(dāng)被測目標(biāo)很小，沒有充滿現(xiàn)場，測量通路上存在煙霧、 塵埃、阻擋對輻射能量有衰減時，都不會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。甚至 在能量衰減了95%的情況下，仍能保證要求的測溫精度。對于目標(biāo)細(xì) 小，又處于運(yùn)動或振動之中的目標(biāo)；有時在視場內(nèi)運(yùn)動，或可能部分 移出視場的目標(biāo)，在此條件下，使用雙色測溫儀是較好選擇。如果測溫儀和目標(biāo)之間不可能直接瞄準(zhǔn)，測量通道彎曲、狹小、受阻等情況 下，雙色光纖測溫儀是較好選擇。這是由于其直徑小，有柔性，可以 在彎曲、阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量，因此可以測量難以接 近、條件惡劣或靠近電磁場的目標(biāo)。
確定波長范圍 目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應(yīng)波長對于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。在高溫區(qū)，測量金屬材料的較好波長是近紅外，可選用0.8～1.0μm。其他溫區(qū)可選用1.6μm,2.2μm和3.9μm。由于有些材料在一定波長上是透明的，紅外能 量會穿透這些材料，對這種材料應(yīng)選擇特殊的波長。如測量玻璃內(nèi)部 溫度選用1.0μm，2.2μm和3.9μm（被測玻璃要很厚，否則會透過）波 長；測玻璃表面溫度選用5.0μm；測低溫區(qū)選用8～14μm為宜。如測 量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm，聚酯類選用4.3μm或7.9μm，厚度超 過0.4mm的選用8-14μm。如測火焰中的CO用窄帶4.64μm，測火焰中 的NO2用4.47μm。
響應(yīng)時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)最后讀數(shù)的95%能量所需要時間，它與光電探測器、信號處理電路 及顯示系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)。紅外測溫儀響應(yīng)時間可達(dá)1ms。這要比 接觸式測溫方法快得多。如果目標(biāo)的運(yùn)動速度很快或測量快速加熱的 目標(biāo)時，要選用快速響應(yīng)紅外測溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號響應(yīng)， 會降低測量精度。然而，并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測溫 儀。對于靜止的或目標(biāo)熱過程存在熱慣性時，測溫儀的響應(yīng)時間就可 以放寬要求了。因此，紅外測溫儀響應(yīng)時間的選擇要和被測目標(biāo)的情 況相適應(yīng)。確定響應(yīng)時間，主要根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動速度和目標(biāo)的溫度變 化速度。對于靜止的目標(biāo)或目標(biāo)參在熱慣性，或現(xiàn)有控制設(shè)備的速度 受到限制，測溫儀的響應(yīng)時間就可以放寬要求了。
環(huán)境條件考慮 測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結(jié)果有很大影響，應(yīng)予考慮并適當(dāng)解決，否則會影響測溫精度甚至引起損壞。當(dāng)環(huán)境溫度高，存在灰塵、 煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護(hù)套、水冷卻、空氣冷卻 系統(tǒng)、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護(hù)測 溫儀，實現(xiàn)準(zhǔn)確測溫。在確定附件時，應(yīng)盡可能要求標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，以降低安裝成本。當(dāng)在噪聲、電磁場、震動或難以接近環(huán)境條件下，或 其他惡劣條件下，煙霧、灰塵或其他顆粒降低測量能量信信號時，光 纖雙色測溫儀是較好選擇。比色測溫儀是較好選擇。在噪聲、電磁場、 震動和難以接近的環(huán)境條件下，或其他惡劣條件時，宜選擇光線比色 測溫儀。
在密封的或危險的材料應(yīng)用中（如容器或真空箱），測溫儀通過窗口進(jìn)行觀測。材料必須有足夠的強(qiáng)度并能通過所用測溫儀的工作波 長范圍。還要確定操作工是否也需要通過窗口進(jìn)行觀察，因此要選擇 合適的安裝位置和窗口材料，避免相互影響。在低溫測量應(yīng)用中，通 常用Ge或Si材料作為窗口，不透可見光，人眼不能通過窗口觀察目標(biāo)。 如操作員需要通過窗口目標(biāo)，應(yīng)采用既透紅外輻射又透過可見光的光 學(xué)材料，如應(yīng)采用既透紅外輻射又透過可見光的光學(xué)材料，如ZnSe 或BaF2等作為窗口材料。
當(dāng)測溫儀工作環(huán)境中存在易燃?xì)怏w時，可選用本征安全型紅外測 溫儀，從而在一定濃度的易燃?xì)怏w環(huán)境中進(jìn)行安全測量和監(jiān)視。
在環(huán)境條件惡劣復(fù)雜的情況下，可以選擇測溫頭和顯示器分開的 系統(tǒng)，以便于安裝和配置。可選擇與現(xiàn)行控制設(shè)備相匹配的信號輸出。
三、案例應(yīng)用
Kleiber 315K 是為滿足焦化廠的特殊需求而設(shè)計的一款特殊的 手持式測溫儀器，該儀器是與德國的龍頭焦化爐生產(chǎn)商合作開的產(chǎn) 品，這種合作確保了該儀器的可靠性和易用性。
Kleiber 315K采用的是1.58-1.8μ m，測溫范圍600-1600度,屬于 短紅外紅外點(diǎn)溫儀，短紅外的特性使得該點(diǎn)溫儀可以透過鋼化玻璃測 量爐內(nèi)溫度。
該款儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)可存儲高達(dá) 2000 組含有時間和日期 的測試數(shù)據(jù)，確保了所有與控制訪問焦化爐有關(guān)的數(shù)據(jù)的完整性；這 樣也就保證了質(zhì)量管理文檔的充分性！可調(diào)焦鏡頭，與透鏡瞄準(zhǔn)方式 相結(jié)合的方式確保了在 12 米處的距離可以測量 42 毫米的目標(biāo)，也因此可以保證爐內(nèi)測試時對同一測試區(qū)域的瞄準(zhǔn)更為容易！測試結(jié)果清晰地顯示在取景器中kG315B 可單手操作，通過儀器頂部的按鈕完成測試過程。通過儀器的紅外接口，可以在巡檢后將儀器的內(nèi)部存儲信息轉(zhuǎn)移到PC 上；測試軟件可以顯示測量結(jié)果且將測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為 EXCEL 分析。
四、結(jié)論
kG315B 短波高溫測溫儀在現(xiàn)場安裝調(diào)試之后成功地完成了客 戶的測溫要求，得到了客戶的認(rèn)可。
