一种高炉热风炉拱顶红外光纤温度检测系统及方法

摘要

本发明公开了一种高炉热风炉拱顶红外光纤温度检测系统及方法，属于热风炉拱顶温度检测技术领域。本发明的光学单元包括2片菲涅尔透镜，2片菲涅尔透镜之间通过光纤传输光信号，光信号处理单元包括2个红外探测器、对数比处理器、运算放大器、AD转换器和微处理器，2个红外探测器接收光学单元汇聚的红外光，且2个红外探测器均与对数比处理器相连，对数比处理器、运算放大器、AD转换器和微处理器依次相连。本发明通过2个不同波段的红外探测器将热风炉拱顶内辐射的红外光信号转换为电压信号，对其比值进行对数运算后，再进行放大，使最终得到的电压信号与拱顶温度呈线性关系，该方法不受外界环境因素影响，测温精度高。

说明书

技术领域

本发明属于热风炉拱顶温度检测技术领域，特别基于红外光纤非接触式温度检测技术和 高炉热风炉拱顶温度检测技术的融合，主要完成高炉热风炉拱顶温度的准确、非接触式测量。

背景技术

热风炉是为高炉加热鼓风的设备，是现代高炉不可缺少的重要组成部分。高炉在其不同 的冶炼阶段所需热风温度不同，风温的稳定直接关系到高炉的炉况及铁水质量。顶燃蓄热式 热风炉是现代热风炉的主要形式，欲稳定风温，就必须对热风炉拱顶温度进行准确控制，而 拱顶温度的准确检测是其准确控制的前提。传统工艺采用热电偶检测拱顶温度，是一种接触 式测量方法，检测精度较高，但顶燃式热风炉容易在热电偶的周围形成涡流，极易损坏热电 偶，且热电偶必须在休风状态下更换，安装难度也较大，维护运行成本较高。

随着检测技术的不断发展，红外辐射测温技术已经具备非接触、免维护、低成本等优点， 并已逐步取代传统热电偶测量方式，具有测温范围广，响应速度快，灵敏度高等特点。

目前已有采用红外单波段测温方法来实现非接触式测温的方案，即通过单一的红外探测 器接收物体表面的红外热辐射，利用辐射能量大小与表面温度的对应关系进行求解，如采用 长波红外探测器实现物体表面温度的检测，利用ZnS红外感光材料对高温进行测量。但单波 段测温方法易受现场大气状况、环境温度、被测物体表面发射率等因素的影响，测量精度不 高，一般测量误差在1％FS以上。

此外，在工业上也常用红外双波段测温法(也称比色测温法)，即利用2个不同响应波段 的红外探测器输出信号的比值，来抵消外界因素对2个探测器测量结果所造成的等比偏差， 如通过InAs和InSb光电变换元件输出信号比实现机械加工中切削温度的测量，采用红外光 纤双波段法对桥丝温度的测量，采用带通比色滤波器对50℃～400℃中低温的精确测量。双波 段测温法虽可有效解决单波段红外测温方法存在的问题，但由于现有的双波段测温仪多用光 电二极管作光电转换元件，其内阻较小，必须使用精密运放实现阻抗匹配。此外根据辐射能 量与物体表面的依赖关系(普朗克定律)：M＝C₁*λ^-5/[exp(C₂*λ*T)-1]，其中C₁、C₂为常数， λ为波长，T为物体表面温度，双波段测温与单波段测温一样，其最终输出与待测温度呈非 线性关系，需要对其进行线性化补偿。

经检索，中国专利号ZL200820190496.3，授权公告日为2009年6月17日，发明创造名 称为：高炉热风炉拱顶热风温度测量装置；该申请案在测温头外壳内装半球反射器，所述半 球反射器扣在保护窥视管的上方，聚焦物镜通过套筒座安装在所述半球反射器的顶部，光纤 的一端端面通过套筒座安装在聚焦物镜的焦距处，另一端端面通过机械斩波调制盘与光电传 感器偶合，光电传感器输出的电信号通过前置放大器和单片机处理系统运算，输出与温度对 应的模拟量或数字量。该申请案具有稳定、可靠的特点，但同样存在受外界因素影响大、测 量不准确的缺点。

针对上述测温方案存在的缺陷，急需提供一种效果更优的热风炉拱顶温度检测方案。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明针对目前采用热电偶对热风炉拱顶进行接触式测温，存在热电偶易损坏、安装困 难等缺陷，以及现有红外非接触测温技术存在的受外界因素影响大、测量不准确等缺点，提 出了一种高炉热风炉拱顶红外光纤温度检测系统及方法；本发明通过2个不同波段的红外热 电堆探测器将热风炉拱顶内辐射的红外光信号转换为电压信号，对其比值进行对数运算后， 再进行放大，使最终得到的电压信号与拱顶温度呈线性关系；从已获得的实验数据可得，该 方法不受外界环境因素影响，测温精度高达±0.2％FS；本发明的应用对于稳定风温，降低焦 比、提高铁水质量具有重要意义。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种高炉热风炉拱顶红外光纤温度检测系统，包括光学单元和光信号处理单元， 所述光学单元包括2片菲涅尔透镜，2片菲涅尔透镜之间通过光纤传输光信号，所述的光信 号处理单元包括2个红外探测器、对数比处理器、运算放大器、AD转换器和微处理器，2个 红外探测器接收光学单元汇聚的红外光，且2个红外探测器的输出端均与对数比处理器的输 入端相连，对数比处理器、运算放大器、AD转换器和微处理器依次相连。

更进一步地，所述的2个红外探测器响应波段不同。

更进一步地，所述的红外探测器为红外热电堆探测器。

更进一步地，所述的红外探测器采用型号为TPS2534的集成双通道红外热电堆探测器。

更进一步地，所述红外探测器和菲涅尔透镜之间设置有光过滤器。

本发明的一种高炉热风炉拱顶红外光纤温度检测方法，其步骤为：

步骤一、一片菲涅尔透镜将热风炉拱顶发出的红外光聚焦于一点并送入光纤，另一片菲 涅尔透镜将光纤内的点光源校正为平行光，输送给红外探测器；

步骤二、2个红外探测器将接收到的红外辐射能量转换为电压信号，所述电压信号依次 经对数比处理器和运算放大器进行对数比放大；

步骤三、放大后电压信号经AD转换器转换输入到微处理器中，微处理器直接将所得数 据进行线性化输出。

更进一步地，步骤二中经对数比放大后电压信号为：

V_logout＝K_g·lgr+K_g·lge·[f(Δλ₁,λ₀₁)-f(Δλ₂,λ₀₂)]·T

式中，K_g为运算放大器的增益；其中S_V表示红外探测器电压响应度，A表示 红外探测器的灵敏元面积；Δλ，λ₀分别为红外探测器的响应频带宽度和中心波长，f△λ，λ₀为红外探测器实验拟合函数；T为高炉热风炉拱顶表面温度。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种高炉热风炉拱顶红外光纤温度检测系统，2个红外探测器位置紧靠在 一起，所处环境温度和与高炉热风炉拱顶表面距离及发射率都是相同的，并且共用一套光学 系统，通过两个不同波段的红外探测器输出电压比值，使得系统测量结果不受环境温度、测 量距离等外界因素的影响；

(2)本发明的一种高炉热风炉拱顶红外光纤温度检测系统，经对数比处理器和运算放大 器进行对数比放大后，所得到的输出量与高炉热风炉拱顶表面温度成线性关系，且提高了输 入的动态范围，放大后的电压信号经AD转换器转换输入到微处理器中，微处理器可直接将 温度进行线性化输出，简化了补偿算法的设计，减少了程序设计及标定的工作量；

(3)本发明的一种高炉热风炉拱顶红外光纤温度检测方法，鉴于辐射能量的大小与物体 表面温度有十分密切的关系，通过对高炉热风炉拱顶自身辐射能量的测量，可准确、快速测 定其表面温度。

附图说明

图1为本发明的一种高炉热风炉拱顶红外光纤温度检测系统的结构示意图。

示意图中的标号说明：

1、红外光；2、菲涅尔透镜；3、光纤；41、第一光过滤器；42、第二光过滤器；51、第 一红外探测器；52、第二红外探测器；6、对数比处理器；7、运算放大器；8、AD转换器； 9、微处理器。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

红外辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，自然界一切温度高于绝对零度的 物体，由于分子和原子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波。 分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。辐射能量的大小与物 体表面温度有十分密切的关系。因此通过对物体自身辐射能量的测量，就可准确测定它的表 面温度。不像传统采用的热电偶测温方式需要传感器与被测物体接触，且由于被测物体与传 感器之间热传导的时滞效应，不能实现对被测物体温度快速测量。普朗克定律、维恩位移定 律和斯蒂芬-玻尔兹曼定律定量描述了红外辐射能量的强度与其温度的关系，构成了红外测温 技术的理论基础。

参看图1，本实施例的一种高炉热风炉拱顶红外光纤温度检测系统，包括光学单元和光 信号处理单元，所述光学单元包括2片菲涅尔透镜2，2片菲涅尔透镜2之间通过光纤3传输 光信号，一片菲涅尔透镜2将热风炉拱顶发出的红外光1聚焦于一点并送入光纤3，另一片 菲涅尔透镜2将光纤3内的点光源校正为平行光，以便于红外探测器进行接收。

所述的光信号处理单元包括2个红外探测器(即图1所示的第一红外探测器51和第二红 外探测器52)、对数比处理器6、运算放大器7、AD转换器8和微处理器9，光学单元汇聚 其视场内高炉热风炉拱顶的红外辐射能量，红外辐射能量聚焦在第一红外探测器51和第二红 外探测器52上并转变成电压信号，本实施例在红外探测器和菲涅尔透镜2之间设置了第一光 过滤器41和第二光过滤器42，第一红外探测器51和第二红外探测器52的位置紧靠在一起 且响应波段不同，2个红外探测器均采用红外热电堆探测器。第一红外探测器51和第二红外 探测器52输出端均与对数比处理器6的输入端相连，对数比处理器6、运算放大器7、AD 转换器8和微处理器9依次相连。

本实施例采用红外热电堆探测器作为光电转换元件，热电堆的内阻可达几十千欧姆，与 运算放大器7设置的输入阻抗正好接近，此时运算放大器7可获得较大信号功率，并得到较 高的信噪比(信噪比取决于信号功率与噪声功率的比值)。所以采用红外热电堆探测器易于与 运算放大器的阻抗匹配，利用普通的运算放大器即可。此外，在相同的电信号检测条件下， 红外热电堆探测器能检测到的最小温差是单个热电偶的1/n，其对温度的分辨能力也比光电二 极管高很多。2个不同响应波段的红外热电堆探测器的输出信号相比后，使得系统测量结果 不受环境温度、测量距离等外界因素的影响。经对数比处理器6和运算放大器7进行对数比 放大后，所得到的输出量与高炉热风炉拱顶表面温度成线性关系，且提高了输入的动态范围， 放大后的电压信号经AD转换器8转换输入到微处理器9中，微处理器9可直接将温度进行 线性化输出，简化了补偿算法的设计，减少了程序设计及标定的工作量。

本实施例的温度检测原理如下：

由Stefan-Boltzmann热辐射定律，在一定温度T下，高炉热风炉拱顶(下称被测物体) 表面的光谱辐射能流密度为：

$\psi ={\int }_0^{\infty }M(\lambda ,T)d\lambda ={\int }_0^{\infty }\frac{1}{{\lambda }^5}\times \frac{2\pi ·c^2·h}{\exp [h·c/\left(\lambda ·k·T\right)]-1}d\lambda ---\left(1\right)$

式中：T为被测物体表面温度，k是波尔兹曼系数，h是普朗克常数，c是光速。假定 第一红外探测器51可感应的光谱范围为[λ_L1，λ_H1]，则由被测物体表面辐射出的红外光到达 第一红外探测器51的有效感应区域红外光辐射能量可表示为：

${\psi }_1={\int }_{{\lambda }_{L1}}^{{\lambda }_{H1}}{A}_1·{\alpha }_1·v·M(\lambda ,T)d\lambda ---\left(2\right)$

式中：A₁为第一红外探测器51的灵敏元面积，v为光学单元对被测物体红外辐射光的透 射率，α₁为第一红外探测器51对被测物体表面红外辐射光的吸收率，该系数主要受环境温 度(T_A)、被测物体表面发射率(k)、光学镜头参数(D:通光口径，f：光学系统焦距)以 及探测器与被测物体表面的距离(L)影响，其关系式可描述为：

${\alpha }_1=\frac{D}{f}·L·T_A·k---\left(3\right)$

将式(3)代入式(2)得：

${\psi }_1={\int }_{{\lambda }_{L1}}^{{\lambda }_{H1}}{A}_1·\frac{D}{f}·L·T_A·k·v·M(\lambda ,T)d\lambda ---\left(4\right)$

第一红外探测器51将接收到红外辐射能量转化为电压信号：

$V_1=S_{v1}·{\psi }_1={\int }_{{\lambda }_{L1}}^{{\lambda }_{H1}}{S}_{v1}·A_1·\frac{D}{f}·L·T_A·k·v·M(\lambda ,T)d\lambda ---\left(5\right)$

其中，S_v1为第一红外探测器51的电压响应度。

同理，第二红外探测器52输出的电压为：

$V_2={\int }_{{\lambda }_{L2}}^{{\lambda }_{H2}}{S}_{v2}·A_2·\frac{D}{f}·L·T_A·k·v·M(\lambda ,T)d\lambda ---\left(6\right)$

进行对数比放大并化简得：

$V_{\log out}=K_g·\lg \frac{V_1}{V_2}=\lg \frac{S_{v1}·A_1·{\int }_{{\lambda }_{L1}}^{{\lambda }_{H1}}M(\lambda ,T)d\lambda }{S_{v2}·A_2·{\int }_{{\lambda }_{L2}}^{{\lambda }_{H2}}M(\lambda ,T)d\lambda }---\left(7\right)$

其中，K_g为运算放大器设置的增益，第一红外探测器51和第二红外探测器52位置紧靠 在一起，2个红外探测器所处环境温度和与被测物体表面距离及发射率都是相同的，并且共 用一套光学系统，所以，V₁、V₂相比之后，T_A，k、光学镜头参数(D：通光口径，f：光学 系统焦距)、L等参数相互抵消，通过两个不同波段的红外探测器输出电压比值，使得系统 测量结果不受环境温度、测量距离等外界因数的影响。

令$r=\frac{S_{v1}·A_1}{S_{v2}·A_2}$则

$V_{\log out}=K_g·\lg r+K_g·\lg \frac{{\int }_{{\lambda }_{L1}}^{{\lambda }_{H1}}M(\lambda ,T)d\lambda }{{\int }_{{\lambda }_{L2}}^{{\lambda }_{H2}}M(\lambda ,T)d\lambda }---\left(8\right)$

高炉热风炉拱顶表面的温度正常范围在900到1400℃之间，红外测温装置的量程只要达 到[500℃，2000℃]就能完全满足热风炉拱顶温度检测要求，且一般红外热电堆探测器响应频 带宽度很窄，一般为0.05um左右，波长范围一般在4～6um之间，对于第一红外探测器51有：

${\int }_{{\lambda }_{L1}}^{{\lambda }_{H1}}M(\lambda ,T)d\lambda =\frac{1}{{{\lambda }_{01}}^5}\times \frac{2{\mathrm{\pi c}}^2·h}{\exp [h·c/({\lambda }_{01}·k·T)]-1}·\Delta \lambda ---\left(9\right)$

其中Δλ＝λ_H-λ_L为红外探测器的响应频带宽度，λ0为红外探测器的中心波长，由于 exp[h·c/(λ₀₁·k·T)]远大于1，若令则式(9)可改写成：

${\int }_{{\lambda }_{L1}}^{{\lambda }_{H1}}M(\lambda ,T)d\lambda =e^{f\left({\mathrm{\Delta \lambda }}_1,{\lambda }_{01}\right)·T}---\left(10\right)$

同理对于第二红外探测器52则有：

${\int }_{{\lambda }_{L2}}^{{\lambda }_{H2}}M(\lambda ,T)d\lambda =e^{f\left({\mathrm{\Delta \lambda }}_2,{\lambda }_{02}\right)·T}---\left(11\right)$

其中Δλ，λ₀分别为红外热电堆探测器的响应频带宽度和中心波长，f(△λ，λ₀)为探测器 实验拟合函数，该函数由探测器的固有特性(△λ，λ₀)决定，不受外界因素的影响。

将式(10)和式(11)代入式(8)中得：

V_logout＝K_g·lgr+K_g·lge·[f(Δλ₁,λ₀₁)-f(Δλ₂,λ₀₂)]·T(12)

式(12)中不含环境温度、测量距离等外界参数，提高了热风炉拱顶温度检测的精度和 可靠性。采用对数放大后，所得到的输出量与待测物体表面温度成线性关系，且提高了输入 的动态范围。

本实施例的一种高炉热风炉拱顶红外光纤温度检测方法，其步骤为：

步骤一、一片菲涅尔透镜2将热风炉拱顶发出的红外光聚焦于一点并送入光纤3，另一 片菲涅尔透镜2将光纤3内的点光源校正为平行光，输送给红外探测器；

步骤二、2个红外探测器将接收到的红外辐射能量转换为电压信号，所述电压信号依次 经对数比处理器6和运算放大器7进行对数比放大；

步骤三、放大后电压信号经AD转换器8转换输入到微处理器9中，微处理器9直接将 所得数据进行线性化输出。

本实施例的温度检测方法通过对高炉热风炉拱顶自身辐射能量的测量，可准确、快速测 定其表面温度。从已获得的实验数据可得，该方法不受外界环境因素影响，测温精度高达± 0.2％FS；本发明的应用对于稳定风温，降低焦比、提高铁水质量具有重要意义。

实施例2

本实施例的一种高炉热风炉拱顶红外光纤温度检测系统及方法，基本同实施例1，其不 同之处在于：本实施例将第一红外探测器51和第二红外探测器52合并使用型号为TPS2534 的集成双通道红外热电堆探测器。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也 只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员 受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结 构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。