利用红外温度计实现回转窑温度在线检测的新方法

0 引言 回转窑在冶金、建材等行业中应用非常广泛，它可以完成对物料的干燥、焙烧、挥发等不同的工艺作业。随着行业工艺的不同，回转窑内物料种类、加热方式、燃料、温度、负压控制条件等差异也很大，但大多数情况下都要求进行温度控制，因此回转窑的温度是一个关键参数，它直接影响到产品的产量、质量和能耗。 回转窑的温度测量一直以来都被认为是一个难题，因为回转窑的转动给测量带来了诸多不便。测温方式分为接触式和非接触式。 1 测温方式 1.1接触式 接触式测温是一种传统方式，在回转窑轴线上需要测量的位置处沿径向插入感温元件（如热电偶），直接测量回转窑的温度，其电信号（热电势）通过固定在回转窑体上的滑环和外部的电刷系统引出，滑环和电刷系统是专门为适应窑体转动而设计的，这种方法的优点是测量信号能直接、真实地反映回转窑内的温度，测量方法简单，投资少。但是这种方法也有致命的缺点，一是滑环和电刷系统磨损严重，引出信号接触不好，需要经常更换，并且由于滑环和电刷系统不能保证很好的接触，从而导致输出信号波动大；二是由于高温下物料对热电偶保护管的冲击、磨损、腐蚀导致热电偶保护管寿命很短，有时刚装上热电偶，由于窑内物料结块的机械碰撞，保护套管很快就损坏，三是用这种方法得到的信号很难用于闭环控制。 1.2非接触式 鉴于接触式测温有以上几个方面的缺点，人们开始寻求利用非接触式测温对回转窑内的温度进行测量，非接触式测温避免了测量装置与被测物料的直接接触，而且测量装置是静止的，与窑体没有机械接触，不存在接触式测温带来的诸多问题。据了解到目前为止利用非接触式方式测量回转窑内的温度，有以下几种方法： 方法1：利用非接触式温度计（红外、光学高温计等）测量，即将镜头从窑头或窑尾对准测量区域进行测量。实践表明，采用这种方法很难准确地对回转窑内的温度进行测量，存在的问题主要表现为：（1）光路污染造成测量不准确。被测区域与测量装置之间由于受回转窑内烟气中的粉尘、水雾的影响致使被测区域目标的辐射能在达到测量装置镜头前就被吸收了一部分，使测量装置的显示值低于被测区域目标的实际值；被测区域目标的温度是一个综合温度，温度场与外界之间的传递包括热对流、辐射和传导，而回转窑内烟气中的粉尘、水雾的影响因素变化规律不固定，随着工艺条件如进料量、燃烧状况、窑内负压波动、火焰、烟气变化等外界影响因素的变化而变化，所以无法在测量装置上进行修正。(2)只能在窑头或窑尾进行测量，无法对窑体中部各点进行测量，使用范围受到限制。 方法2：回转窑简体扫描温度测量系统，即利用非接触式的温度计测量窑体表面温度，通过测量装置取出测量信号送到计算机后再通过软件来分析窑内的温度情况。由于回转窑内的工况随工艺和处理物料的不同，差异很大，物料在窑内的分布情况也很难确定，受进料量的大小、负压、回转窑转速、物料在不同温度下粘结程度的影响很大，所以回转窑是典型的多变量、时变和分布参数的非线性系统，热工过程非常复杂，很难为其建立合适的数学模型，因此要想通过这种方法来准确测量窑内温度也很困难。但是可以通过测量窑体表面温度的方法，判断窑内的耐火材料是否脱落。 方法3：利用燃烧火焰图像特征的状态识别系统，即由视觉检测系统获取火焰图像进行预处理、分割、特征提取与识别，间接地得到回转窑的温度。用人工神经网络来进行自适应控制，是控制复杂非线性系统的新方法，易于实现多参数并行处理，具有容错能力。但对于回转窑内烟气粉尘大、能见度低的复杂工况也是无能为力2。 基于以上3种方法对回转窑的温度测量存在的不足，我们设计了一种全新的测量方法，并通过了一年多的实验，证明该方法确实可行。 2 新型测温方法 在回转窑的窑体上沿径向安装一个一端封底、一端开口的圆管形感温元件，将红外温度计的镜头安装于回转窑径向的水平线上并与感温元件轴向水平线对齐，如图l所示。 图1 回转窑测温示意图 Fig 1 Schematic drawing of rotary kiln temperature measuring 当回转窑转动到感温元件与红外温度计处于同一轴线上时，可测得一个窑体内部的温度信号（感温元件低部位封底一端位于回转窑内部），感温元件内部可近似为绝对黑体，测量误差可通过调整二次仪表的辐射系数进行补偿，随着回转窑的转动，红外温度计的测量输出曲线上是一个个的尖脉冲信号，脉冲信号的峰值(图2中的T₁,T₂，T₃和T₄)就是我们所需要的回转窑内部的温度值，2个峰值之间的距离是回转窑转动一周的时间（周期），如果回转窑转速不变，有t₁=t₂=t₃，当把曲线上每个峰值用一条曲线相连接，即可得到一条平滑的曲线（用二次仪表的电子信号处理单元是可以实现的），该曲线就是回转窑内部的温度变化曲线。 图2 红外温度计测量曲线 Fig 2 Measuring curve of infrared thermometer 3 实验与结果对比 根据以上方法我们在生产现场进行了实验，实验对象是某冶炼厂用于高温氯化挥发冶炼有色金属的回转窑，主要生产工艺是物料通过回转窑高温加热焙烧后将物料中的某些元素挥发出来。回转窑长28m，直径2.8m，转速小于1r／min，利用粉煤、空气混合燃烧对回转窑内的物料加热焙烧，处理物料为粉状矿物经制粒烘干后形成的Φ为15mm左右的球团。 3.1 红外温度计选型 选择云南仪表厂引进的英国兰德公司Q系列系统Ⅱ多卡红外温度计。 温度计型号：OQO7／13C 22P1200 分度号：Q203C 精度：0.6％ 反应时间：≤1ms 配用电子信号处理单元：2M-Q07／13C L.P.X 透镜孔径：35mm 电子信号处理单元中拾峰卡捕捉时间：≤5ms 自制感温元件尺寸（长×外径×管壁厚）：600mm×50mm×5mm 聚焦距离：1200mm 计算实际感温元件底部的直径为：50-（2×5）=40mm 根据生产厂家提供的资料，红外温度计最小目标直径为25mm。所以实际的感温元件完全能满足要求。 按回转窑转速为1r／min计算（实际生产中回转窑转速均小于1r／min），回转窑转动时表面的线速度为： 转过感温元件底部直径40mm所需的时间为t=272ms，远大于拾峰卡捕捉时间5ms。故最小目标直径和响应时间都完全能满足仪表要求。 红外温度计量程根据实际的生产情况选择为700～1300℃，当窑体转动时，红外温度计实际测到的温度是窑体表面或感温元件底部的温度。当转动到镜头对准感温元件底部时，所测到的是窑内温度，窑内温度在700～1300℃之间；当转动到镜头离开感温元件底部时，所测到的是窑体表面温度，而窑体表面温度低于700℃，此时红外温度计的输出为仪表零点。故红外温度计的输出在仪表零点与窑内温度之间变化，回转窑每转动一周就得到一个这样的脉冲信号，如图2所示。为了使输出信号的变化范围减小，又保证得到需要的信号，在选配电子信号处理单元时我们选配了一块拾峰卡，当检测到的信号低于一个周期内的峰值时，输出信号开始衰减（衰减速度可调），调整衰减速度使衰减后的输出值小于下一个周期的峰值，以便再次拾取下一个峰值。这样输出曲线就类似锯齿波的形状，图3是记录仪表记录的输出波形，峰值即为回转窑内部的真实温度，二个峰值之间的时间为回转窑转动一周的时间。 图3 记录仪表的输出波形 Fig 3 Output wave of recording meter 3.2 安装与调试 按照图1所示进行安装，红外温度计镜头距感温元件底部为1m，注意红外温度计镜头与感温元件应安装在同一轴线上，并有适当的调整余量。调试时为得到回转窑内部的真实温度，将1只铠装热电偶安装在感温元件内部，让热电偶的工作端与感温元件底部接触并作相应的暂时固定，但不能影响红外温度计测量，调整红外温度计的辐射系数K，以热电偶的测量结果为真实值，使红外温度计的测量结果等于热电偶的测量结果，多次反复调整，得到如表1所示数据。 表1热电偶与红外温度计测量数据对照表 Tab 1 Comparison between measurement data from thermocouple and infrared thermometer 从表1可看出，红外温度计的辐射系数K太大或太小，误差都偏大，将感温元件的底部近似为绝对黑体是有理论依据的，取适当的辐射系数K（试验选取K=0.8）可减小测量误差。 4 误差分析 从表1可以看出红外温度计的测量结果与热电偶的测量结果存在误差，误差存在的原因有以下几方面：（1）感温元件的长度远大于直径，内部近似为绝对黑体但不是绝对黑体，可通过调整红外温度计的辐射系数K来进行补偿；（2）选择用热电偶的测量结果作为真实值本身就存在误差，对比测量时热电偶的输出是用电位差计进行测量，未考虑热电偶和电位差计本身的误差；（3）热电偶冷端处于室外温度变化较大，虽然作了测量补偿，但不可能完全补偿；（4）实验是在生产现场进行，环境中粉尘、烟气对红外温度计镜头难免会造成影响。任何测量都可能存在误差，只要测量误差在允许范围之内，都是可以接受的。 5 存在问题及解决方法 与采用热电偶的接触式测量方法相比，由于感温元件尺寸增大了，因此比热电偶保护套管坚固，使用寿命有了很大增加，最长的一次使用了31d，大多数在20d左右，但是还有待于提高，如果再增加感温元件的厚度，虽然强度增加了，但带来了温度测量的滞后。如果能找到一种耐高温、耐腐蚀