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水泥旋窑应用复合快速扫描温度监测系统
日期:2008-8-8 1:01:25 来源:中国自动化网  
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关键词:行扫描仪 红外辐射 辐射测温法 复合快速扫描 编码器
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摘要:对于湿法回转窑,快速检测胴体表面温度系统的性能价格比,一直是需解决的难题。本文就湿法回转窑的表面温度的检测进行了革命性的探索,并取得了显著的效果。
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  在水泥工业中,水泥熟料的煅烧是整个生产过程中最重要的工艺环节,回转窑是该环节的核心,它的运转情况直接关系到回转窑产出熟料的产量、质量、原燃料消耗和成本。回转窑内温度过高、热振荡过大,会损坏回转窑的窑衬,严重时将殃及窑胴体。在回转窑运行期间,及时了解窑内状况,适时采取相应措施,防止窑衬及窑胴体损坏,才有可能实现窑经济运行的目标。实际生产过程中,直接监测回转窑内部煅烧情况是困难的;窑胴体表面周围是一个灼热的温度场,它是在窑内外多种因素作用下形成的,自然也包含了不少来自窑内的信息,这些信息在很大程度上客观地反映了窑内的情况。
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  在水泥回转窑运行过程中,如能及时、准确地检测出窑胴体表面各点的温度,经处理分析后就能客观、及时地反映窑内状况,帮助操作人员有的放矢地、适时地采取对策,改善对窑的操作,获取更好的经济效益和社会效益。
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1、国内应用窑胴体温度在线监测技术的发展
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  窑胴体温度是水泥回转窑生产过程中重要的热工参数之一。但是,窑胴体表面温度不同于其他热工参数,难以用常规的检测、分析和显示手段来达到预期的目的。
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  八十年代初,我国陆续引进先进生产工艺和成套装备,窑胴体温度在线监测设备也随之引进,自此,窑胴体温度在线监测技术开始应用于我国水泥工业。通过消化、吸收引进技术,我国相继推出了几种型号的国产化窑胴体温度检测系统,
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  HWX—1型窑胴体温度检测系统是国产化检测系统中比较有代表性的一种,该系统采用往复直线移动扫描工作方式,以模拟仪表和记录仪作为二次仪表,对温度和位置信号作显示与记录。该系统有两个明显的缺点:一是扫描速度太慢,测温头形成的检测靶面在扫描过程中不能完全覆盖烧成带胴体表面,造成漏检,且附属设备多,故障率高,降低了系统的可靠性,也降低了系统的性能价格比;二是仅用模拟仪表对温度和位置信号作单一的瞬时值显示,提供的信息量小,反映的窑内状况欠全面与直观,预报不够及时,在一定程度上妨碍了操作人员对不正常窑况进行及时而有效的干预。
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  另一种比较有代表性的检测系统采用步进摆角扫描工作方式,以单片机对检测所获的数据进行采集和处理,再对温度及段面作多元数字显示。这类系统的扫描速度和可靠性都有所提高,但提供的信息量仍较小。
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  HFS系列窑胴体温度计算机监测系统是九十年代初开始应用于国内水泥工业的。这一类系统仍采用步进转角扫描工作方式测温,数据的实时采集与处理则由计算机来完成。这类系统技术先进、性能优良、运行稳定可靠,在数据的处理与显示方面已达到国外同类系统水平。监测系统能通过计算机给出窑胴体表面温度场的分布,全面而直观地揭示窑内状况,及时地为操作人员做出预报与提示,在国内应用与推广的过程中受到广泛的欢迎与好评。推广应用窑胴体温度在线检测技术过程中,我们在湿法窑系统碰到了这样的问题:如果不采用快速扫描技术,将烧成带胴体表面温度完整地检测一次,耗时约五十分钟到一个小时,大大影响了胴体温度检测的实时性和采取相应对策的及时性,用户希望提高系统的扫描速度;但是,具备快速扫描功能的行扫描仪价格昂贵,系统价格动辄近百万元人民币,用户又无法承受。解决系统的扫描速度与系统价格之间的矛盾,为用户提供扫描速度比较快、价格低廉的窑胴体温度检测系统,是我们应集中力量加以解决的新课题。
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2、复合快速扫描窑胴体温度计算机监测系统的组成和工作原理
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2.1系统硬件组态
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  系统硬件主要由红外扫描测温仪、窑同步触发装置、窑位置检测传感器、窑位置编码器、数据采集报警装置、计算机、显示器、打印机等设备组成,如图1所示。
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      图1 系统组成
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  图2绝对黑体辐射亮度是绝对温度与波长的函数
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2.2红外辐射测温原理
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  世界上的物体只要它的温度高于绝对零度,它就会不停地向周围空间以电磁波的形式辐射能量。这种电磁波是由物体内部的带电粒子在原子和分子内振动产生的,通常称之为热辐射。热辐射电磁波的波长范围为10–3~10–8m,由波长相差很大的红外线、可见光和紫外线组成。检测物体的热辐射,进而根据物体的热辐射与温度之间的定量关系来确定物体温度的测温方法称为辐射测温法。
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  辐射测温法以经典热力学、电磁理论和量子力学为理论依据,通过理论研究,得到了被检测量与发射体热力学温度间的定量关系。普朗克应用量子理论研究了黑体的辐射,发现了著名的普朗克定律,它的表述如下:
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上式中: - 绝对黑体光谱辐射出射度(W·m-2·μm-1);
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    λ - 波长(μm); T - 物体的绝对温度(K);
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    C1 - 普朗克第一辐射常数(W·m-2);
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    C2 - 普朗克第二辐射常数(m·K)。
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  根据上述表达式,我们可以绘出在不同的绝对温度下,绝对黑体的光谱辐射出射度与波长的关系曲线。
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  在从零到无穷大的波长范围内积分普朗克公式,即可得到绝对黑体从单位面积辐射到半球空间总辐射出射度的表达式:
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  上式又称为斯忒藩—波耳兹曼定律。在上式中:
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  M0(T)- 绝对黑体总辐射出射度(W·m-2);
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  σ-斯忒藩—波耳兹曼常数。
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  此定律表明,黑体总辐射出射度随其温度的增加而迅速增加,这种增加与黑体的绝对温度的四次幂成正比,可以想象,黑体温度任何一个小的变化,都会引起其辐射出射度的很大的变化。
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  实际物体不是绝对黑体,它的辐射特性与绝对黑体不完全相同,可以用下面的公式来表述:
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    M(T)= εTσT4
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上式中:M(T)- 一般物体的总辐射出射度(W·m-2);
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    εT-温度为T时全波长范围内的材料发射率。
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  也就是说,检测到物体的辐射功率,即可以获知物体的温度,这就是辐射测温的基本原理。在具体操作的时候,因检测的物理量和检测方法的不同,红外辐射测温又可以分为检测辐射温度、亮度温度和颜色温度。在胴体温度监测系统中检测的一般为辐射温度。
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2.3系统工作原理
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  监测系统在计算机的控制下,红外扫描测温仪中的辐射测温仪按复合快速扫描的方式,将窑胴体表面各测量元的温度按一定顺序和扫描轨迹转换成电信号采集到计算机中,再经数字滤波、线性化、温度校正以后储到相应的单元中。整个待测段胴体表面(20多米)划分成2000多个测量元。由于监测系统应用了复合快速扫描技术,需要通过多场数据合成才能形成完整的帧数据,因而数据的扫描检测及数据的快速采集过程必需和回转窑的旋转严格保持同步,才有可能使测量的温度值与测量元位置正确对应。
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  复合快速监测系统应用独创的旨在提高时间有效利用率的扫描法,将每一帧数据分解为若干场来扫描检测;每一场中划分为若干行、每一行中划分为若干段、每一段中又划分为若干个测量元;窑位置编码器的编码脉冲作为每一段扫描检测的基准信号,一段内各测量元的扫描检测是连续进行的;段与段之间的扫描检测是断续进行的;每当检测完一段的温度以后,辐射测温仪已由扫描起点扫描至扫描终点,而后快速返回扫描起点,进行下一段的扫描检测,窑每转过一圈,即标志一场温度数据的扫描检测已完成,窑同步触发开关产生的同步基准信号是每一个扫描检测场的同步基准。各场的扫描检测完成以后,计算机通过数据和图像合成形成一帧完整的检测数据,计算机对帧检测数据作进一步的处理,即可以给出各种曲线、图像和数字信息。

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