一种高炉热风炉拱顶红外光纤温度检测系统及方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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°C~400°C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C1X2S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。
[0006] 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。
[0007] 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】
[0008] 1.发明要解决的技术问题
[0009] 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。
[0010] 2.技术方案
[0011] 为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0012] 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。
[0013] 更进一步地，所述的2个红外探测器响应波段不同。
[0014] 更进一步地，所述的红外探测器为红外热电堆探测器。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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：
[0018] 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；
[0019] 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；
[0020] 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。
[0021] 更进一步地，步骤二中经对数比放大后电压信号为：
[0022]
[0023] 式中，&为运算放大器的增益；
其中心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；Δ λ，λ。分别为红外探测器的响应频带宽度和中心波长， fA λ，λ。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。
[0024] 3.有益效果
[0025] 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：
[0026] (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；
[0027] (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；
[0028] (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】
[0029] 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。
[0030] 示意图中的标号说明：
[0031] 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】
[0032] 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。
[0033] 实施例1
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 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。