２００６．Ｎｏ．７
水泥ＣＥＭＥＮＴ
中图分类号：ＴＱ１７２．６２２
文献标识码：Ｂ
文章编号：１００２－９８７７（２００６）０７－００４０－０４
红外扫描测温仪是将红外辐射测温技术和光扫描技术融为一体的光机电一体化设备。该设备通过监测窑筒体表面温度以判断回转窑内部窑砖和窑衬的使用状况，对实时掌握回转窑内部结圈、掉砖及耐火砖的磨损和窑皮厚薄具有重要的意义。本文针对回转窑筒体的特点，就筒体红外扫描测温仪的技术性能进行分析，并介绍其应用情况。
１
红外扫描测温仪介绍
１．１
红外扫描测温仪测温原理
红外扫描测温仪主要由光学扫描单元、光电转
换单元、信号处理单元及数据传输单元等组成。
１）光学扫描单元
光学扫描单元实现对窑筒体各个被检测点红外线辐射能量的信号采集，其设计方案和性能的优劣决定了红外测温仪的性能。由于回转窑是轴向固定的回转体，其测温装置需要沿回转窑的轴向进行线性温度检测，通过回转窑的自转来完成对窑筒体的全面检测。
２）光电转换单元
光电转换单元是将光学扫描采集来的光能量转换成电信号的器件，其转换速度（即响应时间）和对光谱的特性是影响测温准确度的主要因素。由于窑筒体具有转速快、扫描范围长的特点，要求光电转换单元具有极短的响应时间才能满足测温要求。
３）信号处理及传输单元
信号处理及传输单元是对光电转换单元输出的电信号进行放大处理并传输给计算机，其核心是电信号的放大及运算，采用专用的数学模型对电信号进行运算处理，使得输出的模拟信号具有较好的特性曲线。将模拟的温度信号转换为数字信号，以同步或异步通讯的方式将温度信号传送到计算机。
４）数据采集分析显示单元
计算机接收串行的温度信号后需要由专用的软件进行识别并组态，以图文并茂的形式显示出窑筒体被测范围的温度状况，便于操作人员准确、直观地
掌握窑筒体的温度，进而推断窑砖和窑皮的状态。
１．２扫描方式
红外扫描测温仪是采用对窑筒体进行轴向线性
扫描的方式进行温度监测的，线性扫描主要有以下
４种方式：
１）扫描机构为步进式结构，即当窑筒体转动一
圈，测温仪完成窑筒体某一断面的温度测量，扫描机构步进式转动一定的角度，进行下一相邻断面的检测。该扫描方式在早期的筒体扫描仪设备的扫描方式中应用较多，由于步进式扫描存在速度慢、精度低和定位不准确等问题已被淘汰。
２）扫描机构按照一定的角度（一般为９０°），通过计算机根据窑筒体的转速计算后给定的运行指令进行有规律的往返运动，这种扫描机构适合窑筒体烧成带的温度监测，具有投资小、
维护方便等优点。３）电子扫描方式，这种测温仪与点式测温仪的
区别，是在探头内部集成一排光电转换器件，即采用线阵温度测量仪对窑筒体进行温度监测。线阵温度测量仪具有技术上的局限性，制造成本过高，目前在国内还没有应用厂家。
４）光机式扫描方式，采用在同步或异步电动机
的轴上安装一块４５°反射镜，通过电动机高速旋转形
成扫描平面，透过扫描窗口对窑筒体发出的红外线进行采集，扫描窗口对应的扫描角度一般为９０°，也有１１０°
和１４０°的。这种测温方式具有扫描速度快（１０～３０行／ｓ）、精度高和准确度高等优点，但是技术复杂，如：光学反射的杂光干扰难以消除，光电转换器件的转换速度要求高等。目前市场常用的多为光机式扫描测温仪。
１．３光机式红外扫描测温仪
光机式红外扫描测温仪具有诸多的优点，其技
术参数在使用上容易满足目前窑型的使用要求而得到广泛的应用。其技术参数如下：
１）扫描频率
指光学反射镜片的转速，单位为Ｈｚ。
红外扫描测温仪技术性能及在回转窑的应用
杨
斌
（合肥水泥研究设计院，安徽合肥
２３００５１）
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２）分辨率
指扫描测温仪的光学焦距，一般用Ｌ∶Ｄ来表示，即是扫描测温仪与被测点的相对距离Ｌ与被测点所必需的直径Ｄ的比例，比值越大，光学分辨率越高，越高的分辨率就能越早的发现窑筒体温度的变化（因为窑筒体某处温度变化时面积总是由小到大）。
３）扫描点数
指扫描测温仪以数字信号形式输出时，每一行所具有的温度值数，表示形式为ｎ点／线。
４）响应时间
指测温仪所选用的光电转换器件输出信号值从０到满量程９５％时所需要的时间，响应时间决定扫描测温仪的扫描频率，用ｍｓ或μｓ表示。
５）视场角
由于电动机拖动反射镜进行３６０°旋转，只有当镜片朝向窑筒体一面时才能对窑筒体进行温度监测，设置的扫描起点到终点所转过的角度即是视场角，根据窑筒体与扫描测温仪相对的位置特点，视场角不宜过大或过小。
６）测温范围
指扫描测温仪精准的输出测量值的最高到最低温度区间。
７）测温精度
指测得被测对象温度值与实际温度的差值，表示形式有２种，±ΔＴ℃或±ｎ％Ｔ。
８）测温波长
指扫描测温仪所使用的光电转换器件获得的红外线的理想波长。
１．４红外扫描测温仪参数要求
针对回转窑的特点，相应的要求红外扫描测温仪的光谱特性必需能够适应对钢质材料的测量，较理想的测温波段在３～５μｍ，测温范围在８０～６００℃之间为宜，根据回转窑的其他物理特性，确定扫描测温仪的其他技术参数要求。
假定回转窑长为ｌ，直径为ｄ，转速为ω（单位为ｒａｄ／ｓ），耐火砖截面为０．１ｍ×０．２ｍ，扫描点与点之间重合率为３０％，为了满足单个监测点的直径不超过一块耐火砖的宽度，扫描点的直径最大不超过０．２０ｍ，按照扫描测温仪安装于窑筒体中间位置，即水平与垂直方向均为ｌ／２计算，如图１所示。
扫描测温仪的距离系数应为１∶６．５ｌ（因为扫描点的直径在窑筒体的两端直径最大，中间最小，距离系数值应以产生最大扫描点的位置计算，扫描频率应按照每条扫描线的最小点计算），扫描频率应大于６．５ωｄ，通过距离系数换算出光学系统的入射角度为ａｒｃｔｇ１
６．５ｌ
，如果扫描测温仪视场角为９０°，每行的扫描点数为１．３×９０／ａｒｃｔｇ
１
６．５ｌ
。
图１红外扫描测温仪示意
５０００ｔ／ｄ生产线窑筒体参数为：扫描范围ｌ＝７５ｍ，直径ｄ＝４．８ｍ，极限转速ω＝０．４１８７ｒａｄ／ｓ（即４ｒ／ｍｉｎ），根据换算得知扫描测温仪的技术参数为：距离系数＝１∶４８７．５，扫描频率＝１３Ｈｚ，扫描点数＝９９５点。
在实际应用中，选择筒体扫描仪的相关技术参数应大于所需要的技术参数指标。
１．５红外扫描测温仪的光学部分
红外扫描测温仪的光学部分是采用光学反射原理进行扫描采集的，扫描采集的是特定波段的红外能量，通过光学镀膜技术将所需要波段的红外能量尽可能的反射到光电转换器件上，同时吸收其他波段的红外能量以保证测温的准确性。根据光电转换器件的特性波长不同，采用不同的镀膜材料。另外，光电转换器件必须接受足够的能量才能够正常工作，因此，需要通过特种材料的玻璃镜片（一般采用锗玻璃，红外能量可以几乎没有损耗的透过）对红外能量进行汇聚，并根据被测点的位置进行焦距的调整，以使得被测点能量能够汇聚在光电转换器件上。
目前国内应用较多的扫描测温仪的反射方式有以下３种：
１）以美国ＲａｙｔｅｋＭＰ５０系列和德国ＧＥＳＯＴＥＣＴＭＣ５＿ＨＴＰ系列扫描测温仪为代表的一次反射、直接聚焦型。这种光学采样方式结构简单，调试方便，但存在被采样点以外的环境温度对测温结果的干扰，因为反射镜反射的红外能量不仅是其所正对的红外能量，其他方向发射出的能量一样会被反射到光电转换器件上。其结构见图２。
杨斌：红外扫描测温仪技术性能及在回转窑的应用
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图２
美国ＲａｙｔｅｋＭＰ５０系列扫描测温仪结构示意
２）以法国ＨＧＨ公司ＫＩＬＮＳＣＡＮ系列的扫描测
温仪为代表的三次反射、焦距可调型。这种光学采样方式结构复杂，调试需要专用工具对调焦结果进行检测，以确保焦距的准确性。通过三次反射，可以将其它方向发射过来的红外能量反射到扫描测温仪内部的吸热材料上，避免被测点以外的红外能量的干扰。其结构见图３。
图３法国ＨＧＨ公司ＫＩＬＮＳＣＡＮ型扫描测温仪结构示意
３）国产扫描测温仪为一次反射，采用凹面镜聚
焦方式，准确性和稳定性差一些，在距离系数和测温精度方面与进口产品存在明显差距。其结构见图４。
图４
国产红外扫描测温仪结构示意
１．６
参考黑体
红外扫描测温仪光电转换器件在正常工作状态下受环境温度的影响，因此，需要对测温进行实时校准，通过在扫描测温仪内部安装参考黑体用于校正扫描窗口获得温度值。扫描测温仪的扫描反射镜是３６０°
旋转的，只是当反射镜旋转到扫描窗口时才能进行温度监测。当反射镜面旋转到扫描测温仪内部时，对该黑体进行扫描检测，结合相关电路对扫描窗口获得的温度值进行校准。这种校准的方式可以获得更加准确的温度值。
２
应用实例
２．１
美国ＲａｙｔｅｋＭＰ５０型红外扫描测温仪该扫描测温仪具有较高的稳定性，距离系数为
１∶１００，扫描频率为２０Ｈｚ，测温范围为１００～６００℃，每
条扫描线的点数为２５６点。这种类型的测温仪在国内有广泛的应用，如早期的甘肃金昌水泥厂、新疆伊犁南岗水泥厂、浙江虎子水泥厂、北京兴发拉法基水泥有限公司等１０００ｔ／ｄ生产线，北京琉璃河水泥厂、陕西汉中水泥厂以及河北奎山水泥厂等２０００ｔ／ｄ生产线。从以上各厂家的使用效果看，均反应良好，对回转窑的内部结圈和红窑等状况能够及时反应。但是，由于该扫描测温仪的温度分辨率较差，不能适应扫描范围较大的要求。
北京兴发拉法基水泥有限公司原为６００ｔ／ｄ的预热器窑，改造增加一级预热器后，窑转速为４．４ｒ／ｍｉｎ，最高达到１４００ｔ／ｄ的生产能力。由于过度超产，导致该厂耐火砖平均每１５ｄ左右更换一次。该厂２００１年安装了ＭＰ５０型的筒体扫描系统，扫描范围１８ｍ（只
对烧成带进行监测），调试正常运行后，当即发现窑筒体温度分布非常不均匀，有多处已经出现红窑的迹象。通过调整操作，窑皮状况逐渐得到改善，但由于有些部位严重受损，耐火砖使用寿命延长至４４ｄ停窑换砖。后来，该厂耐火砖的使用寿命延长至２个月以及更长时间。
该厂在筒体扫描系统安装初期，通过比对发现窑筒体实际的点位与软件显示的点位不对应。经过分析是扫描测温仪始终以相同的距离系数（即光学分辨率）对窑筒体进行监测，由于对于窑筒体扫描线是直线，而不是以扫描测温仪为圆心的圆弧，一条扫描线上的扫描点所对应的面积并不相同（前文已作详细分析），因此，分析软件的坐标值应根据此种特性进行计算。修改软件的坐标值后，采用一根宽度为
１０ｃｍ的长木板靠在窑筒体上，挡住该处所发射的红
外线，在软件上即显示一条低温线，再次通过比对
，
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窑筒体的点位与软件的显示点位完全一致。通过运行一段时间后，该厂将扫描测温仪监测的温度与窑筒体冷却风机的启停进行联控，使窑筒体温度始终保持在一定的范围内。
荻港海螺的２×２５００ｔ／ｄ生产线，使用ＭＰ５０型扫描测温仪进行全窑扫描，扫描范围为５８ｍ，受安装位置的限制，扫描测温仪偏离中心较多，所对应的温度点过大，在使用上未能达到满意的效果。
ＭＰ５０型扫描测温仪的信号是采用ＲＳ４２２的形
式进行传输，未加装信号隔离器，在河北奎山水泥厂和浙江虎子水泥厂就曾出现过ＲＳ４２２／２３２适配器损坏的现象，采用光缆传输可得到解决。
２．２德国ＧＥＳＯＴＥＣＴＭＣ５＿ＨＴＰ扫描测温仪在浙江红狮、栗阳扬子以及河南孟电等水泥厂
家的部分生产线应用。该型扫描测温仪距离系数为
１∶１５０，扫描频率为８～２０Ｈｚ，测温范围为７５～７００℃。
由于该型扫描测温仪光学分辨率较低，在扫描范围方面受到限制，在实现全窑扫描时出现扫描点过大的现象，而且英文版本的界面在国内的应用方面还不成熟。河南孟电水泥集团在３号、４号生产线上同期采用该型扫描测温仪，在使用中未能有效的得到发挥，直至５号线采用法国ＨＧＨＫＩＬＮＳＣＡＮ型扫描测温仪，浙江红狮集团也同样在后继的生产线采用法国ＨＧＨＫＩＬＮＳＣＡＮ型扫描测温仪。
２．３法国ＨＧＨＫＩＬＮＳＣＡＮ型红外扫描测温仪该型扫描测温仪距离系数为１∶５００，测温范围为
７５～５５０℃，扫描频率为２０Ｈｚ，每条扫描线的点数为１２５０点，信号采用光缆传输。这种类型的测温仪性
能参数较高，具有极高的温度分辨率和准确性，主要应用在大型回转窑的筒体测温系统中，如海螺
１００００ｔ／ｄ生产线和５０００ｔ／ｄ生产线、山水集团所有
的水泥生产线、吉林亚泰水泥、淮南矿业水泥、淮北矿业水泥、孟电５０００ｔ／ｄ、西藏高天、冀中水泥以及浙江三狮、红狮等大型水泥集团公司的回转窑水泥生产线都采用此款扫描测温仪。
２００４年投产的淮南矿业水泥１号线（２００５年投产的２号线也采用）实行全窑扫描，扫描范围为５８ｍ，生产线设计能力２５００ｔ／ｄ，实际产量达到３０００ｔ／ｄ。生产线超产时回转窑的超大负荷和窑内窑皮变
化更为突出。由于此款扫描测温仪具有很高的温度分辨率，显示分辨率为１６００×１２００，温度分布的图像非常清晰，以至于窑轮带与窑筒体结合处的垫板及窑筒体的检修门都能够清晰的分辨出来，因此能够在回转窑出现结圈或掉砖的早期探测到窑筒体温度变化信息，为操作员处理事故赢得宝贵的时间，对预防结圈和红窑起到积极的作用。据统计，该厂耐火砖的平均使用寿命达到８个月，在同行业同等规模窑型中尚属罕见。
海螺１００００ｔ／ｄ生产线为两头一尾式，由于该线的三次风管置于窑筒体正上方，两侧均有立柱遮挡，造成扫描测温仪测温的死角，通过采用２只扫描测温仪从不同角度对回转窑进行扫描，用其中一台扫描测温仪监测到温度对另一台扫描测温仪的扫描死角位置点进行补缺的方式得以解决。这种两头一尾的扫描方式具有扫描范围更大，精度更高的优点，但设备投资相对更大。
２．４国产红外扫描测温仪
国产红外扫描测温仪存在较大的价格优势，主
要集中在江浙地区和一些偏远地区的小型回转窑生产线，如浙江虎山、浙江虎球、浙江金源、江苏宜兴青狮、山东安厦水泥、山东全兴水泥和山东铝厂等。从使用角度来看，能够起到一定的参考作用，但缺乏对回转窑内部结圈和红窑的早期监测性能。浙江虎山水泥厂早期的生产线和陕西秦岭水泥厂都用过上海德运公司的扫描测温仪，由于软件可操作性差，死机频繁，温度误差大，导致操作人员认为筒体扫描仪系统的参考意义不大，后来闲置。合肥金星机电公司生产的扫描测温仪系统从软件功能和可操作性方面较好一些，但是测温精度无法保证，只有采用现场比对模拟温度曲线的方式进行补偿。从使用角度来看，国产的红外扫描测温仪只能作为一般的参考，对探测红窑和结圈有一定的帮助，并不能够为节能降耗起
到应有的作用。（编辑王承敏）杨斌：红外扫描测温仪技术性能及在回转窑的应用
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