內(nèi)窺式高溫攝像機在加熱爐中的設(shè)計與使用

馬 凱

內(nèi)窺式高溫攝像機是建立在光學、傳感器技術(shù)和現(xiàn)代電子通信技術(shù)基礎(chǔ)之上的一種溫度與影像監(jiān)測裝置。具有適用范圍廣、觀察視角好、操作簡單、運行穩(wěn)定、在線實時監(jiān)控等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)加熱爐等需要監(jiān)控溫度和不便于人工操作的場合。過去受材料和技術(shù)所限，很多加熱爐都采用的是外窺式高溫攝像機。但由于外窺式高溫攝像機受視場范圍和測量精度的影響，已經(jīng)很難滿足工業(yè)生產(chǎn)中日益提高的工藝要求，因而逐漸被淘汰。取而代之的則是具有更好監(jiān)控性能的內(nèi)窺式高溫攝像機。內(nèi)窺式高溫攝像機的監(jiān)控探頭伸入到加熱爐內(nèi)部，可以使監(jiān)控人員更加清晰和直觀地觀察到加熱爐火焰的燃燒情況、爐渣堆積情況和爐內(nèi)板坯的加熱情況。從而更加精確地對加熱爐的燃燒工藝參數(shù)進行調(diào)整，對空氣、煤氣的輸出比例進行控制，使火焰達到最佳的燃燒狀態(tài)；并通過合理調(diào)整出鋼時間和糾偏，避免鋼坯傾斜、不正常撞鋼等事故的發(fā)生。由此可見，內(nèi)窺式高溫攝像機為加熱爐的工藝調(diào)整和人員操作提供了有力的支撐，提高了生產(chǎn)工藝水平，保證了加熱爐的正常安全生產(chǎn)。本文對內(nèi)窺式高溫攝像機的結(jié)構(gòu)原理，以及其在加熱爐中的設(shè)計應(yīng)用進行了探討。

1 內(nèi)窺式高溫攝像機硬件配置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

內(nèi)窺式高溫攝像機是一種能夠伸入到加熱爐爐膛內(nèi)部的溫度監(jiān)測裝置。采集并生成的視頻影像可實時傳輸?shù)奖O(jiān)控室的電視監(jiān)控畫面上，使人員可通過監(jiān)控畫面近距離直接對爐膛內(nèi)的火焰燃燒情況和板坯加熱情況進行觀察。攝像儀所使用的超動態(tài)范圍攝像儀，可隨爐內(nèi)亮度變化自動調(diào)節(jié)電子光圈，并有較好的背光補償作用?？梢栽谀婀狻姽獾炔煌墓饩€條件下清晰攝取爐內(nèi)火焰燃燒和板坯加熱情況。攝像機具有采集范圍廣、可視性好、體積小、重量輕、壽命長、可靠性好的優(yōu)點。內(nèi)窺式高溫攝像機的硬件配置主要有：攝像頭、高溫鏡頭、保護套、電視監(jiān)控、電氣檢測系統(tǒng)、電動退膛裝置、防爆保護罩、配風機構(gòu)、制冷器、連接電纜等。

1.1 攝像頭

攝像頭是伸入到爐膛內(nèi)部的視頻影像采集裝置，是內(nèi)窺式高溫攝像機的核心部件，由超動態(tài)攝像機、溫度傳感器、保護套、高溫光學鏡頭等幾部分組成。目前較多采用的是電荷耦合器（CCD）攝像頭。CCD攝像頭主要由CCD圖像傳感器、同步信號發(fā)生器、CCD驅(qū)動器、A/D、AGC、預(yù)中放、D/A轉(zhuǎn)換電路和電源電路組成。攝像頭主要應(yīng)用了光學原理，通過對物體反射光線的采集，形成電信號傳輸至監(jiān)視器。電荷耦合器（CCD）將光學鏡頭成像畫面分解成幾十萬個像素，當被攝物體的反射光線經(jīng)過鏡頭成像到CCD芯片上時，CCD會根據(jù)光的強弱積聚，經(jīng)過光電電荷轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)移輸出，形成相應(yīng)的電信號。該電信號經(jīng)過放大電路、AGC自動增益控制、模數(shù)信號轉(zhuǎn)換、圖像數(shù)字信號處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換之后，可生成標準的復(fù)合視頻信號，并通過視頻輸出端子和視頻線輸出至視頻監(jiān)控器，形成清晰完整的攝像畫面。

1.2 高溫鏡頭與成像儀

高溫鏡頭具有良好的耐高溫和耐腐蝕特性，主要作用是在CCD靶面上使被攝物體成像。采用了藍寶石耐高溫超長成像儀，用以吸收來自窯內(nèi)發(fā)出的強烈黃色光，使圖像更清晰。成像儀采用了中繼物鏡兩次成像設(shè)計，通過增加成像儀成像距離減少了爐內(nèi)高溫熱輻射對攝像機的影響。成像儀光圈調(diào)節(jié)有手動與自動兩種調(diào)節(jié)方式，保證了動態(tài)攝像下的成像質(zhì)量。同時針孔式設(shè)計的成像儀也可減小加熱爐爐壁的開孔尺寸。在加熱爐中安裝攝像頭時，安裝方向一般垂直與觀察方向。為了使被攝物體良好成像，需要將光學系統(tǒng)高溫鏡頭視角設(shè)計成轉(zhuǎn)向90°。使被攝畫面能夠在光路上轉(zhuǎn)90°后，成像在攝像機的CCD靶面上。為了避免長期強光照射下使攝像機CCD靶面迅速老化，保證成像質(zhì)量，需要在高溫鏡頭的光學系統(tǒng)內(nèi)插入濾色片，使光能量和光照強度衰減后再投入到CCD靶面上。

1.3 保護套

保護套是包裹在攝像機外緣的帶有冷卻和隔熱功能的金屬保護部件，由耐高溫不銹鋼及特種合金材料制成。是一種雙層結(jié)構(gòu)的圓形殼體，對攝像頭起到高溫保護的作用。由于內(nèi)窺式高溫攝像機需要伸入到上千攝氏度的加熱爐內(nèi)，為了避免攝像機的損壞和過早老化，因此攝像機必須裝設(shè)在專用的高溫保護套內(nèi)，通過氣冷和水冷兩套系統(tǒng)對攝像機鏡頭進行隔熱和冷卻保護。保護套采用耐高溫和腐蝕的不銹鋼材質(zhì)，為了提高隔熱性能，采用了雙層的套管式結(jié)構(gòu)。頭部為攝像機鏡頭，尾部為冷卻系統(tǒng)的進氣口和進、出水口。攝像頭通過支架安裝在保護套內(nèi)，在頭部攝像機鏡頭處開有專門的觀察孔，孔內(nèi)安裝的石英玻璃起到隔熱的作用；同時，設(shè)置在保護套內(nèi)的冷卻裝置也起到了降溫和冷卻的作用，共同保護攝像機和鏡頭免遭高溫損壞。此外，保護套還設(shè)置有高溫報警功能。在保護套內(nèi)的攝像頭位置設(shè)置有熱敏電阻與電氣檢測系統(tǒng)相連接，當溫度超過正常范圍時自動發(fā)出報警聲音，以提醒操作人員收回攝像機或是加強冷卻。保護套頭尾兩端的進氣管和觀察孔內(nèi)充有氮氣，起到冷卻攝像機和保護觀察孔內(nèi)玻璃窗不受污染的作用。

1.4 監(jiān)控電視

監(jiān)控電視采用一般的液晶顯示器即可。通過顯示器上的視頻接入端口和高溫視頻電纜與高溫攝像機的信號輸出端口相連接，即可獲取現(xiàn)場攝像頭傳回的視頻信號，并在屏幕上顯示出現(xiàn)場實時的視頻畫面。監(jiān)控電視一般都會安裝在中央控制室內(nèi)，室內(nèi)人員通過監(jiān)控畫面可以隨時以多角度觀察加熱爐內(nèi)的工作狀況。內(nèi)窺式高溫攝像機獲取的監(jiān)控畫面不僅清晰、直接，彌補了由于觀察窗角度限制而造成的觀察不全面的問題；而且人員的工作強度和工作環(huán)境也得到了緩解和改善。一般的監(jiān)控電視中還配置了多畫面合成器，可在顯示器上同時顯示多個畫面，而且每個畫面的寬度大小可以自由調(diào)節(jié)，從而便于對加熱爐爐前、爐內(nèi)、爐尾等各環(huán)節(jié)進行同時監(jiān)控。

1.5 電氣檢測系統(tǒng)

電氣檢測系統(tǒng)主要是起到檢測攝像機溫度、冷卻水流量和氮氣保護系統(tǒng)氣壓的作用。該系統(tǒng)與一般的電氣檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成相類似，主要由熱敏電阻、微壓差變送器、流量傳感器、監(jiān)視儀表以及配套的通信線纜組成。電氣檢測系統(tǒng)不間斷地對溫度、氣壓、流量等參數(shù)進行巡回檢測。當某一項參數(shù)超出正常范圍時，檢測系統(tǒng)便會發(fā)出報警，提醒操作人員及時觀察和查找發(fā)現(xiàn)問題，采取措施消除參數(shù)異常。

1.6 電動推進和退膛裝置

主要為電動馬達，通過電動機和齒輪傳動將固定在推進器上的攝像探頭送入或是退出爐膛，一般由人員在控制室或是現(xiàn)場點動按鈕進行操作。推進器的控制系統(tǒng)會接收到來自現(xiàn)場傳感器的壓力、溫度等參數(shù)信息；如果攝像機、高溫光學鏡頭的溫度或是壓縮空氣的壓力等某項參數(shù)指標高于或是低于設(shè)定值時，電氣檢測系統(tǒng)就會發(fā)出報警，同時推進器會發(fā)出控制信號給電氣控制箱，啟動電動機，自動將攝像探頭從爐膛內(nèi)退出。使高溫攝像機在滿足保護條件的情況下，推進進入加熱爐內(nèi)的高溫工作區(qū)；而在溫度、壓力等參數(shù)不符合條件時，由人員操作退出高溫工作區(qū)，從而保護探頭安全。在攝像機監(jiān)測運行的過程中，操作室人員還可根據(jù)監(jiān)控畫面的顯示情況，操作攝像機“打開”或是“關(guān)閉”光圈，以得到更加清晰和良好的畫面。

1.7 電氣和氣源控制柜

電氣控制柜主要用于高溫攝像機電氣系統(tǒng)的控制和保護，如驅(qū)動攝像頭的進退、檢測攝像探頭溫度以及視頻信號、傳感器信號、故障信號的傳輸。設(shè)備采用220V交流電供電，為推進和退膛裝置供電；輸出12V直流電為攝像機、行程開關(guān)、壓力控制器、溫度控制器供電；自動控制系統(tǒng)則采用5V直流電供電。同時，電氣控制柜還承擔著保護、轉(zhuǎn)接線纜，分配和傳遞信息以及調(diào)整、過濾和分配壓縮空氣的作用，保證了攝像頭的平穩(wěn)工作。氣源控制柜采用了二級過濾方式，可對壓縮空氣中的粉塵、油、水等進行過濾，以獲得無水、無油的純凈冷卻壓縮空氣，為探頭罩內(nèi)的攝像機和高溫針孔鏡頭提供冷卻保護。從而使攝像系統(tǒng)能夠在高溫環(huán)境下正常工作；每使用6個月～12個月后，清洗和更換濾芯即可。

2 內(nèi)窺式高溫攝像機的技術(shù)特點

內(nèi)窺式高溫攝像機最大的特點是可以將鏡頭直接伸入到加熱爐的爐壁觀察孔，在高溫工作環(huán)境內(nèi)近距離直接觀察爐內(nèi)工件運行情況、板坯加熱情況和加熱爐火焰燃燒情況。為了適應(yīng)加熱爐內(nèi)特殊的作業(yè)環(huán)境，滿足對加熱爐爐內(nèi)觀察的需要，內(nèi)窺式高溫攝像機需要具備耐高溫、耐腐蝕等技術(shù)特點。以在冶金加熱爐比較常用的YZSG-FL內(nèi)窺式高溫攝像機為例，產(chǎn)品主要具備以下技術(shù)特點：

（1）耐高溫、耐腐蝕。內(nèi)窺式高溫攝像機的工作環(huán)境非常特殊，攝像機探頭需要伸入到溫度高達1500℃以上，且燃燒著的爐膛內(nèi)，并在爐膛內(nèi)高溫環(huán)境中維持長時間連續(xù)運行。內(nèi)窺式高溫攝像機采用了具有良好耐高溫、耐腐蝕性能的合金材質(zhì)作為攝像機鏡頭的隔熱保護套；同時保護套的雙層結(jié)構(gòu)中還設(shè)置了專門的冷卻系統(tǒng)，可有效降低保護套內(nèi)的溫度，使攝像機探頭處在比較理想的-10℃～70℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)。

（2）視角大、觀察好。內(nèi)窺式高溫攝像機采用專門的高溫針孔成像儀，視場角最大可達到110°。選擇合適的安裝視角，可以使攝像機探頭全面爐膛內(nèi)部的工況。

（3）可靠性好。電動機驅(qū)動和PLC控制的方式使攝像探頭具備了比較穩(wěn)定的工作性能，可以及時可靠地完成入膛、退膛、攝像等功能。風冷系統(tǒng)在足夠的空氣壓力下，只需要少量的壓縮空氣吹掃，即可確保高溫攝像機得到有效的清潔和冷卻。風冷的方式可以使攝像頭在長期高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，不容易出現(xiàn)腐蝕損壞。

（4）具有完整的自動保護功能。系統(tǒng)設(shè)備按照工業(yè)級標準配置，根據(jù)其使用工況設(shè)置了完善的連鎖自保護功能。比如高溫保護、低氣壓保護等。當攝像機工作環(huán)境溫度、壓力等參數(shù)不符合條件時，系統(tǒng)PLC自動控制攝像機退膛，離開高溫工作區(qū)，從而保護攝像機探頭的安全。在設(shè)備遇到突然停電的情況時，相關(guān)的傳感器會迅速向電動推進器發(fā)出“退膛”指令。然后設(shè)備會在UPS電源的保護作用下，驅(qū)動攝像頭從高溫爐膛中退出，以達到系統(tǒng)斷電情況下自動保護的目的。在低氣壓保護方面，當壓縮空氣壓力低于規(guī)定值0.2MPa時，位于氣路上的壓力開關(guān)會將低壓信息傳遞給電氣控制系統(tǒng)，由電機驅(qū)動將探頭退出至爐外。

（5）操作控制簡單。內(nèi)窺式高溫攝像機系統(tǒng)中受控部件較少，電氣結(jié)構(gòu)簡單，只有高溫成像儀和電動推進器。電動推進器采用低速電機驅(qū)動，簡單的齒輪與鏈條傳動，動作準確而又及時，可采用手動或是電動控制。通過安裝在控制室內(nèi)的操作器或者是現(xiàn)場的電氣控制柜，均可對電動推進器進行退出或是伸進；系統(tǒng)也可由連鎖裝置自動進行控制。

3 內(nèi)窺式高溫攝像機在加熱爐中的使用與維護

3.1 設(shè)備的檢測與調(diào)試

3.1.1 安裝總檢

設(shè)備安裝完畢后，應(yīng)根據(jù)總布置圖、電路圖和接線圖對照設(shè)備安裝要求進行全面檢查，檢查各部分連線是否正確。確認無誤后，接通開關(guān)電源并通電。此時數(shù)顯溫度調(diào)節(jié)儀的界面上應(yīng)顯示探頭罩內(nèi)溫度，監(jiān)控電視畫面上應(yīng)有圖像出現(xiàn)，注意觀察。打開壓縮空氣進氣閥，檢查壓力表，保證控制開關(guān)處壓力大于0.2MPa。此時設(shè)備已可投入運行，可在冷卻空氣接通并正常供氣10min后，接通電源進行操作。確認監(jiān)控畫面、溫度和壓力等參數(shù)顯示無誤后，可對自動退出保護功能進行測試。具體方法是在設(shè)備通電通氣10min后，操作探頭伸入爐內(nèi)，在溫度、壓力等參數(shù)正常的情況下觀察設(shè)備運行情況。確認無問題后，關(guān)閉供氣閥門，此時設(shè)備的低壓保護功能應(yīng)啟動，并自動控制退膛裝置控制探頭退出。高溫保護功能的確認需要在氣壓參數(shù)正常的情況下，將溫控儀報警溫度設(shè)置到低于儀表顯示溫度，如果此時退膛裝置自動控制探頭退出的話，則說明高溫保護功能正常。

3.1.2 參數(shù)的設(shè)置與調(diào)試

內(nèi)窺式高溫攝像機屬于自動化電氣設(shè)備，投入運行前需要對各項運行參數(shù)進行設(shè)置與調(diào)試。包括PLC參數(shù)與程序設(shè)置、溫控儀參數(shù)設(shè)置、壓力傳感器參數(shù)設(shè)置、攝像機快門與自動白平衡的設(shè)置調(diào)整、鏡頭焦距的調(diào)試等等。這些設(shè)備參數(shù)可參照操作說明書，并根據(jù)監(jiān)控實際需要進行設(shè)置調(diào)整。

3.2 內(nèi)窺式高溫攝像機在加熱爐中的使用

加熱爐是軋鋼生產(chǎn)線的重點部位之一，對熱軋產(chǎn)品的質(zhì)量控制起著重要作用。內(nèi)窺式高溫攝像機在加熱爐中可對爐前、爐內(nèi)、爐尾等不同的部位和環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)控，有效保證了熱軋生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)運行和熱軋鋼坯的質(zhì)量。其中爐前與爐內(nèi)監(jiān)控主要是用于監(jiān)控板坯的加熱狀態(tài)和火焰燃燒情況，觀察板坯狀態(tài)、火焰燃燒情況與工藝要求是否相符，并通過板坯控制系統(tǒng)調(diào)整出鋼時間和調(diào)整空氣、煤氣比例等燃燒參數(shù)，以保證板坯加熱質(zhì)量。此外，爐內(nèi)監(jiān)控還用于監(jiān)控爐內(nèi)爐渣的堆積情況，操作人員則可監(jiān)控畫面的指導下，遠程控制清理爐渣。爐尾監(jiān)控主要用于監(jiān)視裝鋼機的運行軌跡，裝鋼時對鋼坯的方向進行糾正，以避免鋼坯傾斜、不正常撞鋼等事故的發(fā)生。內(nèi)窺式高溫攝像機工作環(huán)境惡劣，粉塵較大。為了消除粉塵影響，保證正常成像，需要保證電源、風源的正常，以保證設(shè)備工作時氣流能夠?qū)︾R頭前段粉塵進行吹掃。設(shè)備投入運行后，在監(jiān)控正常的情況下，各種調(diào)整好的儀表參數(shù)不要再輕易進行調(diào)整。如果設(shè)備需要維護，則必須將探頭退出爐膛，關(guān)閉系統(tǒng)電源并待其完全冷卻后方可進行正常維護。

3.3 設(shè)備的定期維護

空氣過濾設(shè)備、鏡頭、鏡頭保護管等都是需要定期維護的部件。空氣過濾設(shè)備在使用一段時間后，過濾器會出現(xiàn)積水、積油的情況。因此，需要每隔一段時間就對空氣過濾設(shè)備的出水閥、出油閥進行放空。如果設(shè)備使用中出現(xiàn)氣流不穩(wěn)和堵塞的情況，也需要對過濾設(shè)備進行清理。如果設(shè)備出現(xiàn)潮濕現(xiàn)象，需要將設(shè)備進行暴曬或是純凈空氣干燥處理。高溫、粉塵的工作環(huán)境對于鏡頭和鏡頭保護管來說，也會有很大影響。會導致其出現(xiàn)污染和結(jié)灰的情況，并影響監(jiān)控。當監(jiān)控視界變小或是圖像模糊不清時，需要將探頭退出，對端蓋氣孔、觀察孔等進行清理，防止有污物堵塞小孔。定期使用軟毛刷或鏡頭紙擦拭鏡頭窺孔和針孔鏡頭前部的藍寶石鏡片表面，以保證圖像清晰。對于鏡頭上灰塵的清理不宜使用工具擦拭，最好使用干凈的氣流吹凈。如果鏡頭污漬較大不易清理，則可用脫脂棉球沾水進行清理；如果鏡頭有損傷，則需要及時更換。不可隨意拆卸鏡頭內(nèi)部，只可清潔鏡頭前端蓋和前端玻璃片。