基于铟钾砷光电探测器的工业炉比色测温系统

基于铟钾砷光电探测器的工业炉比色测温系统

作者：陈明武吴海滨

来源：《科技视界》2015年第21期

【摘要】传统的非接触性炉内测温系统主要采用红外CCD，其工作波长大多为0.4～

1.1μm，受到截止波长的影响，红外CCD在工业中低温测量范围小、误差大。普通的非制冷焦平面红外热像仪（Uncooled IRFPA Camera）的工作波长一般在8～14μm之间[1]，但是其工作环境非常苛刻，需要在恒温环境下工作，在工作过程中电子累积容易饱和，测温幅度不大，跟不上温度变化，容易产生温度漂移，不能满足现实需求。铟钾砷摄像机其工作和存储温度范围大，灵敏度高，可控性强，测温幅度大，测温精度高，可以满足现实需求。以铟钾砷相机作为实验用光电探测器件。

【关键词】非制冷焦平面；铟钾砷；比色测温；波长

0 引言

市场上常见的非接触性测温器件大都是以点式红外测温仪为主，这种单机操作的仪器只能满足对局部温度点的测温要求，不能实时地反馈整个温度场的温度信息和温度走向[2]。常用的大视场的非接触性测温系统在炉内温度较低的情况下，反应不灵敏，测温误差大，跟不上温度变化，在环境温度变化的情况下需要不断标定和调试，测量温度容易产生漂移，可操作性不强，造成人员和时间的极大浪费。由铟钾砷摄像机组成的炉内测温系统，工作方式稳定，可在工业炉内温度极低的环境下准确测量，并随着炉内温度的升高自动修改标定方式，温度不易漂移，测温范围大，可满足大量的低温工业炉的内部控件表面温度检测。

1 铟钾砷探测器的相关参数

InGaAs探测器具有直径1mm～3mm的圆形大光敏面，应用于500nm～1700nm波长范围的测试仪器和光电感应系统中。超低的暗流和高动态阻抗占据绝对的性能优势。

其最大绝对额定值，如表1所示：

表1 最大绝对额定值

Tab.1 The absolute maximum rating schematic

InGaAs摄像机芯片基于先进的磷化铟晶元，可以提供一系列大面积的铟钾砷PIN晶片，感光面积包括1mm、2mm和3mm。利用硅和铟钾砷材料的完美结合，短波段延伸（500～

1700nm）系列的晶片可以涵盖可见光范围。由于它很低的结电容和很大的并联电阻使得它有着高的响应速度和低的噪声。其相应波段如图1所示：

图1 波长响应范围图

Fig.1 The wavelength response range schematic

2 测温系统的构成

图2 系统构成图

Fig.2 The system configuration

工业测温系统的重要部分如下：（1）铟钾砷探测器；（2）推进器（含电动或气动）；（3）炉壁连接体；（4）电气控制柜；（5）工控机。

本系统基于小孔成像、特种冷却保护等技术，强制风冷或水冷保护；高温固化处理耐高温？，视场角可调节，适用面广，并采用特种耐高温宝石镜片，实现对各类工业窑炉燃烧工况的实时监测[3]。本系统有以下特点：

实时显示炉内工况图像和温度分布伪彩图。

对监视范围内炉管（或钢坯）所有可视表面进行温度测量。

专家系统，安全预警，准确掌握和分析炉管温度分布和变化规律，确保石化加热炉安全稳定运行。

确保冶金加热炉测温控制的稳定、可靠，实现燃烧优化控制。

测温系统工作流程：

使用滤波片切换装置能够迅速地在两个窄带滤波片之间进行切换，当炉内温度较高时还可采用加装衰减片来衰减能量，从而使铟钾砷摄像机在短时间内获得这两个波长的最佳的视频图像。采集卡会采集铟钾砷摄像机的视频图像并将其传送到图像处理系统。工业计算机的图像处理系统对图像进行分割、滤波、平滑、变换、增强，最后调用T-R（T）数据库，根据两幅图像同一点的灰度比来确定这个点的温度，监视器输出测温数据和温度场图像，完成比色测温[4]。

系统将视场图像进行了伪彩色编码，显示界面能够同时显示原图像和对应的伪彩色图像，工作人员可以利用鼠标在伪彩色图像上画点、划线，此时计算机的显示屏会显示所有被划过部分的实时温度[4]。这样的结果输出方式更为直观，并可以帮助工作人员提前预判低温炉内温度场的温度走向，对过高或过低温度做出预警。

3 数据的输出结果

根据比色测温公式，对图像处理过的双波长下的灰度图进行计算，便可得到此时的温度T。在待监测的视场中，首先会人工选取若干个标识区域重点监测[5]。

图3是某焦化炉内的炉管温度监测图，左边的画（下转第240页）（上接第125页）面显示的是伪彩色处理后的炉管，在其表面设置了九个监测点，用户可以同时看到这九个监测点的实时温度。同时，也可以通过点击或划线的方式，选取其他想要监测的温度点或线，在线测量出待测温度区域的实时温度。

4 小结

本文主要介绍了以铟钾砷摄像机为探测器的非接触式比色测温系统的硬件组成、工作流程、以及对工件表面温度图像的显示方案。系统能对较低温度的工业控件进行高精度的测温，解决了传统非接触式测温技术对低温部分不敏感，温度漂移大，测温精度不高，测温范围小的问题，其实验结果完全满足现实要求。

【参考文献】

[1]江民，沈伟，张曾杰.一种非制冷焦平面阵列图像飘移的温度补偿新方法[J].红外技术，2007，29（6）：2-4.

[2]刘纯红，王鹏，等.非制冷焦平面红外热像仪测温范围拓展研究[J].大气与环境光学学报，2011，6（5）：398-342.

[3]刘纯红.基于近红外比色测温技术对炉内工件便面温度检测系统的研究[D].合肥：安徽大学，2008.

[4]吴海滨，陈军.比色测温双波长的选择及最小带宽的计算[J].量子电子学报，2006，23（4）：569-571.

[5]吴海滨，刘纯红.比色测温理论中误差修正函数的研究[J].量子电子学报，2008，20（4）：510-514.

[责任编辑：刘展]