石化热设备表面红外仪检测温度校正方法

付冬梅 孙 静 杨 焘 陈 锋

(1.北京科技大学自动化学院，北京 100083；2.独山子石化公司研究院，新疆 克拉玛依 838600)

石化热设备表面红外仪检测温度校正方法

付冬梅1孙 静1杨 焘1陈 锋2

(1.北京科技大学自动化学院，北京 100083；2.独山子石化公司研究院，新疆 克拉玛依 838600)

根据工业现场实际测得的石化热设备数据，提出一种基于热电偶的温度校正模型，并给出干扰因素影响规律的补偿方法。针对具体的风速、风向和附近热设备的影响，建立了修正补偿公式。现场实际结果表明所提方法能有效减小红外热像仪测量的温度误差，达到温度修正的目的。

红外热像仪 温度校正 石化热设备 干扰因素

红外热像检测技术发明于19世纪60年代，该技术具有快速、非接触、全场测定物体表面温度场分布的优越性能。而温度信息是世间万物的广谱信息，因此，在军事和各民用领域[1]得到广泛的应用，特别是在设备安全[2]和环境保护中发挥着越来越重要的作用。如炉窑、煤气化炉[3]及保温管道[4]等表面温度分布情况在一定程度上反映了设备的保温效果、热污染情况和衬里的状态。在石化行业中，各种加热炉的能源消耗少则占总能源消耗的20%～30%，多则占80%～90%[5]，而且其保温效果的好坏还直接关系到设备的生产效率和运行安全，对进行安全生产、提高生产效率和延长设备使用寿命均具有重要意义[3]。但若对加热炉保温状况或衬里状态评估就必须要获得相对准确的加热炉表面温度分布[6]。

石化热设备几何尺寸巨大，红外热像仪经常超允许测量范围使用，造成测量误差。文献[7～10]表明，红外热像仪在测温时，其准确度将受到诸如光照、风速、环境温度、设备表面发射率及近距离热设备辐射等因素的影响，如何校正这些影响因素造成的温度误差，是笔者要解决的问题。

热设备表面红外检测温度的一般校正方法有两种：一种是基于所谓的“标准”温度测量值建立校正模型，笔者以热电偶[11]获得此温度值；另一种是研究干扰因素的影响规律，并建立其误差补偿模型。

1 基于热电偶的温度校正模型的建立

欲对红外热像仪测量的温度误差进行校正，首先需要得到所谓的准确温度。笔者以热电偶的测量温度T2为准确温度，以红外热像仪在风速小于0.5m/s，无阳光照射，测量距离和设备表面发射率满足仪器要求的情况下得到的，对应测点的红外图像中的温度值T1为被校正温度。图1为红外热像仪测量温度校正原理。

图1 红外热像仪测量温度校正原理

可得到如下校正公式：

T*=T1-ΔT

(1)

其中，ΔT=T1-T2,T*为热电偶校正温度，实际上这种校正方式的理想结果就是T2=T*。以某石化厂转化炉F201为例，在无风、无阳光照射、测试距离10m、设备表面发射率设定正确的条件下，分别采用热像仪和热电偶采集转化炉外表面同一点处温度，反复这种检测n次得到两组数据，将经过数据滤波和均值处理后的数据绘制成图2。

图2中的R2是相关系数，R2的值越接近于1，表示拟合效果越好。定义温度值线性拟合偏差为：

(2)

图2 偏差温度拟合图

其中，j表示可用的采样序列数，n表示采样的个数，σi(i=1,2)为拟合偏差。于是可以得到红外测温的拟合偏差σ1=0.2085，热电偶接触测量的温度的拟合偏差为σ2=0.2592。

可见，偏差温度ΔT随着T1与T2的上升而上升，其中，红外仪测量温度与偏差温度关系式可近似拟合为：

ΔT=0.1138T1-5.8257

(3)

热电偶接触测温与偏差温度关系式可近似拟合为：

T2=7.8309ΔT+51.0611

(4)

至此，在得到红外热像仪拍摄的红外图像后，首先可以通过式(3)，由红外热像图上的温度T1得到偏差温度的预估值ΔT,然后利用基于式(4)得到温度T2，即可得校正后的红外热像仪的温度T*。表1给出了一组实测数据的验证结果，其中e1为校正前温度误差百分比，e2为校正后温度误差百分比。

表1 基于热电偶的温度校正模型的检验表

由表1说明，该方法在一定条件下有较好的校正能力。

2 受干扰因素影响的温度补偿方法

以上基于热电偶的校正方式是在设定正确的条件下，但这些约束对生产实际而言比较苛刻。因此，还需要讨论光照、风速、风向、近距离热设备辐射及设备表面发射率等这些影响因素。设备表面发射率可以通过热像仪自身所带的功能修正，而光照影响的修正或补偿是一个世界性的难题，目前只能采用规避的方法来尽量避免[10]。下面讨论风速、风向和附近热设备的影响。

2.1风速、风向的影响与校正

物体表面散热的主要物理方式有辐射、传导和对流3种。辐射指机体以发射红外线的方式来散热；传导就是机体通过传递分子动能的方式散发热量；对流就是空气的流动，这是以空气分子为介质的一种散热方式。风速和风向主要影响的是对流的散热方式，进而对红外测温精度造成了一定的影响[12]。

笔者通过风速对空气对流换热系数影响而得到的一种更适合工程简化计算的温度修正公式：

(5)

其中，T*表示校正后的温度；T表示校正前的温度；ω表示风速，m/s；a和b为系数，需要根据设备所处当地的实际情况来确定。但上式适合于周围不存在其他较高大建筑物的情况。例如在新疆某炼油厂，在风速小于5m/s时，经实测检验得a=1和b=0.35。

当设备周围存在与设备相当甚至更高大的建筑物时，就需要考虑风向的影响。将风向分为图3所示的3种情况。

校正关系为：

T*=(1+α)T

(6)

其中α为校正系数。经实际验证，分别按下式取值：

(7)

2.2附近热设备的影响与校正

石化系统中，设备往往以集群形式建造，即某一个热设备附近还有与之相当的其他热设备。各个热设备表面都会向外产生辐射，由此会对被检测的热设备的温度场构成一定的影响。这里所说的附近设备是指与所测设备之间的距离D与自身几何尺寸min{L,W,H}相当的设备，其中L、W、H分别表示设备的长、宽、高。

图3 设备所受风向的示意图

经反复试验和实地验证，笔者提出了一种如图4所示的温度校正流程。图中，ΔTe表示相邻两设备之间的表面温差。

修正经验公式中的β、μ与风向因子α、设备发射率、设备间的温差ΔTe成正比，与设备间的距离D成反比。

3 整体校正

将上述3种情况的温度校正方法综合起来，最终可得到整体校正流程(图5)。

其中TD为温度阈值，对于某厂的转化炉设备，TD=50℃，对于某厂的裂解炉设备,TD=70℃。

为验证校正效果，笔者进行两次现场测试。现场采集的设备表面红外图像(图6)的温度T1，与热电偶获得的温度T2相比偏差较大，采用提出的方法进行温度校正处理。将处理后的温度数据T*与热电偶测温仪表获得的温度数据T2对比，结果见表2、3，其中e1为校正前温度误差百分比，e2为校正后温度误差百分比。热电偶的精度为0.01℃。

图5 温度整体校正流程

图6 现场采集的设备表面红外图像

表2 测试1数据对比

表3 测试2数据对比

结果表明，对长波红外热像仪现场温度检测结果采用提出的方法进行温度修正后，其偏差减小，提高了测温精度。对于较低温度的设备红外仪测得的温度偏低，对于较高温度的设备红外仪测得的温度偏高。

4 结束语

为了对石化热设备保温状况的分析与评估方法进行研究，需利用红外热像仪实现对设备的红外测温诊断，因此对红外测温的准确性、可靠性要求很高。针对该问题，笔者通过理论分析，并结合加热炉保温状况的实际数据，提出了石化热设备的红外测温受风速、风向及附近热设备等多种因素影响的温度误差校正方法。经过对现场设备的实际校正，结果表明了所提方法的有效性。

[1] 孙晓刚,李云红.红外热像仪测温技术发展综述[J].激光与红外,2008,38(2):101～104.

[2] 李晓刚,付冬梅.红外热像检测与诊断技术[M].北京:中国电力出版社,2006:1～24.

[3] 王锦,门长贵.煤气化炉炉壁非接触式测温技术[J].化工自动化及仪表,2014,41(4):349～351，376.

[4] 刘晖,陈国华.红外热像检测技术在石化工业中的应用[J].石油化工设备,2010,39(1):47～53.

[5] 朱柏青.基于热效率的加热炉综合优化控制的应用研究[D].北京：北京化工大学，2013.

[6] 李晓刚,付冬梅.红外热像检测技术在石化工业中的应用[J].激光与红外,2000,30(5):265～268.

[7] 董其国.红外诊断技术在电力设备中的应用[M].北京:机械工业出版社,1998:156～168.

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[10] 马继先,杨青,郭亮,等.影响电力设备红外检测准确性因素的分析研究[J].华北电力技术,2012,(8):55～60.

[11] 任焜,胡益民,吴坚,等.一种实用红外测温仪数字温度补偿方法[J].传感器技术,2004,23(12):59～61.

[12] 寇蔚,杨立.热测量中误差的影响因素分析[J].红外技术,2001,23(3):32～34，42.

CorrectionMethodforInfraredTemperatureMeasurementofPetrochemicalHeatEquipmentSurface

FU Dong-mei1, SUN Jing1, YANG Tao1, CHEN Feng2

(1.CollegeofAutomation,UniversityofScienceandTechnologyBejing,Bejing100083,China;2.PetroChinaDushanziPetrochemicalCompany,Karamay838600,China)

Basing on the measured data of in-situ petrochemical heat equipment, a thermocouple-based temperature-correcting model was proposed and the relative compensation method for the interference factors was presented. Aiming at the influence from the wind speed and direction and neighboring heat equipment, the detailed analysis was implemented, including the establishment of correction and compensation formula. Application results show that the method proposed can effectively reduce temperature error of the infrared thermal imager so that the purpose of temperature correction can be reached.

infrared thermal imager, temperature correction, petrochemical heat equipment, interference factor

TH811

A

1000-3932(2016)11-1144-04

2016-09-25(修改稿)

国家自然科学基金项目(61272358)