一种具有自动清焦功能的锅炉燃烧层红外测温装置

技术领域

本发明属于温度检测设备领域，特别涉及一种对红外测温装置光路上的飞灰与结焦具有清除功能的锅炉燃烧层红外测温装置。

背景技术

锅炉的炉膛温度是锅炉燃烧优化的重要参数之一，炉膛温度场测量是炉膛燃烧状态稳定与否最直接的反映。通过对其精确的测量，可以实现对锅炉燃烧状态的判断、预测和诊断，控制燃料在炉膛内部合理、充分的燃烧，确保温度场在炉膛内部均匀分布。而煤粉在锅炉中长时间燃烧后，产生的灰渣颗粒会随着烟气流动，易在锅炉内壁以及温度测量孔处形成结焦以及飞灰等颗粒，进而会影响炉膛火焰红外测温装置对于炉内火焰温度测量的准确性及有效性，导致锅炉无法安全有效的运行。

目前传统的清除结焦和飞灰的方式都为人工清理或是利用气流进行吹扫，人工清理的方式即由巡检人员将整个红外测温装置拆卸之后，利用钢钎或类似物对测量孔进行飞灰清扫及结焦清除，整个过程不但费时费力，也存在很大的安全隐患；气流清扫的方式主要是利用炉膛内外压差，通过气流流动完成清扫，但气流流速较慢，同时气流中携带的水和油极易污染红外测温装置中光学系统镜头，使仪器不能长期稳定的运行，并增加了维护量。

发明内容

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于提供一种具有自动清焦功能的锅炉燃烧层红外测温装置，实现对锅炉燃烧层温度的测量，获取炉膛内的燃烧状况，同时可自动清除测温装置测量孔上的结焦和飞灰，确保红外测温装置不被炉膛结焦和飞灰所遮挡而影响测温效果，并且具有自冷却功能、实时显示炉膛火焰温度、红外测温装置测量孔状态的功能。

本发明的一种具有自动清焦功能的锅炉燃烧层红外测温装置，其包括红外测温系统、清焦装置以及气动控制装置；

所述红外测温系统包括锥筒10、支撑筒27、基座5、控制套筒28、后盖板29、固定板A20、固定板B22、隔热内套8、红外测温仪表21，所述气动控制装置设置在控制套筒28内；

所述锥筒10的前端为一圆柱形的导光管30，末端与隔热内套8固定连接，所述导光管30用于将炉膛内的辐射光线辐射到红外测温光学镜头2102上，其长度足以穿过锅炉水冷壁伸入炉内；

所述支撑筒27用于支撑基座5与隔热内套8，并对支撑筒27内的气缸7和红外测温光学仪表21起保护作用；

所述红外测温仪表21包括红外测温光电探测及信号处理单元2101以及红外测温光学镜头2102，所述红外测温光电探测及信号处理单元2101设置于控制套筒28内；

所述红外测温光学镜头2102固定于隔热内套8上，并与锥筒10的中心线一致，用于接收来自炉膛内的辐射量信号，并将所述辐射量信号通过光纤传入红外测温光电探测及信号处理单元2101中。

优选地，所述固定板A20、固定板B22及控制套筒28固定于基座5上，所述基座5上具有基座进气口501，所述基座进气口501与气源连接，引入冷却风并通过支撑筒27、隔热内套8以及锥筒10吹入炉膛中，实现对红外测温光学镜头2102的冷却并保证导光管30的透光性。

优选地，所述固定板B22上固定有汇流排17、二位五通电磁阀15和单通电磁阀14。

优选地，所述红外测温装置通过具有法兰的外筒套3固定在锅炉燃烧层炉壁1上，并通过锅炉水冷壁上预留的测量孔伸入炉内。

优选地，所述清焦装置包括带有观察孔904的撞锤9、第一气路座24、第二气路座11、气缸7和震动气锤6；

所述撞锤9内置于锥筒10的前端，所述撞锤9和锥筒10之间留有间隙；

所述第一气路座24、第二气路座11固定连接在所述气缸7的4个进气口上，气缸7与基座5连接；

所述基座5上设有两个气路短管13，用于将压缩空气通入气缸内，基座进气口501接入气源，对红外测温光学镜头2102起冷却作用，同时对撞锤9的前端起到辅助的清扫作用；基座上两个气路口502用于将气体导入夹层内；

震动气锤6通过两根支撑杆18和激振连接板19与气缸连接，在工作时震动气锤6引起撞锤的震动，抖掉附着在撞锤上的颗粒。

优选地，所述气动控制装置包括气源、二位五通电磁阀15、汇流排17、三通管件16、单通电磁阀14、气路短管13、PU管12、汇流排进气口1701、震动气锤出气口602、三通管件出气口1603以及气缸的前缸通气口701、后缸通气口702，所述气源与汇流排进气口1701相连接，单通电磁阀14与汇流排17及震动气锤6相连；二位五通电磁阀15与三通管件16及汇流排17相连，气路短管13与二位五通电磁阀15连接，PU管12与气路短管13连接。

优选地，所述隔热内套8与支撑筒27相连，隔热内套8上嵌有摄像头4，所述撞锤9一端通过两根连杆和连接盘25与气缸7相连，另一端为设有第一圆口901、第二圆口902的圆形钢板26，圆形钢板26后具有U型开口圆柱管口，以便摄像头4能采集到测量孔的实时图像，避免管口过长而阻挡摄像头4的观测光路。

本发明的具有自动清焦功能的锅炉燃烧层红外测温装置具有以下有益效果：

1.本发明可保证炉膛火焰温度测量的有效性和准确性，满足红外测温装置自动清焦的要求；

2.主要是根据测量孔的堵塞程度，自行判断测量孔是否堵塞并确定是否应进行清焦操作，在清焦时可以自行确定清焦的频率与强度，同时还可以满足随时进行测量孔清焦的要求；

3.操作简单方便，安全性高，将清焦这一传统的人工操作用自动化的方式取代，大幅度节约了生产成本，提高了工作的效率，延长了仪器的使用寿命，提升了智能化、现代化水平。

附图说明

图1为本发明锅炉燃烧层红外测温装置整体结构示意图。

图2为本发明红外测温系统结构示意图。

图3为本发明固定板A结构示意图。

图4为本发明固定板B结构示意图。

图5为本发明清焦装置结构示意图。

图6为本发明的清焦装置俯视图。

图7为本发明的气路连接示意图。

图8为本发明的堵塞判断光路图。

图9为本发明的图1中A部分放大图及撞锤右视图。

图10为本发明的汇流排结构示意图。

图11为本发明的支撑杆及激振连接板结构示意图。

图12为本发明的单通电磁阀示意图。

图13为本发明的二位五通电磁阀示意图。

图14为本发明的三通管件示意图。

图15为本发明的震动气锤示意图。

图16为本发明的气缸俯视图及仰视图。

图中附图标记为：

1.锅炉燃烧层炉壁、4摄像头、5基座、6震动气锤、7气缸、8隔热内套、9撞锤、10锥筒、11第二气路座、12PU管、13气路短管、14单通电磁阀、15二位五通电磁阀、16三通管件、17汇流排、18支撑杆、19激振连接板、20固定板A、22固定板B、21红外测温仪表、24第一气路座、25连接盘、26圆形钢板；

2003固定板A第一组固定孔、2004固定板A第二固定孔；

2101红外测温光电探测及信号处理单元、2102红外测温光学镜头；

2205固定板B第三组固定孔、2206固定板B第一组固定孔；

501基座进气口、502气路口；

601震动气锤进气口、602震动气锤出气口；

701前缸通气口、702后缸通气口；

901第一圆口、902第二圆口、903第三圆口、904观察孔

1402单通电磁阀进气口、1401单通电磁阀出气口。

1501、1503二位五通电磁阀第一出气口、1502二位五通电磁阀进气口、1505、1504二位五通电磁阀第二出气口。

1601三通管件第一进气口，1602三通管件第二进气口、1603三通管件出气口。

1701汇流排进气口、1702汇流排出气口。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

本发明的一项宽泛实施例中，一种具有自动清焦功能的锅炉燃烧层红外测温装置，如图5示意图所示，其设置于锅炉燃烧层炉壁1上，锅炉燃烧层炉壁1上设有测量孔，所述具有自动清焦功能的锅炉燃烧层红外测温装置主要包括红外测温系统、清焦装置以及设置在控制套筒28内的气动控制装置。

如图1-2所示，所述红外测温系统包括锥筒10、支撑筒27、基座5、控制套筒28、后盖板29、固定板A20、固定板B22、隔热内套8、红外测温仪表21。

图3示出了固定板A的结构示意图，其通过固定板A第二固定孔2004固定于基座5上，固定板A第一组固定孔2003用于固定红外测温光电探测及信号处理单元2101。

图4示出了固定板B的结构示意图，其一端固定于基座5上，固定板B第一组固定孔2206用于固定安装汇流排17，固定板B第二组固定孔2203用于固定安装二位五通电磁阀15，固定板B第三组固定孔2205用于固定安装单通电磁阀14。

整个锅炉燃烧层所述红外测温装置通过具有法兰的所述外筒套3固定在锅炉燃烧层炉壁1上，并通过锅炉水冷壁上预留的测量孔伸入炉内。

所述锥筒10的末端与隔热内套8固定连接，前端为一圆柱形的导光管30，所述导光管30的长度足以穿过锅炉水冷壁伸入炉内，导光管30用于将炉膛内的辐射光线辐射到红外测温光学镜头2102上。

所述支撑筒27用于支撑基座5与隔热内套8，并对支撑筒27内的气缸7以及红外测温光学镜头2102起保护作用。

所述红外测温光学镜头2102固定于隔热内套8上，用于接收来自炉膛内的辐射量信号，并将所述辐射量信号通过光纤传入设置于控制套筒28内的红外测温光电探测及信号处理单元2101中，红外测温光学镜头2102与锥筒10两者的中心线一致。

所述固定板A20、固定板B22及控制套筒28通过螺丝钉固定于基座5上，基座5上具有基座进气口501，所述基座进气口501与气源连接，引入冷却风并通过支撑筒27、隔热内套8以及锥筒10吹入炉膛中，实现对红外测温光学镜头2102的冷却并保证导光管30的透光性。

所述固定板A20与所述红外测温光电探测及信号处理单元2101通过固定板A第一组固定孔2003利用螺丝钉固定连接，红外测温光电探测及信号处理单元2101接收来自红外测温光学镜头2102的信号，并对信号进行处理。控制套筒28用于保护其内部的电子元器件正常工作。

所述固定板B22上固定有汇流排17、二位五通电磁阀15和单通电磁阀，对清焦系统的气路以及清焦动作起控制作用。固定板B22与汇流排17通过固定板B第一组固定孔2206固定，与二位五通电磁阀15通过第二组固定孔2203固定，与单通电磁阀14通过固定板B第三组固定孔2205固定。后盖板29与控制套筒28密封固定，后盖板29上设置有显示屏，实现对于锅炉燃烧层红外测温装置测量孔堵塞情况的实时显示。

在所述锅炉燃烧层红外测温装置正常工作并测量炉膛温度时，锥筒10穿过炉壁1上的测量孔伸入炉膛内部，锥筒10上的导光管30突出炉体内部，冷却风通过基座进气口501，经由基座、支撑筒27及锥筒导光管30吹入炉膛中，实现对于红外测温光学系统的冷却作用以及对测温光路上较轻飞灰的清除。由于燃煤锅炉内部燃烧工况比较复杂，通过锥筒10上的导光管30将炉膛内部发出的辐射光线辐射到红外测温光学系统的镜头上，红外测温光学系统对辐射来的光线处理之后通过光纤送到红外测温光电探测及信号处理单元中，红外测温光电探测及信号处理单元将接收到的光线信号转化为电信号，信号放大器把电信号进行放大并将信号处理转化为标准信号，处理之后的标准信号被送到监控设备上进行输出及显示。

如图5-6所示，所述清焦装置包括带有观察孔904的撞锤9、隔热内套8、第一气路座24、第二气路座11、气缸7和震动气锤6。

锥筒10末端固定于隔热内套8上，锥筒10前端呈圆柱形的导光管30并内置撞锤9，两部件之间留有间隙，撞锤9在进行清焦动作时能沿锥筒10向前移动。撞锤9一端通过两根连杆和连接盘25与气缸7相连，另一端为设有第一圆口901、第二圆口902的圆形钢板26，圆形钢板26后具有U型开口圆柱管口，以便摄像头4能采集到测量孔的实时图像，避免管口过长而阻挡摄像头4的观测光路，所述摄像头4通过第三圆口903对测温系统前端测量孔图像进行观测，如图4所示为摄像头4观测光路图。隔热内套8与支撑筒27相连，隔热内套8上嵌有摄像头4，摄像头4前设置有滤光片，避免炉膛火焰亮度过高烧坏摄像头感光器件及对系统堵塞判别产生干扰。

所述红外测温光学镜头2102安装于隔热内套8的开孔上，对炉膛火焰的温度进行测量。所述第一气路座24、第二气路座11固定连接在气缸7的4个进气口上，气缸7通过螺栓与基座5连接。

如图8为堵塞判断光路图，通过摄像头4对红外测温装置的测量孔进行观测，其观测到的光路如图中的虚线所示，对圆形钢板26采用了特殊设计，使其不会遮挡住摄像头的观测光路，实现对于测温装置测量孔的实时监测。

图9示出了图1中A部分放大图以及撞锤9的右视图，观察孔904为撞锤9的圆柱形管口，第一圆口901为圆形钢板26上为了不遮挡红外测温仪表测量光路而特殊设计的圆形管口，第二圆口902为圆形钢板26上为了不遮挡观测光路的而特殊设计的圆形管口，第三圆口903为摄像头4的观测孔。

基座5上设有两个气路短管13，用于将压缩空气通入气缸内，基座进气口501接入气源，对红外测温光学镜头2102起冷却作用，同时对撞锤9的前端起到辅助的清扫作用；基座上两个气路口502用于将气体导入夹层内。

如图11所示，所述支撑杆18用于连接震动气锤6和气缸7，激震连接板主要用于固定支撑杆18与震动气锤，震动气锤6通过两根支撑杆18和激振连接板19与气缸连接，在工作时震动气锤6引起撞锤9的震动，抖掉附着在撞锤9上的颗粒。

如图7所示，所述气动控制装置包括气源、二位五通电磁阀15、汇流排17、三通管件16、单通电磁阀14、气路短管13、PU管12、汇流排进气口1701、震动气锤出气口602、三通管件出气口1603以及气缸的前缸通气口701和后缸通气口702。

图10示出了汇流排17的结构图，包括汇流排进气口1701和汇流排出气口1702。

图12示出了单通电磁阀14的结构图，包括单通电磁阀进气口1402和单通电磁阀出气口1401。

图13示出了二位五通电磁阀15的结构图，包括二位五通电磁阀进气口1502、二位五通电磁阀第一出气口1501、1503和二位五通电磁阀第二出气口1505、1504。

图14示出了三通管件16的结构图，包括三通管件第一进气口1601，第二进气口1602以及三通管件出气口1603。

图15示出了震动气锤6的结构图，包括震动气锤进气口601以及震动气锤出气口602。

图16示出了气缸7的结构图，其中图16a为气缸7的俯视图，图16b为气缸7的仰视图，包括气缸的前缸通气口701，后缸通气口702.

来自气源的气体自汇流排进气口1701进入汇流排17，经汇流排汇流排出气口1702进入单通电磁阀14的第一单通电磁阀出气口1401再进入震动气锤6中，气体自震动气锤出气口602离开震动气锤。另一路气体经汇流排汇流排出气口1702进入二位五通电磁阀15的二位五通电磁阀进气口1502、二位五通电磁阀第一出气口1504、1505与气路短管13连接，气体通过气路短管13进入第二气路座11，PU管12将气体通入第一气路座24中，气体流经第一气路座24、第二气路座11通过气缸的前后通气口701、702进入气缸。气缸中的排出的气体通过二位五通电磁阀第二出气口1503、1501进入三通管件16，气体经三通管件出气口1603进入支撑筒27中。二位五通电磁阀15通过控制气缸的进出气，来控制气缸的前进与复位动作。

本发明中系统判定测量孔堵塞的方法为：

步骤一：图像采集。由摄像头4采集到红外测温装置测量孔的RGB图像，并将所采集到的RGB图像依据下式进行灰度单通道数值图像进行转化，得到转换后的单通道数值图像。

Gray＝R×299+G×587+B×114+(500)/100

其中：R、G、B分别代表着三原色；Gray为转换后的灰度值。

步骤二：采用自适应阈值进行二值化处理。对转换后的图像通过自适应均值阈值算法进行阈值的选取，主要是利用模版滤波的方式，选取一个半径大于观火孔半径的模版，生成一个与原图等大的均值滤波掩模，通过比较原图与掩模的灰度来确定二值化处理之后的图像的像素点值。在对比原图和掩模的灰度值后，对图像进行二值化处理，将高于阈值的像素点识别为亮点，对于低于阈值的像素点设置为暗点。

步骤三：利用连通域标记提取算法识别测量孔图像。由于炉膛内的火焰亮度较高，管壁的反射作用会使的二值化后的图像中存在伪亮点，影响对于整个测量孔堵塞状态的识别，因此必须通过连通域提取算法对二值化后的图像进行处理，排除伪亮点对于测量孔堵塞状态识别的干扰。

具体方法为：对所得到的二值化图像进行逐行像素的扫描，寻找二值化图像中的连通域的个数；记录下所寻找到的连通域，并计算连通域中的亮点个数；将连通域中亮点数最大的区域提取出来，作为测量孔的真实二值化图像进行堵塞判别。

步骤四：堵塞判定。假设锅炉燃烧层火焰温度测量产生误差，即测量孔发生堵塞时，经连通域提取算法之后得到的测量孔亮点数为M，而当前时刻所检测到的图像中亮点数为N，当所检测到图像中的最大亮点个数N

本装置还具备自冷却功能，引一路压缩空气进入基座进气口501，进入清焦装置中，并向前吹扫进入撞锤9与锥筒的夹层中，可对气缸、红外测温光学系统等进行冷却，并利用压缩空气气流的流动，将清焦时掉落的颗粒进行清除，避免结焦颗粒封死撞锤9与锥筒的夹层，造成清焦机构无法正常工作，同时也可确保撞锤9的清洁，不易沾染结焦颗粒，避免撞锤9对测量孔造成二次污染，影响清焦的效果并对测温造成影响。

本发明中清焦装置的控制方案为：

步骤一：当堵塞判别系统发出清除结焦指令之后，一路压缩空气通过汇流排17接入单通电磁阀进气口1402，通过单通电磁阀14进入震动气锤6中，压缩气体引起震动气锤震动，并带动气缸以及撞锤9震动，撞锤9在向前击打结焦块的之后不停震动，震动不仅可以抖落清焦时沾染在撞锤9前端的颗粒，还能对测量孔的结焦块具有更好的清除效果。

步骤二：在步骤一进行的同时，另一路压缩空气通过二位五通电磁阀15通入气缸中，当二位五通电磁阀15通电时，二位五通电磁阀第一出气口1505与气缸的前缸通气口701导通，同时后缸通气口702出气；当二位五通电磁阀15断电时，二位五通电磁阀15第一出气口1504导通，后缸通气口702进气，同时前缸通气口701出气，以此来驱动气缸带动撞锤9的前进和复位，来完成整个清焦的过程。

可以通过控制二位五通电磁阀15的通断电来控制清焦装置的工作频率，同时还可以控制每一次工作时的清焦次数。

红外测温仪：optris CTratio 1M红外双色光纤测温仪；

2位5通电磁阀：4V110-06A

单通电磁阀：2V025-08

气缸：二次加工的MALJ16*25-25

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。