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楊天祥，蔡國平，梁翠華

高爐冶煉過程是在上升煤氣流和下降爐料的相向運(yùn)動中進(jìn)行的。而高爐操作者控制冶煉過程的基本目的就是控制這個“運(yùn)動”，從而促使高爐冶煉達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、順行的目的。對于爐料下降的過程可以通過“料尺”進(jìn)行檢測，而對于煤氣流到目前為止還沒有直接檢測的設(shè)備。但是高爐爐頂物料表面的溫度狀況確切反應(yīng)了上升煤氣流的狀況，因此可以通過測量爐頂物料表面的溫度分布來間接檢測上升煤氣流。即物料表面溫度高的部位其煤氣流就“活躍”，反之，其煤氣流就“不活躍”。這個工藝要求促進(jìn)了高爐爐頂熱圖像儀和十字測溫技術(shù)的誕生和發(fā)展。熱圖像儀是一種探測物體表面自身的熱輻射，并將其轉(zhuǎn)換成人眼可見的圖像的技術(shù)。熱圖像儀不僅能觀測物體的圖像，而且能遙測物體表面的溫度分布。它具有不需要外加照明和不破壞物體自身溫度場的特點(diǎn)，現(xiàn)已從遙感和軍事應(yīng)用中轉(zhuǎn)向“民用”，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)過程檢測和設(shè)備故障診斷檢測中，高爐爐頂熱圖像儀就是其中一項(xiàng)重要的應(yīng)用。
ö  工作原理
紅外線輻射是自然界存在的一種最廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會產(chǎn)生自身的分子和原子無規(guī)則的運(yùn)動，并不停地輻射出熱紅外能量。分子和原子的運(yùn)動愈劇烈，輻射的能量愈大；反之，輻射的能量愈小。紅外線輻射的能量可用物體表面的溫度來度量，輻射的能量愈大，則物體的表面溫度愈高。
紅外線是波長在0.76～1000m之間的電磁波，按波長范圍分為近紅外(0.76～3m)、中紅外（3～6m)、遠(yuǎn)紅外(6～15m)、極遠(yuǎn)紅外(15～1000m)4類，它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置處于無線電波與可見光之間的區(qū)域?？梢姽庠陔姶挪l譜及波長范圍中的區(qū)域是波長在0.39～0.76m之間的電磁波，在近紅外區(qū)和近紫外區(qū)之間如圖1所示。

   圖1  電磁波頻譜及波長示意圖

紅外輻射電磁波在大氣中傳播要受到大氣的吸收而使輻射的能量被衰減。但空間的大氣、煙云對紅外輻射的吸收程度與紅外線輻射的波長有關(guān)，特別對波長范圍在1～3m，3.5～5m及8～14m的3個區(qū)域相對吸收很弱，紅外線穿透能力較強(qiáng)，透明度較高。這3個波長區(qū)域被稱之為紅外輻射的“大氣窗口”，“大氣窗口”以外的紅外輻射在傳播過程中由于大氣、煙云中存在的二氧化碳（CO₂）臭氧（O₃）和水蒸氣（H₂O）等物質(zhì)的分子具有強(qiáng)烈吸收作用而被迅速衰減，利用紅外輻射中“大氣窗口”的特性，使紅外輻射具備了夜視功能，并能實(shí)現(xiàn)全天候?qū)δ繕?biāo)的搜索和觀察。而高爐爐頂內(nèi)含有高達(dá)20%以上的CO₂，水分含量也很高，因此，紅外光較之可見光透煙霧性能較好。
紅外輻射的探測是將被測物體的輻射能轉(zhuǎn)換為可測量的形式，如對被測物體的熱效應(yīng)進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換來測量物體紅外輻射的強(qiáng)弱，
目前利用紅外測量溫度的儀器，其使用的波段為3～5m及8～12m。
ö  應(yīng)用與發(fā)展
目前國內(nèi)外高爐爐頂所使用的熱圖像儀一般采用“單點(diǎn)”紅外檢測器，將物體表面分割成上萬個像素并采用機(jī)械掃描方式，將每個像素的熱輻射（溫度場）進(jìn)行逐點(diǎn)掃描成像（簡稱為光機(jī)掃描方式）。由于受機(jī)械掃描速度的限制，一幅溫度圖像的檢測時間需要2~4秒。因此這種熱圖像儀只能檢測物體表面的溫度，不能將物體外形（或視場范圍內(nèi)的其它設(shè)備）進(jìn)行成像。如果將掃描速度提高到每幅1/25秒（也就是每秒有25幅圖像），那么這種熱圖像儀不僅能測溫同時也能成像。
近年來，紅外熱成像技術(shù)已從光機(jī)掃描方式發(fā)展到紅外焦平面凝視成像技術(shù)，這種成像技術(shù)采用了將單個紅外檢測元件“集成”為一個面陣，將物體表面的熱輻射同時被這“面陣”檢測，類似于可見光成像技術(shù)（簡稱為CCD技術(shù)）。為了抑制環(huán)境溫度所造成的“背景噪聲”，檢測器件要進(jìn)行“強(qiáng)制”制冷。在90年代中期研制成功的非制冷型紅外焦平面技術(shù)又使紅外成像技術(shù)走向一個新的里程碑。1994年美國Honeywell公司首次研制成功非制冷型微熱敏電阻焦平面，1996年美國Amber公司又推出型號為Sentinel的軍民二用紅外焦平面熱圖像儀。目前美國Agema、Delta、Design公司，日本NEC公司都有這方面的產(chǎn)品。這種產(chǎn)品的性能指標(biāo)為：溫度分辨率0.1℃、量化等級12bit、像元素320×240、幀頻30Hz/s（每幅圖像的成像時間是0.0333秒），采用此技術(shù)制造的高爐爐頂熱圖像儀的重量為20公斤。
目前也有將可見光成像技術(shù)應(yīng)用于高爐爐頂，在高爐爐頂溫度低的時候采用外加輔助光，爐頂溫度高的時候可以不加輔助光進(jìn)行成像。這種技術(shù)主要應(yīng)用于在休風(fēng)時對爐內(nèi)的觀測，以及在高爐生產(chǎn)中對中心氣流的觀測。
由于可見光成像技術(shù)和熱圖像儀技術(shù)只有在成像這一技術(shù)上具有一致性，但在成像的機(jī)理上完全不同。因此，在高爐爐頂?shù)膽?yīng)用上具有完全不同的作用。
ö  可見光圖像和紅外熱圖像在應(yīng)用上的區(qū)別（見圖2～4） 

(a) 可見光圖像 

(b) 紅外圖像
圖2  日光下的住宅 

(a) 可見光圖像 

(b) 紅外圖像
圖3  夜幕下的屋內(nèi)人群

(a) 可見光圖像

             (b)紅外圖像
          圖4  夜幕下的人群