焦炉炉墙温度分布的光纤测量技术

   1　概　述

   焦炉的结构独特,由数十个碳化室和燃烧室交替组合而成,是冶金工业中最复杂的窑炉。煤气燃烧的热量经燃烧室两边的垂直炉墙传导至碳化室,预装在碳化室的煤在950℃~1 050℃的状态下干馏,大约20 h后由推焦车的推焦杆推出焦炉,冷却形成焦炭^[1]。大型焦炉的碳化室高6 m,宽0. 45m,长16m。焦饼成熟均匀的条件是对碳化室两边炉墙加热均匀。为了掌握焦炭的成熟程度,实现焦炉优化控制,需要对两边垂直炉墙长度方向的温度分布进行监测。

    人们采取了许多办法,例如在燃烧室的火道顶部多点安装热电耦,再通过热传导关系模拟出碳化室的温度,或在出焦侧安装红外光学测温计,在推焦过程中连续测量红焦温度,从而推断出碳化室温度[2]。由于间接测量,精度不高,而且焦炉的环境极为恶劣,如高温、烟雾、粉尘和雨水等,价格昂贵的铂铑热电耦或红外高温计使用寿命短、维护困难。

    光纤具有许多优点,如良好的传输特性和电绝缘性,良好的可弯曲性,以及宽频带等。光纤传感技术是通过调制、检测光纤中传输的光波特征参量,实现对各种物理量测量的技术。光纤的上述特性使光纤传感技术具有高精度、不受电磁干扰、性能可靠和耐腐蚀等优点。光纤通信技术的迅速发展为光纤传感打下了雄厚的技术基础,它的基础元器件已商品化,其稳定性和可靠性均能满足光纤传感的要求^[3]。

    考虑到光纤本身的材质是二氧化硅,能耐受较高的温度,光纤可以将信号远传,从而避免信号处理仪表工作在高温区,所以光纤高温测量技术可以应用于焦炉碳化室炉壁温度分布的动态测量。

    2　光纤双波长测温原理

    普朗克定律指明了黑体的辐射强度Ebλ是波长和温度的函数:

式中,λ是波长;T是绝对温度;C₁,C₂分别是第一和第二辐射常数;辐射强度E_bλ的下脚标b表示黑体,λ表示辐射波长。

    对于特定单色波长λ₁在带宽内δλ₁的波段区间内所发射的黑体辐射能量为

在同温度下,另一个单色波长λ₂在带宽内δλ₂的波段区间内所发射的黑体辐射能量为

若仅仅利用辐射光谱一个单色波长的辐射强度来测量温度,现场恶劣环境将不可避免地污染测温探头,使光辐射信号衰减,测温失准。

    如果将高温物体的这2个辐射波长λ₁、λ₂在各自带宽δλ区间内的辐射能量做除法,获得比值R: