内窥式高温摄像机在加热炉中的设计与使用

马 凯

内窥式高温摄像机是建立在光学、传感器技术和现代电子通信技术基础之上的一种温度与影像监测装置。具有适用范围广、观察视角好、操作简单、运行稳定、在线实时监控等优点，被广泛应用于各种工业加热炉等需要监控温度和不便于人工操作的场合。过去受材料和技术所限，很多加热炉都采用的是外窥式高温摄像机。但由于外窥式高温摄像机受视场范围和测量精度的影响，已经很难满足工业生产中日益提高的工艺要求，因而逐渐被淘汰。取而代之的则是具有更好监控性能的内窥式高温摄像机。内窥式高温摄像机的监控探头伸入到加热炉内部，可以使监控人员更加清晰和直观地观察到加热炉火焰的燃烧情况、炉渣堆积情况和炉内板坯的加热情况。从而更加精确地对加热炉的燃烧工艺参数进行调整，对空气、煤气的输出比例进行控制，使火焰达到最佳的燃烧状态；并通过合理调整出钢时间和纠偏，避免钢坯倾斜、不正常撞钢等事故的发生。由此可见，内窥式高温摄像机为加热炉的工艺调整和人员操作提供了有力的支撑，提高了生产工艺水平，保证了加热炉的正常安全生产。本文对内窥式高温摄像机的结构原理，以及其在加热炉中的设计应用进行了探讨。

1 内窥式高温摄像机硬件配置的结构设计

内窥式高温摄像机是一种能够伸入到加热炉炉膛内部的温度监测装置。采集并生成的视频影像可实时传输到监控室的电视监控画面上，使人员可通过监控画面近距离直接对炉膛内的火焰燃烧情况和板坯加热情况进行观察。摄像仪所使用的超动态范围摄像仪，可随炉内亮度变化自动调节电子光圈，并有较好的背光补偿作用。可以在逆光、强光等不同的光线条件下清晰摄取炉内火焰燃烧和板坯加热情况。摄像机具有采集范围广、可视性好、体积小、重量轻、寿命长、可靠性好的优点。内窥式高温摄像机的硬件配置主要有：摄像头、高温镜头、保护套、电视监控、电气检测系统、电动退膛装置、防爆保护罩、配风机构、制冷器、连接电缆等。

1.1 摄像头

摄像头是伸入到炉膛内部的视频影像采集装置，是内窥式高温摄像机的核心部件，由超动态摄像机、温度传感器、保护套、高温光学镜头等几部分组成。目前较多采用的是电荷耦合器（CCD）摄像头。CCD摄像头主要由CCD图像传感器、同步信号发生器、CCD驱动器、A/D、AGC、预中放、D/A转换电路和电源电路组成。摄像头主要应用了光学原理，通过对物体反射光线的采集，形成电信号传输至监视器。电荷耦合器（CCD）将光学镜头成像画面分解成几十万个像素，当被摄物体的反射光线经过镜头成像到CCD芯片上时，CCD会根据光的强弱积聚，经过光电电荷转换后，转移输出，形成相应的电信号。该电信号经过放大电路、AGC自动增益控制、模数信号转换、图像数字信号处理和数模转换之后，可生成标准的复合视频信号，并通过视频输出端子和视频线输出至视频监控器，形成清晰完整的摄像画面。

1.2 高温镜头与成像仪

高温镜头具有良好的耐高温和耐腐蚀特性，主要作用是在CCD靶面上使被摄物体成像。采用了蓝宝石耐高温超长成像仪，用以吸收来自窑内发出的强烈黄色光，使图像更清晰。成像仪采用了中继物镜两次成像设计，通过增加成像仪成像距离减少了炉内高温热辐射对摄像机的影响。成像仪光圈调节有手动与自动两种调节方式，保证了动态摄像下的成像质量。同时针孔式设计的成像仪也可减小加热炉炉壁的开孔尺寸。在加热炉中安装摄像头时，安装方向一般垂直与观察方向。为了使被摄物体良好成像，需要将光学系统高温镜头视角设计成转向90°。使被摄画面能够在光路上转90°后，成像在摄像机的CCD靶面上。为了避免长期强光照射下使摄像机CCD靶面迅速老化，保证成像质量，需要在高温镜头的光学系统内插入滤色片，使光能量和光照强度衰减后再投入到CCD靶面上。

1.3 保护套

保护套是包裹在摄像机外缘的带有冷却和隔热功能的金属保护部件，由耐高温不锈钢及特种合金材料制成。是一种双层结构的圆形壳体，对摄像头起到高温保护的作用。由于内窥式高温摄像机需要伸入到上千摄氏度的加热炉内，为了避免摄像机的损坏和过早老化，因此摄像机必须装设在专用的高温保护套内，通过气冷和水冷两套系统对摄像机镜头进行隔热和冷却保护。保护套采用耐高温和腐蚀的不锈钢材质，为了提高隔热性能，采用了双层的套管式结构。头部为摄像机镜头，尾部为冷却系统的进气口和进、出水口。摄像头通过支架安装在保护套内，在头部摄像机镜头处开有专门的观察孔，孔内安装的石英玻璃起到隔热的作用；同时，设置在保护套内的冷却装置也起到了降温和冷却的作用，共同保护摄像机和镜头免遭高温损坏。此外，保护套还设置有高温报警功能。在保护套内的摄像头位置设置有热敏电阻与电气检测系统相连接，当温度超过正常范围时自动发出报警声音，以提醒操作人员收回摄像机或是加强冷却。保护套头尾两端的进气管和观察孔内充有氮气，起到冷却摄像机和保护观察孔内玻璃窗不受污染的作用。

1.4 监控电视

监控电视采用一般的液晶显示器即可。通过显示器上的视频接入端口和高温视频电缆与高温摄像机的信号输出端口相连接，即可获取现场摄像头传回的视频信号，并在屏幕上显示出现场实时的视频画面。监控电视一般都会安装在中央控制室内，室内人员通过监控画面可以随时以多角度观察加热炉内的工作状况。内窥式高温摄像机获取的监控画面不仅清晰、直接，弥补了由于观察窗角度限制而造成的观察不全面的问题；而且人员的工作强度和工作环境也得到了缓解和改善。一般的监控电视中还配置了多画面合成器，可在显示器上同时显示多个画面，而且每个画面的宽度大小可以自由调节，从而便于对加热炉炉前、炉内、炉尾等各环节进行同时监控。

1.5 电气检测系统

电气检测系统主要是起到检测摄像机温度、冷却水流量和氮气保护系统气压的作用。该系统与一般的电气检测系统结构组成相类似，主要由热敏电阻、微压差变送器、流量传感器、监视仪表以及配套的通信线缆组成。电气检测系统不间断地对温度、气压、流量等参数进行巡回检测。当某一项参数超出正常范围时，检测系统便会发出报警，提醒操作人员及时观察和查找发现问题，采取措施消除参数异常。

1.6 电动推进和退膛装置

主要为电动马达，通过电动机和齿轮传动将固定在推进器上的摄像探头送入或是退出炉膛，一般由人员在控制室或是现场点动按钮进行操作。推进器的控制系统会接收到来自现场传感器的压力、温度等参数信息；如果摄像机、高温光学镜头的温度或是压缩空气的压力等某项参数指标高于或是低于设定值时，电气检测系统就会发出报警，同时推进器会发出控制信号给电气控制箱，启动电动机，自动将摄像探头从炉膛内退出。使高温摄像机在满足保护条件的情况下，推进进入加热炉内的高温工作区；而在温度、压力等参数不符合条件时，由人员操作退出高温工作区，从而保护探头安全。在摄像机监测运行的过程中，操作室人员还可根据监控画面的显示情况，操作摄像机“打开”或是“关闭”光圈，以得到更加清晰和良好的画面。

1.7 电气和气源控制柜

电气控制柜主要用于高温摄像机电气系统的控制和保护，如驱动摄像头的进退、检测摄像探头温度以及视频信号、传感器信号、故障信号的传输。设备采用220V交流电供电，为推进和退膛装置供电；输出12V直流电为摄像机、行程开关、压力控制器、温度控制器供电；自动控制系统则采用5V直流电供电。同时，电气控制柜还承担着保护、转接线缆，分配和传递信息以及调整、过滤和分配压缩空气的作用，保证了摄像头的平稳工作。气源控制柜采用了二级过滤方式，可对压缩空气中的粉尘、油、水等进行过滤，以获得无水、无油的纯净冷却压缩空气，为探头罩内的摄像机和高温针孔镜头提供冷却保护。从而使摄像系统能够在高温环境下正常工作；每使用6个月～12个月后，清洗和更换滤芯即可。

2 内窥式高温摄像机的技术特点

内窥式高温摄像机最大的特点是可以将镜头直接伸入到加热炉的炉壁观察孔，在高温工作环境内近距离直接观察炉内工件运行情况、板坯加热情况和加热炉火焰燃烧情况。为了适应加热炉内特殊的作业环境，满足对加热炉炉内观察的需要，内窥式高温摄像机需要具备耐高温、耐腐蚀等技术特点。以在冶金加热炉比较常用的YZSG-FL内窥式高温摄像机为例，产品主要具备以下技术特点：

（1）耐高温、耐腐蚀。内窥式高温摄像机的工作环境非常特殊，摄像机探头需要伸入到温度高达1500℃以上，且燃烧着的炉膛内，并在炉膛内高温环境中维持长时间连续运行。内窥式高温摄像机采用了具有良好耐高温、耐腐蚀性能的合金材质作为摄像机镜头的隔热保护套；同时保护套的双层结构中还设置了专门的冷却系统，可有效降低保护套内的温度，使摄像机探头处在比较理想的-10℃～70℃的环境温度范围内。

（2）视角大、观察好。内窥式高温摄像机采用专门的高温针孔成像仪，视场角最大可达到110°。选择合适的安装视角，可以使摄像机探头全面炉膛内部的工况。

（3）可靠性好。电动机驱动和PLC控制的方式使摄像探头具备了比较稳定的工作性能，可以及时可靠地完成入膛、退膛、摄像等功能。风冷系统在足够的空气压力下，只需要少量的压缩空气吹扫，即可确保高温摄像机得到有效的清洁和冷却。风冷的方式可以使摄像头在长期高温环境下稳定工作，不容易出现腐蚀损坏。

（4）具有完整的自动保护功能。系统设备按照工业级标准配置，根据其使用工况设置了完善的连锁自保护功能。比如高温保护、低气压保护等。当摄像机工作环境温度、压力等参数不符合条件时，系统PLC自动控制摄像机退膛，离开高温工作区，从而保护摄像机探头的安全。在设备遇到突然停电的情况时，相关的传感器会迅速向电动推进器发出“退膛”指令。然后设备会在UPS电源的保护作用下，驱动摄像头从高温炉膛中退出，以达到系统断电情况下自动保护的目的。在低气压保护方面，当压缩空气压力低于规定值0.2MPa时，位于气路上的压力开关会将低压信息传递给电气控制系统，由电机驱动将探头退出至炉外。

（5）操作控制简单。内窥式高温摄像机系统中受控部件较少，电气结构简单，只有高温成像仪和电动推进器。电动推进器采用低速电机驱动，简单的齿轮与链条传动，动作准确而又及时，可采用手动或是电动控制。通过安装在控制室内的操作器或者是现场的电气控制柜，均可对电动推进器进行退出或是伸进；系统也可由连锁装置自动进行控制。

3 内窥式高温摄像机在加热炉中的使用与维护

3.1 设备的检测与调试

3.1.1 安装总检

设备安装完毕后，应根据总布置图、电路图和接线图对照设备安装要求进行全面检查，检查各部分连线是否正确。确认无误后，接通开关电源并通电。此时数显温度调节仪的界面上应显示探头罩内温度，监控电视画面上应有图像出现，注意观察。打开压缩空气进气阀，检查压力表，保证控制开关处压力大于0.2MPa。此时设备已可投入运行，可在冷却空气接通并正常供气10min后，接通电源进行操作。确认监控画面、温度和压力等参数显示无误后，可对自动退出保护功能进行测试。具体方法是在设备通电通气10min后，操作探头伸入炉内，在温度、压力等参数正常的情况下观察设备运行情况。确认无问题后，关闭供气阀门，此时设备的低压保护功能应启动，并自动控制退膛装置控制探头退出。高温保护功能的确认需要在气压参数正常的情况下，将温控仪报警温度设置到低于仪表显示温度，如果此时退膛装置自动控制探头退出的话，则说明高温保护功能正常。

3.1.2 参数的设置与调试

内窥式高温摄像机属于自动化电气设备，投入运行前需要对各项运行参数进行设置与调试。包括PLC参数与程序设置、温控仪参数设置、压力传感器参数设置、摄像机快门与自动白平衡的设置调整、镜头焦距的调试等等。这些设备参数可参照操作说明书，并根据监控实际需要进行设置调整。

3.2 内窥式高温摄像机在加热炉中的使用

加热炉是轧钢生产线的重点部位之一，对热轧产品的质量控制起着重要作用。内窥式高温摄像机在加热炉中可对炉前、炉内、炉尾等不同的部位和环节进行实时监控，有效保证了热轧生产线的正常生产运行和热轧钢坯的质量。其中炉前与炉内监控主要是用于监控板坯的加热状态和火焰燃烧情况，观察板坯状态、火焰燃烧情况与工艺要求是否相符，并通过板坯控制系统调整出钢时间和调整空气、煤气比例等燃烧参数，以保证板坯加热质量。此外，炉内监控还用于监控炉内炉渣的堆积情况，操作人员则可监控画面的指导下，远程控制清理炉渣。炉尾监控主要用于监视装钢机的运行轨迹，装钢时对钢坯的方向进行纠正，以避免钢坯倾斜、不正常撞钢等事故的发生。内窥式高温摄像机工作环境恶劣，粉尘较大。为了消除粉尘影响，保证正常成像，需要保证电源、风源的正常，以保证设备工作时气流能够对镜头前段粉尘进行吹扫。设备投入运行后，在监控正常的情况下，各种调整好的仪表参数不要再轻易进行调整。如果设备需要维护，则必须将探头退出炉膛，关闭系统电源并待其完全冷却后方可进行正常维护。

3.3 设备的定期维护

空气过滤设备、镜头、镜头保护管等都是需要定期维护的部件。空气过滤设备在使用一段时间后，过滤器会出现积水、积油的情况。因此，需要每隔一段时间就对空气过滤设备的出水阀、出油阀进行放空。如果设备使用中出现气流不稳和堵塞的情况，也需要对过滤设备进行清理。如果设备出现潮湿现象，需要将设备进行暴晒或是纯净空气干燥处理。高温、粉尘的工作环境对于镜头和镜头保护管来说，也会有很大影响。会导致其出现污染和结灰的情况，并影响监控。当监控视界变小或是图像模糊不清时，需要将探头退出，对端盖气孔、观察孔等进行清理，防止有污物堵塞小孔。定期使用软毛刷或镜头纸擦拭镜头窥孔和针孔镜头前部的蓝宝石镜片表面，以保证图像清晰。对于镜头上灰尘的清理不宜使用工具擦拭，最好使用干净的气流吹净。如果镜头污渍较大不易清理，则可用脱脂棉球沾水进行清理；如果镜头有损伤，则需要及时更换。不可随意拆卸镜头内部，只可清洁镜头前端盖和前端玻璃片。