（控制科学与工程专业论文）富氧燃烧陶瓷辊道窑的健康监测系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国工业现代化的高速发展，人们对陶瓷产品的需求也是与日俱增。 然而陶瓷窑炉是陶瓷生产中最主要的耗能设备，其能耗占总能耗的8 0 以上。 现阶段国际市场能源需求在不断加大，能源已是供不应求，因此国内某些机构 开始研究一种以高浓度氧包括纯氧作为助燃介质与燃气混合进行燃烧的新型富 氧燃烧陶瓷辊道窑，从而达到陶瓷工业生产的优质，高产，低能耗的目的。 目前国内共有陶瓷窑炉生产线4 0 0 0 多条，每年还将新增5 0 0 余条，陶瓷窑 炉造价也从几十到上千万不等，窑炉生产燃烧温度高达上千度，如何最大限度 提高窑炉使用周期，创造最大经济效益以及提高其生产安全性，是亟待解决的 问题。窑炉健康监测可以在保证其正常运行的同时，实时掌握窑炉工作状况， 一旦发现有任何异常，及时预警危险，提醒工程技术人员迅速进行窑炉的维护 和保养，为窑炉的正常工作与使用年限提供了有效支持。本文针对富氧燃烧陶 瓷辊道窑的结构特点与优点，对其健康监测系统及其相关技术方法进行了研究， 主要完成了以下4 方面的工作： ( 1 ) 结合富氧燃烧的工艺特点与优点，对富氧燃烧陶瓷辊道窑的工艺结构 及其优点进行了分析与研究。 ( 2 ) 结合现有健康监测技术，研究富氧燃烧陶瓷辊道窑健康监测系统的总 体方案，包括对传感、数据处理与分析以及安全评定子系统等的研究。 ( 3 ) 分析光纤布拉格光栅的传感原理与测量方法，结合富氧燃烧陶瓷辊道 窑的结构特点设计一种基于光纤布拉格光栅温度传感器的非接触式富氧燃烧陶 瓷辊道窑温度检测方法。 ( 4 ) 从两个方面对富氧燃烧陶瓷辊道窑健康监测系统的安全评定方法进行 了研究：一是以烧成品质量及最佳工况为标准来判定富氧燃烧陶瓷辊道窑的工 作状况，并通过计算机模拟证明采用线性规划方法可以判定富氧燃烧陶瓷辊道 窑的健康工作状况；二是从富氧燃烧陶瓷辊道窑的热工散热特性及其窑体外表 面温度来判定其窑体结构及保温层的健康状况，并建立富氧燃烧陶瓷辊道窑窑 体一维散热模型对窑体结构及其保温层的健康状况进行安全评定研究。 关键词：富氧燃烧陶瓷辊道窑，健康监测，安全评定方法 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lm o d e r n i z a t i o ni nc h i n a , t h ed e m a n d f o rc e r a m i cp r o d u c t si si n c r e a s i n g t h ec e r a m i ck i l li st h em a i ne n e r g y - c o n s u m i n g e q u i p m e n ti nc e r a m i cp r o d u c t i o n , 、析t l lu pt om o r et h a n8 0 o ft h et o t a le n e r g y c o n s u m p t i o n s i n c et h e c u r r e n ti n t e r n a t i o n a lm a r k e td e m a n df o re n e r g yk e e p s i n c r e a s i n ga n de n e r g yi si ns h o r ts u p p l y , an e w k i n do fo x y g e n - e n r i c h e dc o m b u s t i o n c e r a m i cr o l l e rk i l li sp r o p o s e db ys o m ei n s t i t u t i o n , w h i c hm i x e sh i g hc o n c e n t r a t i o n o fo x y g e nw i t hg a sa st h ec o m b u s t i o n - s u p p o r t i n gm e d i u m t h i sk i n do fr o l l e r 虹1 i li s c h a r a c t e r i z e db yd r o p i n gi nf u e lc o n s u m p t i o n , i n c r e a s i n gi nt h e r m a le f f i c i e n c y , d e c r e a s i n gi ne l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o na n dan o t i c e a b l ei m p r o v e m e n ti nr e d u c t i o no f n o i s e a n d d u s t a tp r e s e n t , t h e r ea r em o r et h a n4 , 0 0 0c e r a m i ck i l lp r o d u c t i o nl i n e si nc h i n a w i t hm o r et h a n5 0 0p r o d u c t i o n1 i n e si n t r o d u c e de a c hy e a r t h ec e r a m i ck i i nc o s t s m i l l i o n st ob u i l da n di t sc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea r eu pt oo n et h o u s a n dd e g r e e s ，s o h o wt op r o l o n gt h ek i l n sl i f ec y c l e ，c r e a t et h em a x i m u me c o n o m i cb e n e f i t sa n d i m p r o v et h es a f e t yo fi t sp r o d u c t i o nb e c o m es e r i o u sp r o b l e m st or e s e a r c h t h e r e a l t i m em o n i t o r i n gc a ne n s u r e st h en o r m a lo p e r a t i o no ft h ek i l la n de n a b l e st h e e n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n st og e tt h er e a l - t i m eh e a l t hc o n d i t i o no ft h ek i l n a ss o o n a s a n yd a m a g eo c c u r s ，t h ee n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n sw i l lb ew a r n e dt om a i n t a i na n d r e p a i rt h ek i l la n dr e m o v et h et r o u b l e si m m e d i a t e l y , t h u sp r o l o n gt h el i f eo ft h ek i l l a sp o s s i b l e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , ar e s e a r c ho nt h er e a l - t i m eh e a l t hm o n i t o t i n g t e c h n i q u e so ft h ek i l li sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lf e a t u r ea n dt h e r m a l c h a r a c t e r i s t i c so fc e r a m i cm i l e rk i l lw i t ho x y g e n - e n r i c h e dc o m b u s t i o n t h er e s e a r c h w o r k si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，t h es t r u c t u r a lf e a t u r ea n dt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so fc e r a m i cr o l l e rk i i nw i t h o x y g e n - e n r i c h e d c o m b u s t i o na r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt o t h e o x y g e n - e n r i c h e d c o m b u s t i o nt e c h n o l o g yf e a t u r e s s e c o n d ，t h eh e a l t hm o n i t o r i n gt e c h n o l o g i e so fk i l n sa r er e s e a r c h e d ，i n c l u d i n gt h e n 武汉理工大学硕士学位论文 s e n s o rs y s t e m ，d a t ap r o c e s s i n ga n d a n a l y s i ss y s t e m s ，a n ds e c u r i t ya s s e s s m e n ts y s t e m t h i r d ，t h ew h o l ef r a m e w o r ko fc e r a m i cr o l l e rk i l nw i t ho x y g e n - e n r i c h e d c o m b u s t i o nh e a l t hm o i l i t o 血l gs y s t e mi ss p e c i f i e d ，a n dad e t e c t i o nm e t h o do f t e m p e r a t u r es t a t u so f k i l nb a s e do nf i b e rb r a g g g r a t i n gt e m p e r a t u r ei sp r o p o s e d f o u r , t h es a f e t ya s s e s s m e n tm e t h o d so fk i l n sh e a l t hm o n i t o r i n ga r es t u d i e df r o m t w oa s p e c t s ：f i r s t l y , u s i n gp r o d u c tq u a l i 哆a n dt h eb e s tw o r k i n gc o n d i t i o n sa sa s t a n d a r dt od e t e r m i n et h eh e a l t hw o r k i n gc o n d i t i o no ft h ek i l n ，t h e n ，t h eh e a l t h y w o r k i n gc o n d i t i o n so ft h ek i l nw a sd e t e r m i n e db yu s i n gt h el i n e a rp r o g r a m m i n g m e t h o dt h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o n ；s e c o n d l y , u s i n gt h es t r u c t u r a l s a f e t ya n d t h e r m a lp r o p e r t i e so fk i l n sa sas t a n d a r dt od e t e r m i n et h eh e a l t hs t a t u so ft h ek i l n b o d yt h r o u g he s t a b l i s h e do n e d i m e n s i o n a lt h e r m a lm o d e lo ft h ek i l n k e y w o r d s ：c e r a m i cr o l l e rk i l nw i 廿lo x y g e n - e n r i c h e dc o m b u s t i o n ，h e a l t hm o n i t o r i n g ， s a f e t ya s s e s s m e n tm e t h o d i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 覆f 殳彩于导师( 签名) 日期 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及科学意义 本课题来源于湖北省科技专项资金计划项目“高性能陶瓷窑炉装备关键技 术开发及示范刀( 鄂科技发计( 2 0 0 7 ) 1 0 1 号) 。本文针对富氧燃烧陶瓷辊道窑的 结构特点，对其健康监测系统及其相关技术方法进行研究，富氧燃烧陶瓷辊道 窑的健康监测系统可以在保证其正常运行的同时，实时掌握窑炉的工作状况， 一旦发现有任何异常问题，及时预警危险，提醒工程技术人员迅速进行窑炉的 维护和保养，为窑炉的正常工作与使用期限提供了有效支持。 人类科技的发展与能源息息相关，然而地球上能源的存储是有限度地，能 源问题是人类生存和发展过程中亟待解决的问题。人类的发展已经消耗了巨大 的能源，能源缺乏日趋严重【l 】，现阶段如何高效利用能源已成为人类重点研究和 探讨的问题。在国内工业现代化高速发展和人们生活水平日益提高的今天，人 们对现代建筑陶瓷的需求也是与日俱增，同时对产品质量、品种等的要求也越 来越高1 2 】。陶瓷生产在建材工业生产中是绝对的耗能大户，陶瓷生产中最主要的 耗能设备为陶瓷窑炉，陶瓷窑炉的能耗占据了陶瓷生产总能耗的8 0 t 3 4 】。现阶 段能源需求不断扩大，能源已经供不应求，能源价格持续增长。因此，研究陶 瓷窑炉的工艺结构及其热工性能，分析其规律性，提高陶瓷窑炉的热能效，从 而提高陶瓷工业生产的产量与质量，降低陶瓷的能耗，已成为现阶段的研究重 点。 当今，陶瓷窑炉从过去的小型化、辊道化、煤气化向节能、环保等智能型 陶瓷窑炉方向发展，其标准特点是高效率、低消耗、低成本、低污染。湖北省 科技专项资金计划项目“高性能陶瓷窑炉装备关键技术开发及示范”中提出了 一种以高浓度氧包括纯氧作为助燃介质与燃气混合进行燃烧的新型富氧燃烧陶 瓷辊道窑，这种新型富氧燃烧陶瓷辊道窑可降低1 0 , - 2 0 的燃耗，提高1 0 2 0 的窑炉热效率，减少l o 0 0 的电力消耗【5 j ，在噪音和烟尘方面也有较大 程度的下降。 针对富氧燃烧陶瓷辊道窑的工艺结构及其性能要求，在保证工艺、关键装 武汉理工大学硕士学位论文 备( 如燃烧器) 的先进和完备情况下，如何保证富氧燃烧陶瓷辊道窑的正常、 高效地运行。显然，除了整条生产线的控制系统的先进性和智能化外【6 1 ，窑炉的 正常运行、安全状态的监测和使用寿命的预测也非常重要。 由于过去实时监测技术落后r 醐，基本只能靠工程技术人员巡视，用人眼进 行观测，然而人眼很难观测到微小的变化，同时还存在着人工巡视不能观测到 的地方，因此不能及时了解窑炉目前的健康状况，从而导致窑炉事故层出不穷 9 - 1 0 1 ，轻则加剧燃料燃气消耗，产品质量下降；重则窑体断裂，影响生产，给企 业带来巨大经济损失。因此在保证窑炉正常运行的同时对其进行实时健康监测， 让工程技术人员实时了解窑炉的健康情况，一旦发现有任何损伤，及时预警危 险，提醒工程技术人员迅速进行窑炉的维护和保养，排除故障，进而尽可能保 证生产运行的安全性，也能很好的提高窑炉的使用寿命。 富氧燃烧陶瓷辊道窑健康监测属于高性能陶瓷窑炉装备中的关键技术，窑 炉健康监测系统就是通过对窑炉进行无损检测，实时监测窑炉的整体工作状况， 对窑炉结构的损伤位置和程度进行诊断，对窑炉的健康情况、可靠性、耐久性 等性能进行评估并及时的触发报警信号，为窑炉的维修、养护等提供具体依据 和相关技术支持。 健康监测就是将多种学科如信号检测技术、数字信号处理与分析技术、系 统辨识、计算机技术和可靠度等交叉融合而形成的一个综合技术体系 1 1 - 1 2 l 。如何 将健康监测应用于富氧燃烧陶瓷辊道窑以此来监测窑炉的健康状况是高性能陶 瓷窑炉装备研究的重点和难点，也是本文研究的切入点。 1 2 相关技术国内外研究现状 健康监测的应用最早出现在一些大型桥梁结构中，它们主要为这些大型桥 梁结构在运营期间的安全性、可靠性、耐久性和正常使用等功能进行实时监测， 在出现问题时给予及时预警，以免给经济和生命财产带来巨大的损失。1 9 6 7 年 1 2 月俄亥俄河上的一起导致4 6 人丧生的桥梁倒塌事故促使美国于1 9 7 1 年制定了 国家桥梁检测标准( n b i s ) ，用于全面指导桥梁检测的各个环节【1 3 。1 4 】。2 0 世纪8 0 年代后，国外已有为数不少的大型桥梁结构建立了较为完备的健康监测系统。 国内从2 0 世纪9 0 年代起也在一些重要的大型桥梁上建立了不同规模的长期健康 监测系统，于1 9 9 7 年4 月竣工的香港青马大桥就建立了规模较大的桥梁健康监测 系统，其相关监测设施十分完善，具体包括了传感器系统、数据采集和传输系 2 武汉理工大学硕士学位论文 统、数据存储管理系统等。近年来，国内多所高等院校和科研院所也相继投入 到大型桥梁结构健康监测系统的研究行列，桥梁健康监测系统的相关理论得到 了高速发展，并取得了一定的应用成果【1 5 1 6 1 。未来大型桥梁结构健康监测系统 的发展方向更为广泛，包括传感器的优化布置、自动监测的智能控制、实时监 测信息的网络共享、损伤识别的自动诊断、承载能力和结构可靠度分析等多个 研究方向。 随着大型工程结构与健康监测技术的发展【1 7 】，健康监测技术也可大量应用 于工程结构之中，以此来保障工程结构的安全并提高其可靠性。陶瓷窑炉是工 业生产中的一种关键设备，目前国内陶瓷窑炉多达4 0 0 0 条，每年还将新增陶瓷 窑炉5 0 0 余条，陶瓷窑炉造价也从几十到上千万不等，窑炉生产过程中燃烧温度 高达上千度【1 8 9 1 ，如何最大限度提高窑炉使用周期创造最大经济效益以及提高 其生产安全性，已经是摆在企业面前的一大难题。 2 0 0 5 年湖北省黄冈市中陶窑业总公司汪寿平撰写文章“窑炉拟人化健 康长寿初探 2 0 l ，文中通过拟人化的方式对延长窑炉使用寿命进行了初步 探讨，文中“将窑炉比喻为人，有大脑，有躯干，有消化系统，有呼吸系统， 有神经系统，有心血管供血系统，有内脏，有外表，将这些因子代入到人的各 系统中，就成了：控制系统= 大脑，窑体骨架= 躯干，通风系统= 呼吸系统，热工 测量系统= 神经系统，燃烧及动力系统= 心血管供血系统，产品运转系统= 消化系 统等 。陶瓷窑炉是建材工业生产中的一种关键设备，影响陶瓷窑炉使用寿命的 主要因素包括耐火材料、砌筑质量、生产条件以及窑炉的正确使用和关键部位 的维护、保养等。这些因素是延长陶瓷窑炉使用寿命，提高其经济效益的根本。 延长陶瓷窑炉的使用寿命并保障其安全性，必须对陶瓷窑炉进行全方位监测， 对陶瓷窑炉结构进行维护与保养，对陶瓷窑炉在使用过程中出现的问题及时加 以解决。“窑炉拟人化7 健康长寿初探这篇文章为健康监测技术在陶瓷窑 炉中的应用奠定了一定基础。 在湖北省科技专项资金计划项目“高性能陶瓷窑炉装备关键技术开发及示 范 资助下，课题组首次提出了要结合富氧燃烧的工艺特点研究适用于富氧燃 烧陶瓷辊道窑的健康监测系统，本文主要是在课题组对富氧燃烧陶瓷辊道窑健 康监测系统研究基础上的总结。国外暂时还没有富氧燃烧陶瓷辊道窑的健康监 测技术的相关报道与研究。在研究富氧燃烧陶瓷辊道窑的健康监测系统之前， 首先对富氧燃烧的工艺特点与优点，富氧燃烧陶瓷辊道窑的结构以及与普通辊 武汉理工大学硕士学位论文 道窑相比富氧燃烧陶瓷辊道窑的优点进行简单了解。 1 2 1 富氧燃烧工艺的特点与优点 富氧燃烧是近代燃烧的最新节能技术之【2 l 】。传统燃烧乃将燃料与空气利 用燃烧器进行燃烧，如图1 1 ( a ) 所示，用比普通空气( 含氧2 0 9 5 ) 含氧浓度高 的富氧空气进行燃烧，称为富氧燃烧，若空气全部由氧气替代则为全氧燃烧， 如图1 1 ( b ) 所示。富氧燃烧的方式可节省大量能源、成本和环境效益。许多案例 显示，这项技术可减少所需的燃料高达5 0 。全氧燃烧可以削减氮氧化物( n o x ) 的排放量高达9 0 。 图1 1 ( a ) 传统燃烧示意图图1 - l ( b ) 富氧全氧燃烧示意图 国内从2 0 世纪8 0 年代起开始研究富氧燃烧技术，并迅速在国内引起了新一 轮的燃烧技术改革，富氧燃烧技术也成为了企业节能减排的有效途径 2 2 。2 3 】。与 普通空气燃烧相比，富氧燃烧具有以下4 方面优点。 ( 1 ) 提高火焰温度和黑度 根据热学传递及气体辐射特点，可知双原子气体氮气( n 2 ) 几乎无热辐射 能力，因此在常规空气为助燃气体的情况下，氮气含量比例( 约为7 8 ) 将严重 影响了烟气对炉内辐射换热面的传热。富氧助燃技术因为氮气含量减少，火焰 温度和黑度将随助燃空气中氧气含量比例的增加而提高，从而提高了火焰辐射 强度。 ( 2 ) 加快燃烧速度，促进燃烧完全 与在普通空气中燃料燃烧相比，燃料在纯氧中的燃烧速度将大大提高，如 氢气在纯氧中的燃烧速度是在空气中的4 2 倍，天然气在纯氧中的燃烧速度则是 在空气中的l o 7 倍左右。采用富氧空气助燃后，提高了燃烧强度，加快其燃烧速 4 武汉理工大学硕士学位论文 度，获得较好的热传导，提高了燃烧温度将有利于燃料的完全燃烧。 ( 3 ) 降低燃料的燃点温度和燃尽时间 燃料的燃点温度不是一个常数，其随着燃烧条件的改变而变化，在空气中 c o 的燃点为6 0 9 ，在纯氧中仅为3 8 8 。因此，采用富氧助燃能提高火焰强度， 增加热量释放，降低燃料的燃点温度和燃尽时间。 ( 4 ) 降低空气过剩系数，减少燃烧后的烟气量 氮气占普通空气含量的8 0 左右，在燃烧过程中不参与燃烧反应且将被同时 加热，在烟气排放中将带走大量的热量。使用富氧代替空气助燃后，可降低空 气过剩系数，减少燃烧后的烟气量。 国家发改委2 0 0 4 年在关于组织实施“节能和新能源关键技术 国家重大 技术开发专项的通知中将富氧助燃技术列入其中。富氧燃烧技术因其突出的 优点被发达国家称之为“资源创造性技术”，针对国家节能减排政策的实施，国 内已经把节约能源提升到了基本国策的高度。国内“十一五 节能减排目标中 重点提出了“铜熔炼采用先进的富氧闪速及富氧熔池熔炼工艺，替代反射炉、 鼓风炉和电炉等传统工艺 ，“玻璃行业发展先进的浮法工艺，淘汰落后的垂直 引上和平拉工艺，推广窑炉全保温技术、富氧和全氧燃烧技术 的要求，努力 建设节约型社会，以缓解能源紧张、环境危机的矛盾，满足节能、环保及可持 续发展的需要。 1 2 2 富氧燃烧陶瓷辊道窑的结构 目前，随着科学技术的高速发展和全世界将面临的能源危机和环保问题， 富氧燃烧技术的应用前景非常广阔。富氧燃烧的工业应用主要在有色金属的冶 炼、玻璃熔窑、化铁炉、加热炉等领域，在陶瓷工业生产领域还处于初始实验 阶段。 2 0 0 7 年武汉理工大学由程金树，祝茂昌等人提出了一种“以高浓度氧包括 纯氧作为助燃介质的辊道窑 ，即富氧燃烧陶瓷辊道窑。以体积至少为2 1 以上 的氧气作为助燃介质与燃料一起进入燃烧器中燃烧。富氧燃烧陶瓷辊道窑窑体 基本结构包括预热段、烧成段、冷却段，其中冷却段包括急泠段和普通冷却段。 富氧燃烧陶瓷辊道的控制系统包括燃料和助燃输送系统、燃烧控制系统、排烟 系统和冷却控制系统等【2 4 2 5 】。富氧燃烧陶瓷辊道窑结构示意图如图1 2 所示。 5 武汉理工大学硕士学位论文 窑 体 预热段烧成段冷却段 图1 2 富氧燃烧陶瓷辊道窑结构示意图 下面分别介绍富氧燃烧陶瓷辊道窑的窑体各段组成部分： ( 1 ) 预热段 富氧燃烧陶瓷辊道窑的预热段具体结构如图1 3 所示。其温度范围：常温 2 0 5 0 0 。预热带最高工作温度：6 0 0 ；长期使用工作温度： 5 0 0 。 故处理孔 图1 3 预热带窑体结构示意图 ( 2 ) 烧成段 富氧燃烧陶瓷辊道窑的烧成段温度范围：1 0 5 0 - - , 1 2 2 0 1 0 5 0 c 。其窑体结构 与预热段类似，但窑顶、窑墙及部分窑底选用优质高温轻质莫来石砖砌筑，吊 钩材质选用不锈钢，烧成带各段最高工作温度为1 2 5 0 c 。 ( 3 ) 急冷段 富氧燃烧陶瓷辊道窑的急冷段温度范围：1 0 5 0 - - - 7 5 0 c 。窑体结构与预热带 6 武汉理工大学硕士学位论文 相同，急冷段最高工作温度为11 0 0 ，长期使用温度范围：6 0 0 - 9 0 0 。 ( 4 ) 普通冷却段 富氧燃烧陶瓷辊道窑的普通冷却段温度范围：5 0 0 1 0 0 。冷却带窑项采用 矿楂岩棉铺设，前段有耐火砖窑墙和窑底，后段仅有钢结构。冷却带前段最高 工作温度： 5 0 0 ；冷却带后段最高工作温度： 双直径f b g 法 1 9 9 6 年，j a m e s 等人发现具有不同包层直径的f b g 有一个很重要的差别： 它们的应变一波长漂移和温度一波长漂移系数不相同。通过把这两个具有不同 直径的f b g 熔接在一起，就可以得到两组针对温度和应变变化的不同波长漂移 量，由于两个f b g 的反射波长相差几纳米，所以可以通过w d m 技术来测量。 目前要解决的问题就是加强熔接点的熔接强度并降低熔接损耗。 ( 5 ) 其他方法 为了减少应变测量中温度的影响，在1 9 9 5 年，x u 等人发现用锥形光纤制作 的f b g 具有温度不敏感性。锥形设计使得光纤光栅承受拉力时产生线性啁啾， 啁啾就沿光栅形成梯度( 倾斜) 应变分布。利用锥形f b g 进行应变测量时通过 测量反射光的有效带宽的变化而不是反射光波长的变化。这种不需要温度补偿 的传感器具有很大的吸引力，但它有一个致命的缺点，就是这种传感器锥形区 机械强度很差，容易折断。此外，由于光纤的反射光强度的波动也会对应变测 量带来误差，因此如何通过分析和评估这种误差来进一步提高测量精度是目前 很多学者正在努力研究的内容。2 0 0 3 年，j z h a o 等人报道了一种将光纤布拉格 光栅传感器埋入碳光纤混合材料中的新技术，该技术可以增大测量范围并降低 传感器对外界温度的灵敏性。2 0 0 3 年，n o b u a k it a k a h a s h i 等人报道了一种基于 强度调制的光纤布拉格光栅传感器，该传感器通过一个反馈电路来控制激光光 源的波长来补偿由于温度引起的布拉格光栅灵敏度的变化，该传感器能在外界 温度变化在1 5 5 0 之间时使得布拉格光栅灵敏度变化小于l d b 。 3 2 富氧燃烧陶瓷辊道窑健康监测系统的温度检测方法 富氧燃烧陶瓷辊道窑在烧制陶瓷时，主要控制以下三个因素，即烧成温度， 窑内气氛和窑内压力。三者互相影响，而富氧燃烧陶瓷辊道窑的温度是保证陶 瓷制品质量的主要因素。经常遇到的测量温度有：窑温的测量( 烧成曲线的测 量) 、空气与烟气温度的测量、窑体表面温度的测量等。 3 2 1 富氧燃烧陶瓷辊道窑的传统温度检测方法 目前，富氧燃烧陶瓷辊道窑的温度检测方法主要包括以下几种：测温锥、 武汉理工大学硕士学位论文 测温环、测温砖、光学高温计、热电偶。 ( 1 ) 测温锥是根据使用的测温锥锥号来确定测量温，其能有效地用来指示 烧制产品在恒定的烧结温度下烧制的时间综合值即等效温度； ( 2 ) 测温环是一种高精密度的陶瓷温度指示器，记录了烧制过程中制品所 经历的热过程： ( 3 ) 测温砖是利用砖体在受热过程中的物理收缩变化原理进行测温； ( 4 ) 光学高温计是通过对照已知亮度与温度关系的标准灯丝亮度与测量物 的辐射亮度，从而得出测量物的温度； ( 5 ) 热电偶是由两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度 梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势，根据热电动势 与温度的函数关系，制成热电偶分度表，从而得出测量物的温度。 测温锥、测温环、测温砖都是对温度的点测量，且不能实现温度信号与电 信号的转化，光学高温计是非接触式测量高温的仪表，可用来测量8 0 0 以上的 温度，也是点测量不具备连续测温功能，热电偶则可以实现温度的连续式测量， 并与相关电子设备结合，实现窑炉生产的自动化控制，但由于热电偶在测温过 程中要穿过窑体结构破坏了窑体的整体性，测温过程中会接触测量物，对测量 物的温度分布将造成一定影响，在使用热电偶测温还应注意使用与热电偶材料 相配的补偿导线和冷端补偿器，如果没有进行冷端补偿将会产生较大的误差。 3 2 2 非接触式富氧燃烧陶瓷辊道窑温度检测方法 针对现有富氧燃烧陶瓷辊道窑温度检测方法的不足，本文提出一种基于光 纤布拉格光栅传感器的非接触式富氧燃烧陶瓷辊道窑温度检测方法( 简称“非 接触式富氧燃烧陶瓷辊道窑温度检测方法”) 。 非接触式富氧燃烧陶瓷辊道窑温度检测方法是运用光纤布拉格光栅组成光 纤传感网络表面黏贴于窑体之上，能实现对窑体的无损伤检测，将温度信号实 时转化为电信号，通过电子设备实现窑炉的自动化控制，并能连续测温。其动 态特性好，由于采用光纤布拉格光栅传感器，还具有光纤传感的抗电磁干扰、 可靠性高、成本低、体积小等优点，并克服了传统陶瓷窑炉温度检测方法的弊 端，具有一定的应用前景。 富氧燃烧陶瓷辊道窑温度检测的结构示意图如图3 1 所示，其光纤布拉格光 栅传感网络结构如图3 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 预热带烧成带冷却带 图3 1 富氧燃烧陶瓷辊道窑温度检测的结构示意图 光纤布拉格光栅传感就是利用光纤布拉格光栅的有效折射率和光栅周期对 温度的敏感特性，将富氧燃烧陶瓷辊道窑的温度变化情况转化为其光纤布拉格 光栅的波长移动，并通过检测光栅反射的中心波长移动来实现对富氧燃烧陶瓷 辊道窑的温度测量。 图3 2 光纤布拉格光栅传感网络结构图 当富氧燃烧陶瓷辊道窑窑体温度发生变化时，热光效应将引起纤芯折射率 变化，热膨胀和机械拉伸将影响光栅周期，从而引起光纤布拉格光栅温度传感 器中心波长的微小漂移，通过精确地检测光纤布拉格光栅反射信号光的中心波 长或波长漂移量，再通过实时处理分析即可获得待测温度的大小。这个实时处 理分析过程就是对光纤布拉格光栅的波长编码信号进行解调的过程，光纤布拉 格光栅传感解调系统包括光电探测和信号处理两部分，它是实现光纤光栅传感 技术应用的关键技术。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 3 光纤布拉格光栅温度传感器信息波长的编码 本文光纤布拉格光栅温度传感器将采用波长解调技术，对检测的信息进行 波长编码，中心波长处窄带反射，采用可调谐f a b r y - p e r o t 滤波器，其结构图如 图3 3 所示。 八一 八 、 光纤兕纤 s | | jl u u l l g 1g 2l 2 图3 - 3 可调谐f a b r y p e r o t 滤波器的结构图 可调谐滤波器的光谱与光栅匹配时，输出值最大，响应跟踪的波长变化与 传感器光栅的波长移位有关。可调谐f a b r y p e r o t 滤波器由两块相互平行的玻璃 ( 3 1 、g 2 ，两块透镜l i 、l 2 和压电体共同组成，平行玻璃( 3 1 、( 3 2 的内表面镀有 反射膜形成镜面，中间夹有空气层，( 3 1 、( 3 2 的间距( 腔长l ) 由压电陶瓷改变 调节，l 可随压电陶瓷的驱动电压变化来调节，不同的压电陶瓷驱动电压对应不 同的f a b r y p e r o t 滤波器射出窄带光的中心波长，g l 、g 2 在调节移动过程中将严 格的保持平行，这种结构的g 1 、g 2 就构成了f a b r y p e r o t 腔。当一束宽带光源 入射进f a b 巧p e r o t 腔后，将有一束窄带光出射出来，出射光谱的中心波长将与 f a b r y p e r o t 腔的腔长相对应，出射的窄带光谱宽将小于0 3 n m 。当腔长l 是入射 光半波长x 2 的整数倍时，即2 l - - n x ( n = 0 ，l ，2 ，) ，则出射光为中心波长与腔 长l 对应的窄带光。 可调谐f a b r y p e r o t 滤波器已广泛应用于光纤布拉格光栅的传感信号解调 中，其典型的带宽为0 3 r i m ，工作范围为几十个纳米主要由f a b r y p e r o t 滤波器 结构中的g l 、g 2 平面镜的距离决定。可调谐f a b r y p e r o t 滤波器波长解调系统 的原理图如图3 4 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 4 可调谐f a b r y p e r o t 滤波器波长解调系统的原理图 在工作过程中，通过对压电陶瓷施加锯齿波扫描电压精确移动平面镜g l 、 g 2 的间距，可改变f a b r y p e r o t 腔的腔长，从而实现滤波器的调谐，可调谐 f a b r y p e r o t 滤波器的扫描频率可达l k h z 。可调谐f a b r y p e r o t 滤波器有两种工作 形式：可检测单个光栅的的跟踪模式，可检测多个光栅的扫描模式，因此具有 很大的灵活性，本文温度检测方法主要为多个光栅的温度扫描模式。为了保证 光纤光栅的发射信号总能被可调谐f a b r y p e r o t 滤波器检测到，f a b r y p e r o t 滤波 器的自由光谱区应大于光纤光栅的工作谱区。来自传感光栅的信号经过可调谐 f a b r y p e r o t 滤波器滤波后经光电转换、放大滤波等调理电路，把光信号转变为 电信号，经采集卡后可送入计算机中进行处理并根据f a b r y p e r o t 腔的扫描电压 与其透射波长的对应关系，最终解调出被测温度的大小来。 3 2 4 非接触式富氧燃烧陶瓷辊道窑温度检测方法流程 非接触式富氧燃烧陶瓷辊道窑温度检测方法流程：在富氧燃烧陶瓷辊道窑 窑体外侧及其窑顶部位布设光纤，每根光纤中将串接多个布拉格光栅，以此构 成窑体光纤布拉格光栅温度传感网络，从而达到对富氧燃烧陶瓷辊道窑温度进 行分布式测量的要求。当富氧燃烧陶瓷辊道窑的温度发生变化时，光纤布拉格 光栅温度传感器的纤芯折射率发生变化，热膨胀效应将影响光栅周期，从而引 起光纤布拉格光栅温度传感器中心波长的漂移，通过检测光纤布拉格光栅反射 信号光的中心波长或波长漂移量，再通过可调谐f p 滤波器波长解调系统即光电 转换、放大滤波等调理电路，把光信号转化为电信号，经数据采集后送入计算 机进行信号处理，最终解调出被测富氧燃烧陶瓷辊道窑的温度信号。 武汉理工大学硕士学位论文 根据理论研究可知，这种非接触式富氧燃烧陶瓷辊道窑温度检测方法具有 以下3 个优点： ( 1 ) 非接触式富氧燃烧陶瓷辊道窑温度检测方法所使用的光纤布拉格光栅 温度传感器灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、可靠性高、成本低、体积 小特别适用于陶瓷生产这种环境因素复杂的场所。 ( 2 ) 非接触式富氧燃烧陶瓷辊道窑温度检测方法采用光纤布拉格光栅温度 传感器在窑体侧面及窑顶的外表面铺设方式，未造成窑体结构损伤，其动态性 能好，在温度差异较大的情况下，能正确反映富氧燃烧陶瓷辊道窑的窑内温度。 ( 3 ) 非接触式富氧燃烧陶瓷辊道窑温度检测方法可以实现富氧燃烧陶瓷辊 道窑的连续测温，实时反映其窑内和窑体的温度变化情况，为窑炉健康监测系 统的安全评定提供了连续的数据支持。 综上所述，这种非接触式富氧燃烧陶瓷辊道窑温度检测方法可以很好的完 成富氧燃烧陶瓷辊道窑健康监测系统的信号检测任务，并保证实时检测信号的 准确性。 3 3 本章小结 本章首先介绍了光纤布拉格光栅的传感原理与测量方法，接着针对富氧燃 烧陶瓷辊道窑的传统温度检测方法的不足，设计了一种基于光纤布拉格光栅温 度传感器的非接触式富氧燃烧陶瓷辊道窑温度检测方法。 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章富氧燃烧陶瓷辊道窑工作状况 的安全评定方法 本章主要研究以烧成品质量为最佳工况标准来判定富氧燃烧陶瓷辊道窑工 作状况的健康安全评定方法，具体包括研究对象的描述、健康工作的提出、约 束条件的确定、安全工况数学模型的建立以及健康工况的判定。 4 1 富氧燃烧陶瓷辊道窑健康监测研究对象的描述 由于富氧燃烧陶瓷辊道窑的具体实物还在研究中，根据富氧燃烧技术的工 艺特点得知，将普通陶瓷辊道窑进行适当的改造可以满足对富氧燃烧陶瓷辊道 窑实物的研究。因此，在研究富氧燃烧陶瓷辊道窑健康工作安全评定时，将研 究对象富氧燃烧陶瓷辊道窑选为与其结构相似的的意大利p o p p i 公司的t a l 5 型 辊道窑。该窑的主要技术数据见表4 1 所示( 工艺流程简图可见图1 1 所示) 。 表4 1t a l 5 型辊道窑的主要技术数据 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 富氧燃烧陶瓷辊道窑健康工作的提出 计算机控制技术的出现，使得工业过程复杂的自动控制得以实现。生产中 的窑炉可以说绝大多数都未达到最优工况。所谓最优工况是指目标函数( 单位 燃耗或其他指标) 达到极值时的工况。生产不允许频繁调试，窑炉往往只能调 试到某一比较满意的工况即止。而此时认定该窑炉处于生产的健康状态之下， 其工作的健康评定标准以最优控制法来评定。 最优控制是通过所谓监督控制计算机来进行的，监督控制计算机的主要任 务就是监督各个现场控制系统对生产过程进行全面监视。采集生产过程的各种 参数信息，按照最优控制数学模型，运算出各控制回路的最优给定值，并且在 线自动重新设定给定值，也可通过操作人员将计算结果进行综合分析，再确定 新的给定值，从而使生产过程处于最优工况。图4 1 所示为健康监测监控系统， 其中加入了高一级的管理计算机，构成了典型的三级计算机健康监测管理监控 系统。 管理计算机 l 监控计算机 j l 1r 1r i 输入通道下位机 下位机 i 信。 l jlj、 测。 l 控 。l 号量制 1r1r 生产过程 图4 1 三级计算机健康监测管理系统结构图 富氧燃烧陶瓷辊道窑最优控制是工程最优化技术中的一个分支， 的数学模型的一般形式为： f z = m i n f ( x 1 ) 或z = m a x f ( x i ) 【 s i g j ( x f ) o 办，( 而) = 0 最优控制 ( 4 1 ) ( 4 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中，为为自变量，f ( x 。) 为目标函数，s t 是s u b j e c tt o 的缩写，表示约束 条件，g ，( 而) ，办，( 而) 为约束函数，其中f 、 k 为任意正整数。当( t ) ，g j ( t ) ， 办，( 墨) 全是线性函数时，称为线性规划问题，否则称为非线性规划问题。 由上述最优控制数学模型的一般形式可见，最优控制数学模型是由目标函 数式与约束条件两部分组成。虽然也有无约束最优问题，但对于富氧燃烧陶瓷 辊道窑健康工作监测系统来说，属于有约束的最优问题。 在生产过程的最优化问题可分为静态与动态两类：静态最优化也称为稳态 最优化问题。它是稳态生产过程中，在一定范围内选取自变量，使目标函数达 到最优值，即确定工程问题的稳态最优操作工况或设计参数。动态最优化即非 稳态最优化，是选择表征过程动态性能的指标作为目标函数，在特定的约束条 件下，求解使目标函数为极值时所必须的控制变量随时间变化的轨迹。 本文研究的富氧燃烧陶瓷辊道窑健康工作监测评定数学模型为静态最优范 畴。富氧燃烧陶瓷辊道窑健康评定标准以烧成质量为约束条件，以单位燃耗为 目标函数，判断其健康工况。 4 3 富氧燃烧陶瓷辊道窑安全工况约束条件的确定 确定合格、准确的安全工况约束条件是实现富氧燃烧陶瓷辊道窑健康工作 安全评定必须要解决的一个复杂问题。陶瓷制品的烧成是复杂的物理化学变化 过程。从生坯入窑，加热至烧成温度，然后产品冷却出窑，整个烧成过程中， 制品的力学性质和热物理性质都在不断地变化。它与制品的化学矿物组成及工 艺参数等诸多因素有关。当制品的化学矿物组成定时，要保证制品的烧成质 量，以明确的数学关系式表示烧成工艺参数的健康约束条件，需要通过工艺试 验和测定才有可能确定。 ( 1 ) 胚体的化学矿物组成 经过化学分析得知生坯的质量组成如表4 2 所示。 表4 2 坯体的化学矿物组成 生坯的反应主要为k 2 0 _ a 1