紅外線法測(cè)量炒茶鍋鍋溫3

秦 坤

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶與食品科技學(xué)院，合肥 230036）

由于目前手工炒茶鍋的廣泛運(yùn)用和手工炒茶時(shí)茶葉對(duì)溫度的嚴(yán)格要求，因此在茶葉炒制時(shí)對(duì)炒茶鍋鍋體溫度的準(zhǔn)確測(cè)定，反映給工作人員一個(gè)準(zhǔn)確的溫度，對(duì)于高檔名茶的炒制來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。目前業(yè)界最先進(jìn)的手工炒茶鍋的測(cè)溫裝置是通過(guò)一個(gè)置于鍋體背面空氣中（與鍋體并不接觸）的測(cè)溫探頭，來(lái)達(dá)到測(cè)量溫度的目的。不難發(fā)現(xiàn)由此方法測(cè)出的溫度是鍋體背面附近氣體的溫度而不是鍋體的溫度，同時(shí)在給鍋體加熱和鍋體冷卻過(guò)程中，兩者之間的溫度差異也并無(wú)明顯規(guī)律可言，所以通過(guò)此測(cè)溫裝置測(cè)得溫度并不準(zhǔn)確?；谠诟邫n名茶炒制過(guò)程中對(duì)于溫度的嚴(yán)格要求，解決這個(gè)問(wèn)題并對(duì)該裝置進(jìn)行改進(jìn)勢(shì)在必行。本試驗(yàn)主要通過(guò)紅外線技術(shù)對(duì)該難點(diǎn)問(wèn)題提出改進(jìn)和解決的方案。

1 測(cè)量設(shè)備與方法

1.1 主要設(shè)備和材料

VICTOR303紅外線測(cè)溫槍、老式鐵制手工炒茶鍋、高溫水銀溫度計(jì)、6CGZ65/2電炒鍋組、接觸式點(diǎn)溫計(jì)、涂料刷、鐵砂、直尺、機(jī)械常用工具、圓規(guī)、遠(yuǎn)紅外輻射涂料等。

1.2 對(duì)被測(cè)區(qū)域涂點(diǎn)大小和測(cè)溫槍與涂點(diǎn)間距離的確定

運(yùn)用紅外線測(cè)溫槍測(cè)物體溫度時(shí)，測(cè)溫準(zhǔn)確性主要受以下兩方面因素的影響：

（1）紅外線測(cè)溫槍與被測(cè)目標(biāo)間的距離

測(cè)溫槍距離目標(biāo)越遠(yuǎn)，光點(diǎn)尺寸（測(cè)溫儀測(cè)量點(diǎn)的面積）就越大。此試驗(yàn)中，光點(diǎn)尺寸必須小于目標(biāo)范圍，并包含于其中。圖1所示為距離與光點(diǎn)尺寸的比率示意圖，或稱D：S。

圖1 紅外線測(cè)溫槍D-S參數(shù)關(guān)系示意圖

（2）被測(cè)物體的發(fā)射率

由于鍋體被測(cè)部位的發(fā)射率越高，所測(cè)量的溫度就越準(zhǔn)確，即其最理想的發(fā)射率為1。但鍋體的發(fā)射率大約在0.6～0.8，直接對(duì)其進(jìn)行測(cè)量將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，并且每臺(tái)鍋組的發(fā)射率不一致，達(dá)不到試驗(yàn)的目的，所以選擇在被測(cè)部位涂上遠(yuǎn)紅外輻射涂料來(lái)達(dá)到減小誤差的目的，本試驗(yàn)中使用涂料的發(fā)射率在0.92以上，可基本滿足試驗(yàn)要求。根據(jù)本試驗(yàn)中所使用的測(cè)溫槍D∶S=8：1、炒茶鍋的實(shí)際形狀及規(guī)格和炒茶過(guò)程中實(shí)際操作情況，選擇在被測(cè)區(qū)域涂一個(gè)直徑為5cm的圓，將測(cè)溫槍置于其正上方40cm處進(jìn)行溫度測(cè)量。

1.3 紅外線測(cè)溫方法與其他測(cè)溫裝置進(jìn)行對(duì)照

（1）用接觸式點(diǎn)溫計(jì)和高溫水銀溫度計(jì)對(duì)鍋體的同一部位進(jìn)行多次溫度測(cè)量，數(shù)據(jù)如表1所示：

從表1數(shù)據(jù)可知高溫水銀溫度計(jì)測(cè)出溫度高于接觸式點(diǎn)溫計(jì)測(cè)出溫度，平均高出約8℃，且波動(dòng)不大，則通過(guò)校正后的接觸式點(diǎn)溫計(jì)可作為紅外線測(cè)溫槍的對(duì)照測(cè)溫儀器。兩者溫度不相符的原因可能是：1、此點(diǎn)溫計(jì)已出廠十幾年，內(nèi)部的材料可能有所老化；2、用高溫水銀溫度計(jì)測(cè)量時(shí)，改變溫度后再待其讀數(shù)穩(wěn)定所需時(shí)間比較長(zhǎng)，此過(guò)程中鍋溫也在下降。

表1 接觸式點(diǎn)溫計(jì)和高溫水銀溫度計(jì)對(duì)鍋體的同一部位溫度多次測(cè)量情況

（2）紅外線測(cè)溫方法和接觸式點(diǎn)溫計(jì)測(cè)溫的對(duì)照以及人手感覺(jué)

①以炒茶鍋鍋心點(diǎn)為圓心，以5cm為直徑畫一個(gè)圓；②用鐵砂將畫圓區(qū)域磨光亮，然后將遠(yuǎn)紅外涂料均勻涂滿于圓；③待涂料干燥后，打開炒茶鍋溫控開關(guān)，給鍋體加熱；④待鍋體溫度大約上升到120℃時(shí)，停止加熱，分別用紅外線測(cè)溫儀、點(diǎn)接觸式溫度計(jì)測(cè)定目標(biāo)區(qū)域的溫度，并對(duì)應(yīng)的用手感覺(jué)其溫度，記錄數(shù)據(jù)；⑤改變紅外線測(cè)溫槍槍頭與被測(cè)部位之間的距離，從相距5cm開始測(cè)量，并依次增加距離，測(cè)定其對(duì)應(yīng)距離的溫度并記錄。

（3）試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

表2 紅外線法、點(diǎn)接觸式法測(cè)定結(jié)果及人手感覺(jué)情況

表3 改變紅外線測(cè)溫槍槍頭與被測(cè)部位的距離所測(cè)溫度情況

2 結(jié)果與分析

2.1 測(cè)量數(shù)據(jù)分析與討論

根據(jù)表2可知，對(duì)同一特定目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，用紅外線測(cè)溫槍所測(cè)溫度高于點(diǎn)接觸式溫度計(jì)所測(cè)溫度，且平均高出9℃左右，與接觸式點(diǎn)溫計(jì)和高溫水銀溫度計(jì)對(duì)照得出結(jié)論基本相符；通過(guò)在人手敏感溫度段內(nèi)，用人手粗略感覺(jué)對(duì)應(yīng)時(shí)刻目標(biāo)區(qū)域溫度，可以發(fā)現(xiàn)：人手所感覺(jué)溫度與紅外線測(cè)溫儀所測(cè)得溫度更加接近；根據(jù)表3可知，通過(guò)改變紅外線測(cè)溫槍槍頭與被測(cè)部位之間的距離測(cè)量溫度，可以發(fā)現(xiàn)隨距離的增加，溫度下降，并且在30cm以內(nèi)溫度變化比較大。后來(lái)分析和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)中使用的紅外線測(cè)溫槍的工作環(huán)境溫度為-10℃～45℃，而在30cm以內(nèi)時(shí)，環(huán)境溫度明顯高于45℃，且越接近于鍋體溫度越高。在30cm以外測(cè)量時(shí)，溫度有小幅變化可能是由于在測(cè)量中鍋體溫度在逐漸下降。所以這一誤差是測(cè)量槍對(duì)環(huán)境溫度要求嚴(yán)格所致，為了減小誤差，采取了在40cm處測(cè)量的方案。綜上所述，可以確定紅外線測(cè)溫方法測(cè)溫的準(zhǔn)確性。

2.2 實(shí)際炒茶過(guò)程中鍋體內(nèi)符合要求的目標(biāo)測(cè)量區(qū)域以及特定作業(yè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的A、B區(qū)域溫度的確定

當(dāng)被測(cè)物體—鍋體的溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，鍋體各部位的溫度并不相同。并且隨鍋體溫度與環(huán)境溫度之間差距的增大，鍋體各部位之間的溫差也進(jìn)一步增大，即溫度分布不均勻。同時(shí)，實(shí)際測(cè)溫發(fā)現(xiàn)，在鍋體加熱和冷卻兩個(gè)過(guò)程中，對(duì)應(yīng)的鍋體各部分溫度變化明顯不同，且無(wú)明顯規(guī)律。因此，通過(guò)取兩個(gè)特定作業(yè)溫度點(diǎn)，1、茶葉殺青作業(yè)溫度點(diǎn)（約220℃），2、茶葉做形作業(yè)溫度點(diǎn)（約160℃），來(lái)解決此問(wèn)題。茶葉炒制中，鍋心區(qū)域A（如圖2所示）為炒茶的主要區(qū)域，鍋心溫度和茶葉炒制時(shí)茶葉所接受的溫度相一致，但由于鍋心區(qū)域在炒茶過(guò)程中常被茶葉所覆蓋，不利于測(cè)量并且容易在操作中被磨掉，所以我們?cè)谶m當(dāng)?shù)奈恢眠x擇一個(gè)參考區(qū)域以避免上述問(wèn)題，通過(guò)對(duì)參考區(qū)域溫度的測(cè)量來(lái)達(dá)到對(duì)鍋心區(qū)域溫度的測(cè)量。綜合各方面因素，考慮將此位置定在如圖2 所示B位置。通過(guò)分別測(cè)定特定溫度作業(yè)點(diǎn)時(shí)兩個(gè)區(qū)域之間的溫差，從而達(dá)到對(duì)特定溫度作業(yè)點(diǎn)時(shí)鍋心區(qū)域（即炒茶時(shí)茶葉主要直接接觸的鍋體區(qū)域）溫度的測(cè)量。

反復(fù)多次變換炒茶鍋的溫度，當(dāng)A區(qū)域溫度每次變到220℃（茶葉殺青作業(yè)溫度點(diǎn)）和160℃（茶葉做形作業(yè)溫度點(diǎn)）時(shí)，對(duì)B區(qū)域溫度進(jìn)行及時(shí)對(duì)應(yīng)的測(cè)量，反復(fù)多次測(cè)量，最終A、B兩區(qū)域溫度的測(cè)量結(jié)果如表4：

圖2 炒茶鍋中A、B區(qū)域位置實(shí)圖

圖3 炒茶鍋中A、B區(qū)域位置示意圖

表4 鍋體上A、B區(qū)域?qū)?yīng)溫度表

從表4可知：當(dāng)A區(qū)域溫度為220℃時(shí)，B區(qū)域溫度約為158℃；當(dāng)A區(qū)域溫度為160℃時(shí)，B區(qū)域溫度為135℃。所以由此可得出：在茶葉殺青時(shí)，用紅外線測(cè)溫槍測(cè)得B區(qū)域溫度為158℃時(shí)，此時(shí)A區(qū)域溫度大約已達(dá)到殺青溫度220℃，即可投葉進(jìn)行殺青；在茶葉做形時(shí)，用紅外線測(cè)溫槍測(cè)得B區(qū)域溫度為135℃時(shí)，此時(shí)A區(qū)域溫度大約已達(dá)到160℃，即可進(jìn)行做形作業(yè)。

當(dāng)然在用手工炒茶鍋炒制不同茶葉時(shí)，其工序有所不同，所以各自的特定作業(yè)溫度點(diǎn)也不一樣，但是這些特定作業(yè)溫度點(diǎn)都可以通過(guò)此方法對(duì)其各自的“B”區(qū)域溫度進(jìn)行確定，最終達(dá)到對(duì)“A”區(qū)域溫度的測(cè)量。

2.3 紅外線測(cè)溫槍的改進(jìn)

用紅外線測(cè)溫槍測(cè)量目標(biāo)部位的溫度時(shí)，其準(zhǔn)確性還受以下幾方面因素的影響：①紅外線測(cè)溫槍槍頭與目標(biāo)部位的距離應(yīng)適宜；②紅外線測(cè)溫槍所發(fā)出的紅外線應(yīng)打在涂有遠(yuǎn)紅外涂料圓的圓心；③紅外線測(cè)溫槍發(fā)出的光束應(yīng)該垂直于被測(cè)物體表面。鑒于以上影響因素，設(shè)計(jì)出如圖4所示改進(jìn)的測(cè)溫槍。

此測(cè)溫槍是在槍頭上安裝一個(gè)簡(jiǎn)易的頭罩。測(cè)溫槍的槍頭到末端鐵環(huán)的垂直距離40cm；測(cè)溫槍的頭罩末端為一個(gè)直徑稍大于5cm的鐵環(huán)，這樣既可使測(cè)溫槍所發(fā)出的光束打在涂有遠(yuǎn)紅外涂料圓的圓心，又可使測(cè)溫槍發(fā)出的光束垂直于被測(cè)物體表面。此測(cè)溫槍使用時(shí)，手握柄部，將另一端平穩(wěn)地貼于被測(cè)物體表面，使末端的鐵環(huán)與炒茶鍋的被測(cè)部位盡量吻合。

3 討論

圖4 改進(jìn)紅外線測(cè)溫槍

本試驗(yàn)研究一個(gè)實(shí)用、方便、準(zhǔn)確的測(cè)量炒茶鍋鍋溫的方法和測(cè)溫裝置。同時(shí)，將紅外線測(cè)定溫度的技術(shù)運(yùn)用到各種炒茶鍋鍋溫的測(cè)定上還有如下特點(diǎn)：（1）非接觸式測(cè)量：它不需要接觸到被測(cè)溫度場(chǎng)的內(nèi)部或表面，因此，不會(huì)干擾被測(cè)溫度場(chǎng)的狀態(tài)，測(cè)溫儀本身也不受溫度場(chǎng)的損傷；（2）測(cè)溫速度快：只要接收到被測(cè)物的紅外輻射即可在短時(shí)間內(nèi)定溫。這樣有利于及時(shí)對(duì)炒茶鍋溫的控制；（3）靈敏度高：只要物體溫度有微小變化，輻射能量就有較大改變，易于測(cè)出。這樣對(duì)于持續(xù)保持鍋溫有很大意義；（4）實(shí)用性高：一個(gè)規(guī)模化茶廠，有四、五十臺(tái)電炒鍋，僅一臺(tái)紅外線測(cè)溫儀就可以巡回測(cè)量所有電炒鍋，價(jià)格便宜，非常實(shí)用。

本試驗(yàn)中使用紅外線測(cè)溫槍測(cè)量鍋體溫度時(shí)是將紅外線測(cè)溫槍置于鍋體的上方，這樣仍會(huì)對(duì)炒茶實(shí)際操作造成些許不便，我們可將測(cè)溫槍置于鍋體背面，直接測(cè)量鍋心背面溫度，而不必再找代替區(qū)域。當(dāng)對(duì)鍋體溫度達(dá)到準(zhǔn)確、快速的測(cè)量后，我們可編寫電腦程序置于電炒鍋組內(nèi)，當(dāng)鍋體達(dá)到某溫度時(shí)停止加熱并投葉，經(jīng)歷某時(shí)間段后通過(guò)溫度測(cè)量再自動(dòng)加熱或者其他操作，當(dāng)這樣的技術(shù)成熟后，我們的手工炒茶鍋在溫度控制上就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。

致謝本試驗(yàn)是在李尚慶老師的悉心指導(dǎo)下進(jìn)行的，在此表示誠(chéng)摯的謝意。同時(shí)，本試驗(yàn)在操作過(guò)程中得到了安農(nóng)大茶廠和祁門茶科所等單位的大力支持和協(xié)助，在此表示誠(chéng)摯的謝意。