PET瓶多通道紅外測(cè)溫儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.引言

隨著飲料類型和數(shù)量不斷增加，PET瓶的使用量不斷增長(zhǎng)，特別 是近年來(lái)吹灌旋一體機(jī)的出現(xiàn)，使得PET瓶的生產(chǎn)取得了技術(shù)上的革命，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家在競(jìng)爭(zhēng)壓力增大的同時(shí)，也面臨著巨大的機(jī)遇。

目前，SIDEL、KRONES等國(guó)際性大公司在飲料包裝機(jī)械方面走在世界的前列，其吹灌旋聯(lián)合機(jī)系列產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)已相當(dāng)成熟。目前來(lái)在國(guó)內(nèi)說(shuō)，廣州的達(dá)意隆TECH-LONG采用當(dāng)今國(guó)際最先進(jìn)的制瓶技術(shù)自主開(kāi)發(fā)研制的PET小瓶形高速旋轉(zhuǎn)式吹灌旋一體機(jī)CPXX22。

目前PET瓶加熱控制系統(tǒng)中，采用PT100熱電阻溫度傳感器測(cè)量溫度，采集到的是加熱爐內(nèi)空氣的溫度，而空氣溫度值只能作為一個(gè)參考溫度值，加熱爐中空氣的溫度和瓶胚的溫度是存在差異的，使用空氣溫度進(jìn)行閉環(huán)控制，勢(shì)必影響到瓶胚加熱的精度，從而影響瓶胚的成型。

2.方案選擇

在吹灌旋一體機(jī)生產(chǎn)PET瓶的過(guò)程中，PET材料在加熱的過(guò)程中由于溫度的變化會(huì)出現(xiàn)幾種不同的狀態(tài)過(guò)程：玻璃化狀態(tài)、結(jié)晶狀態(tài)和熔化狀態(tài)[1-2]。因此瓶胚加熱溫度不能過(guò)低，過(guò)低PET材料不會(huì)軟化，纖維性不強(qiáng)，不能被加工；當(dāng)然溫度也不能過(guò)高，不能達(dá)到玻璃化溫度點(diǎn)，更加不能達(dá)到熔點(diǎn)。因此對(duì)瓶胚加熱溫度精確測(cè)量和控制是相當(dāng)重要的。

在實(shí)際的系統(tǒng)中，通常采用所謂的“四段爐體”和“九段加熱”工藝就是，結(jié)合PET材料的物理特性[3-4]，在加熱爐中采用紅外燈管發(fā)出的紅外線對(duì)瓶胚輻射加熱，因?yàn)槭芷颗哔|(zhì)量、壁厚、高度和瓶形的影響，使用9層紅外線燈管，合理分配每層燈管的加熱功率。關(guān)鍵的問(wèn)題是在瓶胚測(cè)量溫度必須是準(zhǔn)確的前提條件下，如何精確的控制燈管加熱的平均電壓。

針對(duì)PET瓶溫度測(cè)量存在的問(wèn)題，根據(jù)PET瓶胚加熱工藝以及PET材料相關(guān)特性，采用OPTEX(奧泰斯)SA-80T-4A型紅外溫度測(cè)溫儀作為主要測(cè)溫部件，九個(gè)測(cè)溫儀分別測(cè)量九段瓶身溫度；由于測(cè)溫儀輸出的是4～20mA的模擬信號(hào)，因此設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)多通道模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的控制電路。九段溫度測(cè)量?jī)x能精確測(cè)量到瓶胚的溫度，為爐溫控制提供了可靠的依據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖如圖1所示。

3.測(cè)溫儀選型

3.1 紅外測(cè)溫原理

在自然界中，當(dāng)物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，由于它內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的存在，就會(huì)不斷的向四周輻射電磁波，其中就包含了波段位于0.75μm～100μm的紅外線。紅外輻射的探測(cè)是將被測(cè)設(shè)備的輻射能轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的形式，如對(duì)被測(cè)設(shè)備的熱效應(yīng)進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換來(lái)測(cè)量設(shè)備紅外輻射的強(qiáng)弱，或利用紅外輻射的光電效應(yīng)產(chǎn)生的電信號(hào)的變化來(lái)測(cè)量紅外輻射的強(qiáng)弱，這樣就把紅外輻射的信號(hào)功率轉(zhuǎn)換成便于直接處理的電信號(hào)，進(jìn)一步放大處理后，以數(shù)字信號(hào)形式，得到設(shè)備表面的溫度值。在設(shè)備熱狀態(tài)信息的紅外探測(cè)過(guò)程中，代表設(shè)備熱狀態(tài)的紅外輻射功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能是由紅外探測(cè)器完成的[5-6]。

3.2 測(cè)溫儀的選型

紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理等部分組成。被測(cè)物體和反饋源的輻射線經(jīng)調(diào)制器調(diào)制后輸入到紅外檢測(cè)器。兩信號(hào)的差值經(jīng)反放大器放大并控制反饋源的溫度，使反饋源的光譜輻射亮度和物體的光譜輻射亮度一樣。測(cè)量出被測(cè)物體的亮度溫度。測(cè)溫傳感器采用薄膜熱電堆，Ge材料構(gòu)成折射聚光系統(tǒng)，在探測(cè)器的前端放干涉濾光片（上述兩個(gè)波段）。原理圖如圖2所示。在選擇測(cè)溫儀的時(shí)要考慮到以下幾個(gè)指標(biāo)。

3.2.1 測(cè)溫范圍

每種型號(hào)的測(cè)溫儀都有自己特定的測(cè)溫范圍，測(cè)溫范圍是測(cè)溫儀最重要的一個(gè)性能指標(biāo)。因此被測(cè)溫度范圍一定要考慮準(zhǔn)確、周全，既不要過(guò)窄，也不要過(guò)寬。根據(jù)黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過(guò)由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此，測(cè)溫時(shí)應(yīng)盡量選用短波較好。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)溫范圍越窄，監(jiān)控溫度的輸出信號(hào)分辨率越高，精度可靠性容易解決。測(cè)溫范圍過(guò)寬，會(huì)降低測(cè)溫精度。PET材料瓶胚最佳吹瓶溫度為90-110℃，可將測(cè)溫范圍設(shè)定為0～400℃。

3.2.2 波長(zhǎng)范圍

目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測(cè)溫儀的光譜相應(yīng)波長(zhǎng)對(duì)于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。紅外波段一般分為四部分，即近紅外0.75-3.0μm、中紅外3.0-6.0μm、遠(yuǎn)紅外6.0μm～15.0μm和極遠(yuǎn)紅外15.0μm～1000μm。1～3μm的近紅外波長(zhǎng)適合高溫源(如鋼鐵、冶金、鑄造、陶瓷燒結(jié)、高溫化學(xué)反應(yīng)、火箭尾氣等)的熱輻射，8.0-14.0μm的遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)適合低溫源(如人體、地物等)的熱輻射。其中8.0-14.0μm波段適合探測(cè)常溫到幾百度的輻射體。一般來(lái)說(shuō)，可以采用3.43±0.05μm或7.95±0.10μm兩個(gè)波段來(lái)測(cè)溫。

表1 SA-80T-4A部分參數(shù)

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 測(cè)溫儀原理圖

圖3 濾波緩沖電路

根據(jù)PET材料紅外吸收特性，瓶胚最佳吹瓶溫度，以及瓶胚壁的厚度，選用7.95±0.10μm波段構(gòu)成溫度測(cè)量系統(tǒng)。結(jié)合以上指標(biāo)選用OPTEX(奧泰斯)SA-80 T-4A型紅外溫度測(cè)溫儀，該測(cè)溫儀的數(shù)據(jù)參數(shù)見(jiàn)表1。

4.多通道模擬量輸入模塊設(shè)計(jì)

4.1 模塊設(shè)計(jì)方案

本模塊采用了32位的ARM7微處理器作為主控芯片，Samsung公司的16/32位RISC處理器S3C44B0X是目前業(yè)內(nèi)使用比較廣泛的一款芯片。此處理器提供了豐富的內(nèi)置部件，包括：8KBcache，內(nèi)部SRAM，LCD控制器，帶自動(dòng)握手的2通道UART，4通道DMA系統(tǒng)管理器(片選邏輯，F(xiàn)P/EDO/SDRAM控制器)，帶PWM功能的5通道定制器，I/0端口等[7]。而A/D轉(zhuǎn)換電路采用了MAX1270，該芯片為8通道12位的ADC，可將8通道的數(shù)據(jù)串行傳送給控制器；為了保證采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用LM258設(shè)計(jì)出放大濾波電路。同時(shí)為了與上位機(jī)的通信，采用MAX485芯片設(shè)計(jì)出了RS-485通信接口。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路及高速光耦隔離

圖5 RS-485通訊接口

圖6 九段溫度測(cè)量?jī)x

圖7 現(xiàn)場(chǎng)溫度采集結(jié)果

4.2 溫度測(cè)量值與實(shí)際溫度關(guān)系的建立

紅外測(cè)溫傳感器測(cè)得的是溫度電流信號(hào)（4～20mA），而A/D轉(zhuǎn)換芯片輸入值一般為電壓值，為了得到每段溫度測(cè)量的電壓值，在每段電流信號(hào)處并接510Ω基值電阻，由于傳感器測(cè)量的溫度范圍為0～400℃，對(duì)應(yīng)的電流值為4～20mA，假設(shè)采集到的溫度電壓值為D，對(duì)應(yīng)的溫度值為T(mén)，則有T=(D-2.05)*50，這樣就可以算到每段測(cè)量電壓值與溫度的線性關(guān)系。

4.3 濾波緩沖電路設(shè)計(jì)

在模擬信號(hào)的輸入端加鐵氧體磁珠，可以濾除高頻干擾，同時(shí)也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。在每個(gè)通道與地之間接有0.1uf電容以及6V8穩(wěn)壓管。

放大濾波電路如圖3所示，采用MCP6022組成的放大濾波電路，該芯片含有兩路運(yùn)算放大器，可同時(shí)對(duì)兩通道模擬量進(jìn)行處理，實(shí)際上構(gòu)成的一電壓跟隨器，起到對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器與模擬量輸入端的隔離、緩沖的作用。

4.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

MAX1270采用12位分辨率逐次逼近型算法，8通道輸入模擬電壓范圍為-10V～+10V，-5V～+5V；采樣速率為110kbps；內(nèi)部提供4.096V基準(zhǔn)電壓[8]，通過(guò)兩片芯片級(jí)聯(lián)的方式可以實(shí)現(xiàn)16通道模擬量的采集。A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖4所示，圖中為一通道的原理圖，通過(guò)編程模擬各通道數(shù)據(jù)采集SPI協(xié)議，用以實(shí)現(xiàn)SPI協(xié)議的MAX1270引腳都引至CPU的通用輸入輸出接口。MAX1270的參考電壓使用內(nèi)部4.096V基準(zhǔn)電壓，REF ADJ引腳通過(guò)0.01u f接至電源地。為了防止外部噪聲干擾CPU的正常工作，使用了6N137高速光耦進(jìn)行光電隔離。目的是提高系統(tǒng)抗干擾性能，實(shí)現(xiàn)信號(hào)兩端電氣隔離。再設(shè)計(jì)該電路是要注意光耦的去飽和問(wèn)題，根據(jù)6N137電氣手冊(cè)中關(guān)于輸出電壓與導(dǎo)通電流的關(guān)系曲線，在引腳A、K間選擇的電阻為1kΩ。

4.5 RS485通訊接口設(shè)計(jì)

通訊接口選用MAX485作為信號(hào)的轉(zhuǎn)換芯片。MAX485具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，抗干擾性能很好，采用差分輸出形式，差分輸出兩端最高能承受1KV的高壓。為了防止浪涌電壓對(duì)芯片的損壞，在兩根差分線間以及差分線與地之間都接有放電管BZ201進(jìn)行高壓保護(hù)；同時(shí)在各差分線與地之間使用穩(wěn)壓管TVS6V8進(jìn)行高低壓保護(hù)；并且在每根差分線上各串聯(lián)了一個(gè)10歐姆1W的電阻，這樣通訊波形的質(zhì)量有了很大的提升。為了防止信號(hào)輸入端和輸出端信號(hào)反射，在A，B兩差分線間各連接一個(gè)120歐姆匹配電阻，實(shí)現(xiàn)輸入與輸出端的阻抗匹配。電路如圖5所 示。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的485接口，可以很方便的通過(guò)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議將爐溫采集到上位機(jī)，用于爐溫監(jiān)測(cè)與控制。

5.試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)加熱爐和瓶胚的大小設(shè)計(jì)出九段溫度測(cè)量?jī)x，如圖5所示。其中，現(xiàn)場(chǎng)的采集的溫度數(shù)據(jù)和設(shè)定的溫度比較如圖6所示，圖中對(duì)某一通道在90℃、95℃、100℃三種不同設(shè)定溫度值下，所測(cè)實(shí)際工況溫度測(cè)量溫度與預(yù)設(shè)的溫度基本一致。能使反饋控制誤差在±2℃范圍內(nèi)。

6.結(jié)束語(yǔ)

在瓶胚加熱過(guò)程中，溫度采集是一個(gè)至關(guān)重要的部分，PET瓶胚的加熱溫度直接決定了瓶的成型，如果能準(zhǔn)確快速的采集到加熱爐的實(shí)時(shí)工況溫度值，對(duì)爐溫的控制來(lái)說(shuō)起到了決定性的作用。所以能否成功采集瓶胚的溫度是整個(gè)系統(tǒng)研發(fā)繼續(xù)進(jìn)行的重要前提。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，該測(cè)量?jī)x性能可靠，能準(zhǔn)確測(cè)量到瓶胚的溫度，并保證反饋控制誤差在±2℃范圍內(nèi)。本文所設(shè)計(jì)的控制模塊，只給出了模擬量采集等電路，溫度控制、電源部分以及一些I/O接口沒(méi)有提及。本文提出了一種對(duì)瓶胚溫度測(cè)量的新方法，只是對(duì)瓶胚加熱控制工藝的一個(gè)環(huán)節(jié)，在吹瓶的過(guò)程當(dāng)中還涉及到其他控制工藝，譬如需要良好的散熱系統(tǒng)，保證加熱爐內(nèi)良好的加熱環(huán)境，將多余的熱量通過(guò)風(fēng)機(jī)吹出到外部環(huán)境中，通過(guò)變頻器拖動(dòng)風(fēng)機(jī)，根據(jù)加熱爐內(nèi)溫度環(huán)境來(lái)調(diào)控風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。因此為了使瓶胚更好的成型，還需要外部的設(shè)備協(xié)同控制。這也是本方法進(jìn)一步應(yīng)用必須去解決的問(wèn)題。

[1]Sriram R.Tharmapuram.Processing Characteristics of Blends of Poly(ethylene terephthalate)(PET)and Poly(ethylene naphthalate)(PEN)[D].The University of Toledo,2000:56-75.

[2]Al-AbdulRazzak,Jabarin S.A.Processing characteristics of poly(ethylene terephthalate),hydrolytic and thermal degradation[J].Polymer International,2002,51(2):164-173.

[3]Hu,Yun,Zhang,Ying.Application of sample-sample two-dimensional correlation spectroscopy to determine the glass transition temperature of poly(ethylene terephthalate)thin films[J].Applied Spectroscopy 2007,61(1):60-67.

[4]Dwayne E.Heard.Analytical Techniques for Atmospheric Measurement[M].Oxford:Blackwell Publishing Ltd.2006:72-84.

[5]晏敏.紅外測(cè)溫原理及誤差分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004.31(5):111-112.

[6]張壽明.紅外測(cè)溫儀在煙化爐溫度測(cè)量中的應(yīng)用[J].控制工程,2003.10(4):382-384.

[7]ARM公司.ARM7TDMI-S(Rev4)技術(shù)參考手冊(cè)[Z].ARM公司,2000:5-20.

[8]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2006:524-545.