隱絲式光學高溫計的數字化改造

鄭 陳

（上海自動化儀表股份有限公司，上海 200072）

溫度是一個基本的物理量，它與其他許多物理參數有著密切的關系，因而在工業(yè)生產、科學研究和日常生活中，都離不開溫度的準確測量和精密控制。常用的測溫方法可分成接觸測溫和非接觸測溫。接觸測溫中，熱電偶和熱電阻溫度計應用最廣泛。該方法的優(yōu)點是設備和操作簡單，測得的是物體的真實溫度；缺點是需要接觸被測物體，可能會對被測物體的溫度有影響，不能用于過高溫的測量，并且長時間測量對測溫器件本身也有較大的損耗［1］。非接觸測溫以輻射測溫為主。該方法的優(yōu)點是不需要直接接觸被測物體，不會擾動和破壞被測物體的溫度場和熱平衡。

WGG2型隱絲式光學高溫計巧妙地利用了人體肉眼作為檢測機構的一部分，極大地簡化了測溫機制，使之成為一款經典的非接觸式測溫產品。然而，其磁電式電測顯示系統(tǒng)存在著一些問題，不但制約了該產品的進一步發(fā)展，而且逐步威脅到了其在測溫計市場中的生存。為了延長產品生命周期，使這種經典的測溫技術得以保存，對該產品的數字化改造顯得刻不容緩。

1 光學高溫計的原理、特點和應用場合

WGG2型隱絲式光學高溫計是一種使用亮度測溫法的非接觸式測溫儀器。亮度測溫法是輻射測溫中最經典的方法之一。該方法歷史悠久，20世紀40、50年代開始已經有相關應用。亮度測溫法的理論基礎是普朗克輻射定律［2］，

式中，I為輻射率，在單位時間內從單位面積和單位立體角內以單位頻率間隔或單位波長間隔輻射出的能量；v為光的頻率；T為黑體的溫度；h為普郎克常數；c為光速；k為玻爾茲曼常數；

通過式（1）可知，物體在某一確定波長下，其單色輻射亮度與溫度之間存在一定函數關系，通過測量物體單色輻射的亮度，來確定物體溫度的方法即亮度測溫法。

從式（1）也可以看出，單色輻射亮度隨溫度的變化而急劇變化，因此亮度測溫法的靈敏度很高。亮度溫度與真實溫度偏差小，發(fā)射率誤差的影響也小，加之亮度平衡和亮度比較的測量能達到很高的精度，因此亮度測溫法是目前輻射測溫技術中應用最廣泛、準確度高的方法，在目前和今后一段時間內，基于亮度法的測溫儀表在工業(yè)應用方面仍起著重要作用。

光學高溫計是基于維恩公式的亮度測溫法，根據物體光譜輻射亮度隨溫度升高而增加的原理，在選定的有效波長上進行亮度比較而進行測溫的。

圖1 光學高溫計原理示意圖

WGG2型光學高溫計的結構如圖1所示，主要由光學系統(tǒng)和電測系統(tǒng)組成。光學系統(tǒng)由物鏡和目鏡組成。物鏡的作用是使輻射源和被測物體成像在高溫計參比燈的燈絲平面上；目鏡的作用是使人眼能清晰地看到被測物體與參比燈燈絲的像。電測系統(tǒng)建立了高溫計參比燈燈絲的亮度與溫度分度值之間的函數關系，通過測量燈絲兩端的電壓或電流來確定被測物體的亮度溫度。使用時，用戶通過目鏡觀察被測物體和參比燈，同時調節(jié)滑線電阻，使燈絲的亮度與被測物體的亮度一致，稱使燈絲“隱滅”，此時顯示儀表即顯示被測物體的亮度溫度。

雖然WGG2型光學高溫計的測量結果具有一定主觀性，使亮度平衡的精度降低［3］，尚不支持對溫度的自動化測量、記錄和控制。但是，光學高溫計結構簡單，使用方便，適宜于便攜式現(xiàn)場測溫，尤其適用于體積小、溫度高的物體，如澆鑄、軋鋼、玻璃熔融、鍛打、熱處理等的溫度測量；而且，其在價格方面有絕對優(yōu)勢，可用于低精度場合下的溫度檢測，也可作為已有溫度檢測系統(tǒng)的補充，是冶金、化工和機械等工業(yè)生產過程中不可缺少的測溫儀表。

2 數字化改造前存在的問題

目前生產的傳統(tǒng)光學高溫計采用磁電式毫伏計測量電流信號，并使用指針式表頭作為數據顯示。隨著用戶使用頻率的提高，發(fā)現(xiàn)電測和顯示部分主要存在以下問題：

（1）指針式表頭精度低，最小分辨刻度為20℃，讀數時需要操作人員估計，而且指針會隨手部抖動而晃動，由此造成測量讀數不精確；

（2）關鍵器件表頭，即信號檢測和顯示部件，其零件較多，制作工藝復雜，對生產人員的技術要求較高，限制了產量；

（3）傳統(tǒng)的磁電式指針表頭在長時間使用后老化較嚴重［4］，經常發(fā)生因灰塵等雜質滲入儀表內部造成的卡針、數據漂移等情況，影響產品性能。

3 數字化中遇到的問題和解決方法

對傳統(tǒng)光學高溫計進行數字化改造，除了要提升原有產品的性能，解決磁電式電測系統(tǒng)中存在的問題外，也要注意因數字化而帶來的新問題，尤其要注意以下幾點：① 不能因為增加電子部件而使成本有過多增加；② 不得降低原電測系統(tǒng)的測量顯示精度；③ 儀表僅使用兩節(jié)1號電池供電，數字化后電測部分增加的功耗越小越好；④ 對用戶已經使用習慣的模具外形不得做過多改動；⑤ 數字化后，儀表的生產調試環(huán)節(jié)應與原產品的生產線兼容，不宜增加新的復雜工藝和大型設備。

基于以上幾點考慮，數字化改造沿用原產品的機械結構和光學系統(tǒng)，使用數字測量顯示模塊替代原電磁指針式電測顯示系統(tǒng)。電測和顯示部分使用目前流行的32位嵌入式處理器、有機發(fā)光顯示技術和鐵電存儲技術。通過一款低功耗、低成本的ARM－CortexM3主控芯片控制A／D芯片對燈泡電壓進行采樣，然后根據內部存儲的燈泡的電壓－溫度特性曲線換算成溫度值，最后由顯示屏直接顯示被測物體的溫度值。重新設計的電測顯示系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。

圖2 光學高溫計電測部分結構框圖

ARM－CortexM3處理器是一款高性能、低成本的32位處理器，適用于具有高確定性的實時應用，目前已經廣泛應用于微控制器、汽車車體系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)以及無線網絡和傳感器等領域。該處理器提供出色的計算性能和對事件的卓越系統(tǒng)響應，同時可以應對低動態(tài)和靜態(tài)功率限制的挑戰(zhàn)。使用其作為儀表的主控芯片，除了滿足性能和成本的要求外，也為電測部分的低功耗打下了基礎。

A／D轉換芯片使用ADS1100，是一款高分辨率、高性價比的產品，大大提高了測量顯示精度，其最小分辨電壓可達0.1mV，相對于本產品中采樣電阻150～300mV的電壓范圍，精度高于0.1%，同時環(huán)境溫度每變化10℃其變化量小于0.008%，從而忽略電測系統(tǒng)對精度的損失。

有機發(fā)光顯示技術，即將有機發(fā)光二極管（Organic Light－Emitting Diode，OLED）應用于顯示的技術。與傳統(tǒng)的八段碼LED和LCD顯示技術相比，OLED具有自發(fā)光性、廣視角、高對比、低耗電等優(yōu)點，因此非常適用于使用電池的手持式設備。經測量，使用OLED顯示后，工作電流約增加了35mA，與參比燈正常工作時200～300mA的工作電流相比，屬于可接受范圍。

使用數字顯示代替指針指示后，儀表的分辨率由原來的20℃提高至1℃，精度大大提高，也徹底解決了指針表頭晃動、卡針、不便生產等一系列問題，但是在用戶試用中卻暴露出采樣值“跌落”問題。由于主檢測元件耗電量大，導致電池電壓緩慢降低，由于傳統(tǒng)的指針表頭分辨率低，用戶不易察覺；而改為數字顯示、提高測量顯示精度后，用戶讀數時會很明顯地發(fā)現(xiàn)顯示值呈約0.5℃／s的“跌落”狀態(tài)。為此，使用采樣鎖定技術解決這一問題。具體方法是，在每次采樣的前后都檢測一下主開關狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)開關為斷開狀態(tài)，則停止采樣，使顯示值鎖定為前一次采樣值，這樣用戶在使燈絲“隱滅”后即可放開主電源開關，顯示讀數會鎖定在“隱滅”瞬間，消除了“跌落”感。同進，也降低了儀表的功耗。一般使用時，測量用時5～10s，讀數用時3～5s，傳統(tǒng)的光學高溫計在讀數時必須接通燈泡電源；而使用采樣鎖定技術后，測量完成即可斷開燈泡電源，縮短了主要耗電器件的使用時間。經測算，通過上述設計可延長電池使用壽命約20%。

對標定校準環(huán)節(jié)的重新設計也是本次數字化的要點之一。由于傳統(tǒng)的指針式高溫計使用的刻度標牌為事先印制，種類有限，故對于產品工藝要求較高，如燈絲特性、吸收玻璃厚度、彈簧游絲的材料、永磁材料的安裝位置等，都關系到儀表的最終讀數，因此在選料、加工、組裝等環(huán)節(jié)都采取嚴格的篩選和把關措施。然而，即使嚴格控制了部件質量，仍然會有許多表的離散性較大，不能符合現(xiàn)有刻度標牌的特性曲線。究其原因，是這些專用部件大都沒有標準品可買，幾乎是手工制作，誤差難免。這時就要“加串”，即在電回路中增加一個手工繞制的串聯(lián)電阻，從而改變電測系統(tǒng)的參數，使之符合現(xiàn)有刻度標牌的特性曲線。但是這種方法也存在問題，增加電阻的阻值無確切的標準，需要根據每臺表的不同情況來調整，通常是先多繞幾圈，然后組裝校驗，發(fā)現(xiàn)讀數超差，再拆幾圈，然后重新組裝校驗，如此反復，有經驗的工人尚需2～3次，新上崗者幾乎無法獨立完成，嚴重制約了生產效率。

重新設計后的標定環(huán)節(jié)使用原有設備即可完成，并且充分利用數字式儀表的優(yōu)點，省去了繁瑣的電路特性調整工序。操作人員所要做的就是在標準溫度燈下使燈絲隱滅，然后點擊按鍵將數據儲存入芯片內部，儀表便可通過軟件算法擬合出該臺表的特性曲線，通過式（2）正確計算出當前溫度值）

式中，T為當前測量溫度；C為當前測量電壓值；T1為前一標定點溫度；C1為前一標定點電壓值；T2為后一標定點溫度；C2為后一標定點電壓值。

電路的參數使用多點線性擬合技術，都能令其顯示讀數與每臺表的特性曲線相匹配，這同時也降低了對光學器件中濾光片的工藝要求［5］，使生產工藝進一步簡化。數字化后，儀表的標定操作更加簡便，大大提高生產效率，并且對各類部件的精度要求也可降低，從另一方面保證了成本無太大變化，并且徹底解決了國家標準［6］中有關外界磁場和傾斜的影響問題，使儀表能在更復雜的電磁環(huán)境中得到應用。改造后的光學高溫計如圖3所示。

圖3 光學高溫計（正面）

4 結 語

使用亮度測溫法的WGG2型隱絲式光學高溫計是一款經典的非接觸式測溫產品，其巧妙地利用了人體肉眼作為檢測機構的一部分，極大地簡化了測溫機制。使用嵌入式技術對光學高溫計進行數字化改造后，儀表顯示清晰確切、讀數便捷，增加的數據存儲功能方便用戶記錄數據，延長了電池壽命，同時簡化了標定工藝，大大方便了生產調試，降低了生產成本。產品經用戶使用獲得好評，得到市場認可，在延長了產品生命周期的同時也使經典的測溫技術得以保留。

［1］孫超，孫利群.一種新型的雙波長光電高溫計［J］.光學技術，2006，32（supp）：13.

［2］馬國榮.光學高溫計［J］.中國教育技術裝備，2005（9）：20.

［3］張春濱，李淑巖.標準光學高溫計檢定結果的不確定度評定［J］.宇航計測技術，2003，23（2）：35.

［4］羅家偉.工業(yè)用光學高溫計使用注意事項及常見故障排除［J］.計量技術，2004（7）：57.

［5］王榮波，李澤仁.濾光片對瞬態(tài)光學高溫計通道線性的影響［J］.高壓物理學報，2009，23（2）：150.

［6］上海自動化儀表股份有限公司自動化儀表三廠.JB／T 2167－1999隱絲式光學高溫計［S］.北京：國家機械工業(yè)局，1999.