智能光學測溫系統(tǒng)研究與應用

王煒煜

摘要：智能測溫系統(tǒng)是一種代替熱電偶測溫技術的新型技術，可適用于700℃～1900℃環(huán)境下的各種工業(yè)爐內(nèi)的測溫控溫。該系統(tǒng)利用基本的光學反射測溫原理，利用光學傳感器測量物體表面輻射的能量來計算物體的表面溫度，具有精度高、穩(wěn)定性強，維護簡單，壽命長等特點，是一種替代熱電偶測溫的理想測溫技術。

關鍵詞：智能光學測溫系統(tǒng)；光學測溫傳感器；紅外測溫

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.09.090

1研發(fā)思路及技術方案的確定

傳統(tǒng)的高溫測溫產(chǎn)品有以下缺點：制造成本高，運行不可靠，易腐蝕，易受強電磁場影響等，針對這些問題，新研發(fā)的測溫產(chǎn)品需要滿足：成本低，壽命長，不易受環(huán)境影響，反應敏捷，精度高等特點。紅外線測溫方法比起接觸式測溫方法有反應敏捷、不需直接接觸、壽命長等優(yōu)點。利用紅外線測溫開發(fā)的智能光電測溫系統(tǒng)，利用硅光電二極管作為光敏元件，通過光學傳感器將爐內(nèi)測量物體的表面輻射能量轉換成電子信號，傳輸?shù)蕉螠y量儀表（智能測溫儀），智能測溫儀將信號處理后顯示爐內(nèi)溫度情況。另外，測溫儀還具設定上下限報警輸出，并經(jīng)過測算后輸出4～20mA標準電流以及RS-485標準通信接口信號，通過傳感器與測溫儀共同完成測量-顯示-控制的全部測溫過程。

2具體方案

2.1溫度測量原理

一切物體表面溫度高于絕對零度都會向周圍環(huán)境輻射能量，物體輻射的能量大小與其波長分布及表面溫度有直接關系。

由普朗克黑體輻射定律得知，黑體在單位面積、時間、立體角內(nèi)、波長間隔內(nèi)輻射的能量為：

由公式可以看出：黑體的輻射能量與其絕對溫度有關。除物體的輻射波長及溫度因素之外，物體的輻射量還與其材料構成、制造方式、環(huán)境條件等有關。根據(jù)該輻射定律得知：通過測算材料的發(fā)射率即可推算物體的溫度。

2.2光學測溫傳感器的設計

光學測溫傳感器的結構示意圖如圖1所示。

原理：感溫管受熱后致管腔端部發(fā)出輻射光，通過透視鏡聚焦至采光孔進入光敏元件。光敏元件轉換電壓信號傳入光學測溫儀，最終顯示物體溫度。該密閉空間避免了水汽、粉塵等因素的干擾，控溫精度可達±0.2℃，經(jīng)計算測溫誤差≤0.5%。

2.3智能光學測溫儀的設計

智能光學測溫儀與光學測溫傳感器配套使用，組成智能光學測溫系統(tǒng)，可適用于700℃～1900℃各種工業(yè)爐的在線測溫控溫，最終通過測溫傳感器分析輸出電壓并進行高精度校正，通過LED顯示實測溫度。測溫儀主要功能包括：實時顯示爐內(nèi)溫度功能，上下限報警并控制功能，變送輸出4～20mA標準電流信號功能，還可以與PLC設備連接，參與溫度過程控制。測溫儀具有RS-485標準通信接口，可實現(xiàn)遠程聯(lián)網(wǎng)，上位管理機可通過網(wǎng)絡讀取每臺儀表的測量溫度及報警狀態(tài)。

測溫儀的功能框圖如圖2所示。

3總體性能比較和技術創(chuàng)新點

智能測溫儀運行以來，工作穩(wěn)定性高，測量精度高，壽命較同類產(chǎn)品長、使用方便，其主要技術創(chuàng)新點主要有：

（1）智能測溫儀不受被測物體黑體系數(shù)的影響，測溫準確。

（2）突破了以往測量儀常用的測溫模式，采用軟件信息系統(tǒng)完成測溫計算，提高了測溫系統(tǒng)的準確性。

（3）該系統(tǒng)大大節(jié)約了原測溫系統(tǒng)的金屬材料的成本及制造費用。

4結論

智能光學測溫系統(tǒng)試用的情況表明：在封閉的爐內(nèi)條件下，用該系統(tǒng)測溫可以達到理想的效果，在測量物體表面溫度不均勻的情況下（如軋線上運動的鋼坯），采用間接的測量方式反應速度快，能顯示鋼坯各個位置的溫度。同時，為適應現(xiàn)場需求，具有溫度鎖定功能的光學測溫儀現(xiàn)已投入使用，可實時顯示一個測量周期內(nèi)從開始到結束時的所有溫度，并在測量結束后，顯示測量過程中的最高檢測溫度值至下一次測量開始。光學測溫系統(tǒng)在應用于混風管道測溫時高溫隔離鏡頭結露嚴重，影響了測溫準確度，為此增置了圓環(huán)形自動控溫加熱陶瓷安裝于高溫玻璃前，有效地解決了結露問題，保證了測溫準確度。

目前，該系統(tǒng)已推廣至有色金屬冶煉、粉末冶金材料制作、焦炭生產(chǎn)、耐火材料敷設、化工生產(chǎn)等工業(yè)領域的溫度測量和控制，為企業(yè)節(jié)約較大的運營成本，是一項有創(chuàng)新性的節(jié)能、降耗的新技術。

參考文獻

[1]孫肖子，劉剛，孫萬榮.傳感器及其應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，1996.

[2]趙負圖.現(xiàn)代傳感器集成電路[M].北京：人民郵電出版社，2000.