光導(dǎo)纖維紅外輻射溫度計的數(shù)字化改造

鄭 陳

上海自動化儀表有限公司 上海 200072

1 課題背景

溫度作為一個與工業(yè)、科研和日常生活有著密切關(guān)系的物理量，能被精確測量已成為一種迫切需求。在常用的測溫方法中，非接觸測溫較之接觸測溫，有著不需要直接接觸被測物體、不會擾動溫度場、不會破壞熱平衡等優(yōu)點[1]。

雖然紅外熱成像測溫技術(shù)目前在市場上較為火爆，但其一般被用于檢測大面積區(qū)域中各點溫度差異及其相對變化[2-3]，并且測溫上限不大于 1000℃。光導(dǎo)纖維具有一定的柔韌度，可在一定限度曲率半徑范圍內(nèi)彎曲，輻射能量可沿著彎曲的光導(dǎo)纖維傳送給測溫儀表，因此可以檢測無法直接觀察的目標(biāo)溫度，這是普通光路系統(tǒng)輻射溫度計所無法實現(xiàn)的。單點式光纖紅外輻射高溫計在冶金熔煉、鍛造、軋制、熱處理、硅酸鹽、耐火材料、碳素制品等工業(yè)和科研場合有著廣泛的應(yīng)用[4-5]。

WHF-65光導(dǎo)纖維是一款典型的紅外測溫產(chǎn)品，其光纜探頭外形小巧，適合在不同場合使用，尤其適用于高溫爐窯測溫，可以減小爐窯的熱輻射，減少能源損耗，不影響爐溫均勻分布的熱穩(wěn)定性。然而，在引入數(shù)字化技術(shù)前，由于傳統(tǒng)產(chǎn)品采用由多個運算放大器構(gòu)成的模擬電路來完成曲線擬合，在標(biāo)定調(diào)試環(huán)節(jié)存在工藝復(fù)雜、費時費工等比較嚴(yán)重的問題，因此制約了產(chǎn)品的進一步發(fā)展。為了延長該產(chǎn)品的生命周期，使測溫技術(shù)得以保存，對該產(chǎn)品提出了數(shù)字化改造的要求。

2 紅外輻射溫度計原理

輻射溫度計的理論基礎(chǔ)是普朗克定律[6]，即黑體輻射定律，描述了在任意溫度下，從一個黑體中發(fā)射的電磁輻射率與頻率的關(guān)系：

(1)

式中：I為輻射率；h為普朗克常數(shù)；c為光速；k為玻爾茲曼常數(shù)；v為光頻率；T為黑體溫度。

因此，可以通過在一定立體角內(nèi)，測量某波段輻射能量來判斷黑體當(dāng)前的溫度。雖然在現(xiàn)實世界中絕對黑體是不存在的，但是工程上一般可以通過對特定測量對象進行輻射率修正[7]，最終獲得測量對象的實際溫度。

基于以上原理，光纖紅外輻射溫度計將由光學(xué)探頭采集到的測溫目標(biāo)紅外輻射，經(jīng)光纖傳導(dǎo)入硅光電池；硅光電池受到紅外輻射后，會產(chǎn)生微小電信號，這個信號經(jīng)過調(diào)制電路處理，變?yōu)榭梢杂赡?shù)芯片轉(zhuǎn)換的電壓信號；模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，發(fā)送給主控芯片；主控芯片接收到數(shù)據(jù)后，進行一系列運算，實現(xiàn)當(dāng)前目標(biāo)溫度顯示、對外報警控制和變送輸出等主要功能。光纖紅外輻射溫度計基本參數(shù)見表1。

表1 光纖紅外輻射溫度計基本參數(shù)

3 硬件設(shè)計

光纖紅外輻射溫度計可以分為光路和電路兩大系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖紅外輻射溫度計結(jié)構(gòu)

光路系統(tǒng)包括探頭和硅光電池兩部分。探頭部分由防護鏡、物鏡、光闌和濾鏡等組成，作用是固定進入光纖輻射量的立體角、聚焦光線，并確保特定紅外波段的光線能進入。硅光電池也稱硅光電二極管，是非常重要的傳感器，起到將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的作用。但是由于易受環(huán)境溫度影響的特性，硅光電池輸出信號值很難被解析。為此，設(shè)計了電子保溫包，將整個硅光電池傳感器始終置于(50±1) ℃的環(huán)境中，保證其輸出穩(wěn)定。

信號調(diào)制電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是儀表的核心部件，除此之外需要對整個電路的電源波動及空間磁場等干擾因素額外設(shè)計電路，工程上一般將這兩部分電路布置在一起，統(tǒng)稱為采樣電路。圖2為采樣電路原理圖，P1為連接至硅光電池的插座；IC1與R1～R4形成的網(wǎng)絡(luò)將硅光電池產(chǎn)生的微小電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；U1為差動運算放大器，起阻抗匹配作用；R5、C1對信號進行濾波；U2及其反饋網(wǎng)絡(luò)對信號作放大處理，使信號滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的電壓接收范圍；模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片IC3使用了ADS1115型芯片，使輸入的模擬量電壓轉(zhuǎn)換為可被主控芯片讀取的數(shù)字量。

圖2 采樣電路原理圖

人機交互模塊主要由機械按鍵和液晶顯示模塊組成。為了簡化設(shè)計，顯示模塊使用了集成液晶顯示模塊，集液晶屏、液晶驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通信模塊于一體，編程簡單，可以通過計算機軟件完成菜單畫面繪制和參數(shù)配置，并通過安全數(shù)據(jù)存儲卡燒寫程序。主控芯片也可以通過串行口通信完成畫面切換、數(shù)據(jù)顯示等操作。

信號輸出模塊使用繼電器實現(xiàn)干觸點信號輸出，使用數(shù)模芯片實現(xiàn)4～20mA電流信號輸出。

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計分為兩個部分：主控芯片中的程序和顯示屏中的程序。

由于將液晶屏的畫面顯示等驅(qū)動程序獨立出來由顯示模塊完成，主控芯片中的程序相對簡單，主要完成采樣、計算、報警、變送輸出及按鍵處理等功能。為了減小單片機運算負(fù)擔(dān)，需使用中斷函數(shù)將運算量大、周期長的工作與運算量小、周期短的工作分開，以保證儀表在正常工作的同時，提高儀表的工作穩(wěn)定性。圖3、圖4分別為主函數(shù)和中斷函數(shù)流程圖。

圖3 主函數(shù)流程圖

圖4 中斷函數(shù)流程圖

顯示模塊的程序主要以畫面和菜單設(shè)計為主，在滿足信息完整度的同時，盡量使畫面簡潔，方便用戶操作。菜單主要由5大畫面組成。

(1) 實時值顯示畫面。顯示日期、時間、當(dāng)前溫度值、探頭類型、發(fā)射率。

(2) 極值顯示畫面。顯示日期、時間、最大值、最小值、近段時間內(nèi)平均值。

(3) 報警設(shè)定顯示畫面。顯示日期、時間、高限報警值、低限報警值、位式調(diào)節(jié)設(shè)定值。

(4) 參數(shù)設(shè)置畫面。顯示日期、時間、探頭類型、發(fā)射率、報警不靈敏區(qū)、控制不靈敏區(qū)，實現(xiàn)儲存數(shù)據(jù)清空、屏幕自動關(guān)閉等操作。

(5) 標(biāo)定畫面。顯示探頭類型、高低量程放大倍數(shù)，以及6個標(biāo)定點和當(dāng)前采樣值。

圖5顯示了5個頁面的切換關(guān)系。

5 技術(shù)難點及解決方案

硅光電池有質(zhì)量輕、可靠性高、使用壽命長、靈敏度高、響應(yīng)時間短等特性，其輸出電流信號受負(fù)載電阻影響較大，負(fù)載大則靈敏度高，負(fù)載小則線性度好[8]。由于測量范圍大，一般無法通過適當(dāng)選取負(fù)載電阻來平衡靈敏度和線性度，因此采用多個負(fù)載，通過用戶手動切換來實現(xiàn)不同量程的電阻匹配。為了提高產(chǎn)品性能，設(shè)計方案采用了自動切換方式。

實現(xiàn)信號切換功能的器件有互補金屬氧化物半導(dǎo)體電子模擬開關(guān)、小功率繼電器等。互補金屬氧化物半導(dǎo)體電子模擬開關(guān)作為一種功能強大、價格低廉的器件在電路中有廣泛使用，如圖2中IC2使用的CD4051型用于多路切換。但是，對于串接入電流回路的IC1，這類芯片導(dǎo)通電阻通常在幾百歐左右[9]，會引入額外測量誤差，因此不合適在本電路使用。相對而言，繼電器的導(dǎo)通電阻小，一般不大于 1Ω，但是作為含有機械部件的器件，其壽命有限，一般為10萬次左右，按每小時10次左右的切換頻率算，工作1年即接近理論壽命上限，因此在本應(yīng)用中繼電器也并不合適作為信號切換開關(guān)。通過研究，最終使用光電耦合器作為信號切換開關(guān)，其隔離電阻高，可達幾十兆歐，且導(dǎo)通電阻小，僅 0.3Ω，阻值受溫度影響小，在0～50℃范圍內(nèi)變化不超過0.2Ω，并且能實現(xiàn)輸入端與控制端電路的隔離，滿足應(yīng)用需求。

圖5 光纖紅外輻射溫度計菜單顯示畫面示意圖

另外，由于光纖的導(dǎo)光性能差異較大，同時電路板的元器件也有差異，因此要在整機組裝完成后對每臺儀表進行整體標(biāo)定。

傳統(tǒng)的標(biāo)定方法是通過黑體爐給予溫度計標(biāo)準(zhǔn)溫度點，記錄下每個點的電路輸出電壓，最后調(diào)節(jié)電位器使儀表的讀數(shù)能與溫度值匹配。由于溫度-電壓曲線的線性度較差，需要將整個量程分為多個線段擬合。在通常情況下，輸入的標(biāo)準(zhǔn)溫度點為整百攝氏度點，以600～1000℃量程為例，即為600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃。如果需要提高精度，則需要增加標(biāo)定溫度點，一般情況下，精度等級5%需要每200℃一個標(biāo)定點，精度等級2%需要每100℃一個標(biāo)定點，精度等級1%需要每50℃一個標(biāo)定點。這樣要達到最高精度等級，600～1000℃量程需要10個溫度標(biāo)定點，1500～3000℃量程需要20個溫度標(biāo)定點，而提供標(biāo)準(zhǔn)溫度的黑體爐每切換一個溫度平衡點至少需要0.5h，傳統(tǒng)方法可謂費時費力。

為了能解決這個制約生產(chǎn)的問題，在保證精度的情況下盡量簡化生產(chǎn)調(diào)試過程，筆者在一批產(chǎn)品中隨機抽取了6臺，對其信號調(diào)制板的輸出做了仔細(xì)記錄，數(shù)據(jù)見表2。

表2 溫度-電壓曲線原始數(shù)據(jù)

從6臺溫度計的溫度-電壓關(guān)系曲線(圖6)可以看出，6臺溫度計的線性度較差，同一溫度點下不同儀表的數(shù)據(jù)差異也很大。受到文獻[10]啟發(fā)，對這6組數(shù)據(jù)進行回歸分析，結(jié)果表明，雖然6條曲線從絕對值上看差異較大，但卻是線性相關(guān)的，即不同的曲線經(jīng)過簡單線性計算之后能基本重合。若記其中1臺溫度計各溫度點電壓值為X600、X650、X700、…X1 000，另1臺溫度計對應(yīng)溫度點電壓值為Y600、Y650、Y700、…Y1 000，則存在一組K、B值，使下列等式成立。

(1)

例如，以2號曲線作Y，4號曲線作X，則K=0.4535，B=78.8。從圖6中也能看出，運算后得到的2號曲線幾乎與4號曲線重合。

圖6 溫度-電壓關(guān)系曲線圖

計算結(jié)果表明，6條曲線基本都符合以上規(guī)律。在這個規(guī)律的基礎(chǔ)上，取6條曲線的平均數(shù)作為基準(zhǔn)曲線，選擇3個溫度點作為標(biāo)定點，記錄該溫度點的實際電壓值，再基于其與基準(zhǔn)曲線上對應(yīng)的溫度點一起計算出K、B值，然后基于K、B值對基準(zhǔn)曲線上的其它點進行計算，從而擬合出符合規(guī)律的溫度-電壓曲線，并寫入內(nèi)存，這樣正常工作時便可以憑借這條曲線直接從采樣電壓值查詢到當(dāng)前溫度值了。

隨機抽取5臺溫度計進行算法試驗，結(jié)果表明，使用以上算法后，雖然標(biāo)定點數(shù)減少到3點，但精度等級可以達到1%，顯著提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

6 結(jié)論

經(jīng)過數(shù)字化改造的光纖紅外輻射溫度計外觀如圖7所示。筆者通過合理的電路設(shè)計提升了產(chǎn)品性能，并運用獨特的擬合算法簡化了標(biāo)定工藝，大大方便了生產(chǎn)調(diào)試，延長了產(chǎn)品的生命周期。

圖7 光纖紅外輻射溫度計外觀

[1] 周慶福,楊永軍，呂國義.紅外輻射測溫儀及校準(zhǔn)方法探討[J].計測技術(shù),2008,28(S1)：33-35.

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[5] 嚴(yán)浩宇,閔峻英,黃明泰.高強度鋼板熱成形極限的模具設(shè)計及試驗研究[J].機械制造,2010,48(9)：62-64.

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[8] 白日午,王浦.硅光電池輻射測溫的誤差分析[J].焊管,2003,26(4)：21-24.

[9] 德州儀器.CD4051B：具有邏輯電平轉(zhuǎn)換功能的CMOS單路8通道模擬多路復(fù)用器/多路解復(fù)用器[E/OL].http：∥www.ti.com.cn/product/cn/CD4051B.

[10] 陳楊英杰,侯春哲，余蕾蕾，等.一種新型紅外測溫儀的研究與設(shè)計[J].科技致富向?qū)?2014(32)：172-173.