真空爐雙色比測溫光路系統(tǒng)

陳戈華, 宋東東

(長春工業(yè)大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

在現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)工藝中，真空熱處理工藝已經(jīng)被廣泛應用到鋼鐵制造業(yè)中。在生產(chǎn)操作測量真空爐溫度的方法中，普遍采用雙光路單通道的紅外雙色比測溫的方法，此方法能夠非接觸實時地測量出真空爐內(nèi)的熔體溫度。但是雙光路存在同一束光到達光電池的時間不一致的誤差，針對于此，文中提出了單通道單光路測溫方法，并進行了現(xiàn)場實驗，從數(shù)據(jù)可以得出此方法的可行性。

1 測溫原理

雙色比測溫的方法是通過測量熱輻射體在兩個或者兩個以上波長的光譜輻射亮度之比來測量溫度。具有準確度高、響應快、可觀察小目標(最小可以達到2 mm)。因為實際物體的單色黑度系數(shù)ελT和全輻射黑度系數(shù)εT的數(shù)值相差很大，但是對同一物體不同波長的單色黑度系數(shù)ελ1T和ελ2T來說，它的比值變化范圍很小。所以用雙色比溫度計測得的溫度稱為比色溫度TS，它與物體的真實溫度T很接近，一般可以不進行校正[1-3]。

由維恩定理可知，當黑體溫度變化時，輻射出射度的最大值將向波長增加或減小的方向移動，這會使在指定的兩個波長λ1和λ2下的亮度發(fā)生變化，測量這個比值即可求得相應的溫度值[4-7]。

(1)

對于溫度為T的黑體，在波長為λ1和λ2時的光譜輻射亮度之比為R，根據(jù)維恩定理有:

(2)

取對數(shù)后有:

(3)

上式可以簡化為:

lnR=A+BT-1

(4)

式中:

由上式可以看出，根據(jù)式(3)可以得到:

(5)

根據(jù)比色溫度計的定義，可進一步求出物體的真實溫度與比色溫度的關系，即

(6)

式中:ελ1T,ελ2T----分別為物體在λ1和λ2時的單色黑度系數(shù);

T----物體的真實溫度;

TS----物體的比色溫度。

2 改進光路與信號處理部分

傳統(tǒng)的非接觸式測溫儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙光路測溫系統(tǒng)示意圖

該結(jié)構(gòu)能夠保證測溫終點命中率在2%以內(nèi)，測溫的準確性有提高的空間，由于采用的是雙光路的辦法，在發(fā)熱體同一點發(fā)射出的紅外波長傳輸?shù)綔y量信號的光電池的時間上存在誤差，不能夠保證同一束紅外同時照到光電池上，所以在結(jié)構(gòu)本身存在測量的誤差。對于這種現(xiàn)象，做出了光路部分的改進。

改進后的實驗設備如圖2所示。

圖2 單光路測溫系統(tǒng)示意圖

整個系統(tǒng)的構(gòu)成主要有兩部分:光路部分與測量電路部分。光路部分的濾光片鑲嵌在無刷電機的轉(zhuǎn)盤上，進行高速旋轉(zhuǎn)，達到單通道單光路的光路系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單光路雙色比的方法去測量真空爐體內(nèi)熔化的液化鋼鐵的溫度。

2.1 光路部分

通過在圓盤上鉆一個圓孔，使得光路是單光路，在紅外線感應的裝置上，將光電池放在無刷電動機的轉(zhuǎn)軸上，使圓盤帶動光電池高速旋轉(zhuǎn)，兩個光電池存在斷續(xù)的接收真空爐內(nèi)紅外，而使得信號可能存在間斷性，進而導致信號的不穩(wěn)定性以及處理結(jié)果的不準確性。由于轉(zhuǎn)盤是高速旋轉(zhuǎn)，加上圓盤的半徑較小，光電池接收信號的反應能力以及接收信號的快速性使得信號完全可以近似為連續(xù)性，進而不會影響到測量信號的穩(wěn)定以及準確性。

2.2 電路測量部分

利用光電池對紅外的敏感特性，即光電池在強度不同的紅外刺激下產(chǎn)生不同強度的電流，將產(chǎn)生的電流經(jīng)過通用型CMOS軌到軌運放的EG8542芯片上，將電流信號的改變轉(zhuǎn)換成電壓的改變，由于這樣的信號存在不同程度的諧波和電信號弱的特征,經(jīng)過RC電路將其轉(zhuǎn)換成合適的信號，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其中AD轉(zhuǎn)換器的選擇尤其重要，為了能夠準確地測量微弱的信號量，需要選擇分辨率高的AD轉(zhuǎn)換芯片，經(jīng)過篩選，最終選擇AD7705這一款高分辨率的芯片。AD7705是應用于低頻測量的2/3通道的模擬前端。該器件可以接收直接來自傳感器的低電平的輸入信號，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出[8-12]。利用Σ-Δ 轉(zhuǎn)換技術實現(xiàn)了16位無丟失代碼性能。最后，將產(chǎn)生的數(shù)字信號送入MCU中進行維恩定理的計算，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端以及便捷式手持儀器顯示端。

2.3 測量環(huán)境

真空爐內(nèi)部環(huán)境如圖3所示。

在某一特定真空度的情況下，去測量真空爐內(nèi)液化鋼鐵的溫度，爐內(nèi)的真空度、爐外距測溫儀的距離、空氣中的粉塵、測溫儀電路的結(jié)構(gòu)及測量的分辨率，這些都是影響測溫儀測量真空爐內(nèi)熔化鋼鐵的溫度的因素[13-14]。受差分信號抑制干擾信號的影響，采用紅外雙色比的辦法進行減少外界的干擾，進而達到準確測量在惡劣的測量環(huán)境下真空爐的溫度。

圖3 真空爐內(nèi)部環(huán)境

3 實驗分析

光路是影響測溫儀測量溫度準確性的重要影響因素，試驗采用光路為變量，分別用單光路與雙光路做實驗，電機空載轉(zhuǎn)速為5 730 r/min，雙光路和單光路測溫數(shù)據(jù)見表1。

表1 雙光路和單光路測溫數(shù)據(jù) ℃

由表中數(shù)據(jù)得出，傳統(tǒng)的非接觸式測溫儀不能實時反映出真空爐的真實溫度。真實溫度從1 200 ℃到1 800 ℃的跳變，實測的溫度僅僅只增加了130.47 ℃，由于變化量過小，做擬合曲線的時候誤差平方差為56，相對應的測量誤差也會增大。經(jīng)過光路部分改進后，單光路測溫儀的數(shù)據(jù)追隨性明顯優(yōu)于雙光路，做擬合曲線的誤差為0.002 3，得出單光路的測溫儀可以減小測量真空爐的誤差，提高測溫儀的終點命中率。

經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合之后，現(xiàn)場測溫如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場測溫圖

擬合后單光路測溫數(shù)據(jù)見表2。

表2 擬合后單光路測溫數(shù)據(jù) ℃

4 結(jié) 語

經(jīng)過與傳統(tǒng)測溫儀的對比，可以得出經(jīng)過改進的光路系統(tǒng)能夠更加準確快速地顯示實測的溫度。文中提出的方法只是有效地改進了光路測量存在的誤差以及在電路方面做了一些優(yōu)化，同時，該技術在實用性方面有了重大的突破，加工產(chǎn)品的外形還有改進的空間，如果將改進過的技術同外觀設計結(jié)合起來，將會使做出來的產(chǎn)品能夠得到廣泛的應用。

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