任宏宇,葉 林,范博龍,肖 汀
(華中科技大學,湖北武漢 430074)
溫度的測量分為接觸式測溫與非接觸式測溫。接觸式測溫的優(yōu)點為測得的溫度是物體的真實溫度,缺點是對被測物體的溫度場分布有影響[1]。非接觸式測溫具有測溫范圍寬、響應(yīng)速度快、不破壞被測對象溫度場等特點[2],非接觸式測溫在高溫測量中應(yīng)用最為廣泛,主要應(yīng)用行業(yè)為冶金、鑄造、熱處理等工業(yè)生產(chǎn)過程中,在電力、建筑、森林防火等行業(yè)中也得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。非接觸式測溫已經(jīng)成為事故預(yù)防、產(chǎn)品質(zhì)量控制和經(jīng)濟效益提高的重要手段。
常見的非接觸式測溫儀器從原理上分有亮度式測溫儀和比色式測溫儀[5]。亮度式測溫儀是測出物體在某一波長上的輻射能量,從而獲取被測物體的溫度。其優(yōu)點為抗干擾能力強,缺點為接受的輻射能量較小。比色式測溫儀是測出物體在2個特定的狹窄波長段上的輻射能比值,從而獲取被測物體的溫度[6]。其優(yōu)點是可以克服光路系統(tǒng)的某些干擾,適應(yīng)能力強,儀表示值接近真實溫度,但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,只能測量高溫物體。
本文研究的非接觸測溫系統(tǒng)是基于紅外雙波段比能量的方法,如果選用工作波段長度適合的傳感器,則能夠比亮度式測溫儀和比色式測溫儀測量更低的物體溫度。本非接觸測溫系統(tǒng)針對表面發(fā)射率穩(wěn)定的材料的中高溫(300~550 ℃)溫度的精確測量,適用于某些只能使用非接觸測溫的場合,如測量高速旋轉(zhuǎn)的渦輪盤溫度的情況。其優(yōu)點是無需已知被測物體的發(fā)射率,只需被測物體的表面發(fā)射率穩(wěn)定(如已經(jīng)被多次高溫加熱),使用前先用與被測物體材料和氧化程度相同的物體進行標定,即可進行多次溫度測量。
雙波段比能量測溫法是基于比色測溫理論的延伸。比色測溫法是通過測量2個相鄰狹窄波段內(nèi)輻射強度的比值來求取目標輻射源真實溫度的方法,可顯著減少由于發(fā)射率估計不準確帶來的溫度誤差[7]。但由于比色測溫法選取的是相鄰狹窄波段,其輻射能量較小,不易被傳感器測得[8],故應(yīng)用比色測溫法的測溫系統(tǒng)通常只用于測量高溫物體。
雙波段比能量測溫法是測量目標在2個波段上的輻射積分,通過其比值來確定目標溫度[9]。雙波段比能量法的優(yōu)點是即使被測物體表面溫度較低,傳感器仍然能夠獲得足夠高的輻射信號。
首先假設(shè)2個紅外傳感器工作波段分別為λ11~λ12和λ21~λ22。其接受熱輻射獲得電信號分別為V1和V2,根據(jù)輻射傳熱學的基本定律,V1和V2可分別表示為[10-11]:
(1)
(2)
式中S12和S22分別為2個傳感器的電學系數(shù)。
如果2個傳感器采用信號放大倍數(shù)為常數(shù),則其放大倍數(shù)的比值為常數(shù),即
(3)
定義一個比例因子K,其為以上2個傳感器接受輻射產(chǎn)生的電壓信號的比值,則表達式為
(4)
然后,假設(shè)被測物體在2個波段內(nèi)的平均發(fā)射率為常數(shù),且比值為b,則式(4)可繼續(xù)推演為式(5)。
(5)
此函數(shù)是T的單調(diào)函數(shù),每個K值對應(yīng)唯一的溫度值,這樣,只需在首次使用時,使用與被測目標相同材料的物體對測溫系統(tǒng)進行一次標定,便可以實現(xiàn)非接觸測溫。
根據(jù)紅外雙波段比能量法的需求,選用了工作波段為0.9~1.65 μm(以下簡稱短波傳感器)和5.5~14.5 μm(以下簡稱長波傳感器)的2種紅外輻射傳感器。
設(shè)K因子為短波傳感器測得能量E1與長波傳感器測得能量E2的比值。由于探測器中2個傳感器的位置近似相同,則根據(jù)普朗克定律可以推導(dǎo)出K因子的顯函數(shù),見式(6)[12-14]:
(6)
令
(7)
(8)
則
(9)
其中,
(10)
同理,W2的計算結(jié)果如下:
(11)
長波傳感器的探測波長為5.5~14.5 μm,短波傳感器的探測波長為0.9~1.65 μm,將數(shù)據(jù)帶入式(9)、式(10)和式(11)中,即可計算得到溫度與K因子的函數(shù)特性曲線(以下簡稱T-K曲線)。圖1為計算得到的本探測系統(tǒng)的無任何放大倍數(shù)的理論的T-K曲線。
圖1 本探測系統(tǒng)的理論T-K曲線
從圖1可以看到,理論T-K曲線是一條單調(diào)函數(shù)曲線。每個溫度點對應(yīng)唯一的K因子值,且溫度越高,K因子增量越大。
信號檢測及處理電子系統(tǒng)的技術(shù)方案如圖2所示(以下簡稱電子系統(tǒng))。探測器中的長波傳感器與短波傳感器分別是對不同波長的熱輻射敏感的傳感器,能將熱輻射信號轉(zhuǎn)換為模擬信號;溫度傳感器用來檢測傳感器的工作環(huán)境溫度,從而對傳感器產(chǎn)生的信號響應(yīng)進行溫度漂移補償。信號處理系統(tǒng)通過對上述傳感器產(chǎn)生的模擬信號進行放大、濾波和轉(zhuǎn)換,最終經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行分析、運算并打包,由通訊系統(tǒng)通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳輸給上位機。系統(tǒng)使用220 V交流電進行供電,并進行降壓、穩(wěn)壓和降低紋波等步驟,產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各直流電壓。
圖2 信號檢測及處理電子系統(tǒng)技術(shù)方案
長波傳感器是以熱電堆為核心的紅外輻射傳感器,經(jīng)過分析和研究,提出其信號檢測前置放大器電子電路技術(shù)方案如圖3所示。該傳感器根據(jù)熱輻射量的大小,可產(chǎn)生0~60 mV的電壓量,前置放大電路應(yīng)用儀表放大器,將信號放大至足夠幅度??紤]信號上會疊加工頻及其他高頻的噪聲,儀表放大器的輸出端接入1個二階的10 Hz巴特沃斯低通濾波器,以消除工頻和高頻噪聲。
圖3 長波傳感器信號檢測電子電路
短波傳感器可以等效為紅外光敏二極管,其接收熱輻射后可以產(chǎn)生一定幅度的電流信號。因此,短波傳感器前置放大器電子電路可按高性能電流放大器來考慮,然后進行電流和電壓轉(zhuǎn)化。
圖4為短波傳感器電子電路的設(shè)計。在電路最后輸出級,可獲得足夠幅度的電壓信號輸入至A/D轉(zhuǎn)換器并由電子系統(tǒng)的微計算機進行相關(guān)處理??紤]信號上會疊加工頻及其他高頻的噪聲,儀表放大器的輸出端接入1個二階的10 Hz巴特沃斯低通濾波器,以消除工頻和高頻噪聲。
圖4 短波傳感器信號檢測電子電路
非接觸測溫系統(tǒng)的探測器及線路板照片如圖5所示。探測器直徑為15 mm,長度為150 mm。每個探測器內(nèi)部均含有1個長波傳感器與1個短波傳感器。探測器使用風冷控制溫度,探測窗口使用硒化鋅玻璃片隔絕探測器與外部環(huán)境。
線路板由2部分組成,分別為信號調(diào)理線路板及數(shù)據(jù)處理線路板。信號調(diào)理線路板負責轉(zhuǎn)換8個探測器共16個熱輻射傳感器的信號。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負責對信號處理線路板傳來的數(shù)據(jù)進行濾波采集,并將數(shù)據(jù)打包后上傳到PC上位機端進行分析。數(shù)據(jù)處理線路板內(nèi)置電源系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。
(a)探測器實物圖
為驗證探測器的初步可行性,首先在發(fā)射率穩(wěn)定的面源黑體爐上進行試驗。
將非接觸測溫系統(tǒng)在面源黑體爐上進行標定,獲得不同溫度點的2個傳感器的輻射信號,并將2個傳感器測得的數(shù)據(jù)做比,測得數(shù)據(jù)見表1。
表1 非接觸測溫系統(tǒng)標定300~500 ℃的面源黑體爐的數(shù)據(jù)
由計算機軟件根據(jù)表格1中的數(shù)據(jù)繪制得到T-K曲線,如圖6所示。
圖6 黑體爐的T-K曲線
根據(jù)表1的數(shù)據(jù),擬合得到面源黑體爐在300~550 ℃的溫度區(qū)間內(nèi),溫度與K因子的關(guān)系式為
T=-0.715x4+9.89x3-51.367x2+142.06x+271.36
(12)
為驗證黑體爐T-K曲線的準確性,使用非接觸測溫系統(tǒng)測量隨機抽取黑體爐的幾個溫度點,并將測得的數(shù)據(jù)代入式(12)中,求得在該溫度點下的非接觸測溫的預(yù)測溫度及誤差,其數(shù)據(jù)見表2。
表2 黑體爐T-K曲線驗證試驗的測量及計算數(shù)據(jù)
由表2數(shù)據(jù)可知,黑體爐T-K曲線擬合程度較好,預(yù)測溫度與實際溫度誤差不超過5 ℃,測量精度符合預(yù)期要求,試驗結(jié)果可以驗證理論分析的正確性。
使用非接觸測溫系統(tǒng)對多種樣板進行試驗驗證,下面以黃銅樣板的實驗數(shù)據(jù)進行舉例說明。
首先將一塊黃銅樣板進行多次加熱氧化,使其表面發(fā)射率較為穩(wěn)定。樣板氧化前后照片如圖7所示。
(a)加熱氧化前
使用非接觸測溫系統(tǒng)對加熱氧化后的黃銅樣板進行標定,獲得不同溫度點的2個傳感器的輻射信號,并將2個傳感器測得的數(shù)據(jù)做比,標定結(jié)果見表3。
表3 非接觸測溫系統(tǒng)標定270~550 ℃的黃銅樣板的數(shù)據(jù)
根據(jù)標定的結(jié)果,繪制出樣板的T-K曲線如圖8所示。
圖8 黃銅樣板的T-K曲線
根據(jù)表3的數(shù)據(jù),擬合得到樣板在270~550 ℃的溫度區(qū)間內(nèi),溫度與K因子的關(guān)系式為
y=320.47x0.160 1
(13)
為驗證黃銅樣板T-K曲線的準確性,使用非接觸測溫系統(tǒng)測量隨機抽取的幾個溫度點,并將測得的數(shù)據(jù)代入式(13)中,求得在該溫度點下的非接觸測溫的預(yù)測溫度及誤差,其數(shù)據(jù)見表4。
表4 黃銅樣板T-K曲線驗證試驗的測量及計算數(shù)據(jù)
由表4數(shù)據(jù)可知,黃銅樣板的T-K曲線較好,測溫誤差不超過10 ℃,測量精度符合預(yù)期要求。
本文介紹了紅外雙波段比能量法在非接觸輻射測溫方向的應(yīng)用,并使用面源黑體和金屬樣板對非接觸測溫系統(tǒng)進行標定及測量。非接觸測溫系統(tǒng)選用工作波段為0.9~1.65 μm和5.5~14.5 μm的紅外輻射傳感器,反復(fù)進行了多次實驗,搭建的實驗系統(tǒng)均具有較好的穩(wěn)定性。對非接觸測溫系統(tǒng)的測溫精度進行了檢驗,溫度偏差在10 ℃以內(nèi),達到了預(yù)期目的。該實驗系統(tǒng)不需要輸入目標發(fā)射率,解決了發(fā)射率不確定對非接觸測溫的影響,對中高溫物體的溫度測量研究具有重要意義。本系統(tǒng)由于短波傳感器的波段相對較窄,在低于300 ℃的溫度區(qū)間內(nèi),短波傳感器信號較微弱,后續(xù)更換寬波段的傳感器則能夠使探測器測量更低的溫度。