真空炉双色比测温光路系统

陈戈华, 宋东东

(长春工业大学 电气与电子工程学院， 吉林 长春 130012)

0 引 言

在现代钢铁生产工艺中，真空热处理工艺已经被广泛应用到钢铁制造业中。在生产操作测量真空炉温度的方法中，普遍采用双光路单通道的红外双色比测温的方法，此方法能够非接触实时地测量出真空炉内的熔体温度。但是双光路存在同一束光到达光电池的时间不一致的误差，针对于此，文中提出了单通道单光路测温方法，并进行了现场实验，从数据可以得出此方法的可行性。

1 测温原理

双色比测温的方法是通过测量热辐射体在两个或者两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度。具有准确度高、响应快、可观察小目标(最小可以达到2 mm)。因为实际物体的单色黑度系数ελT和全辐射黑度系数εT的数值相差很大，但是对同一物体不同波长的单色黑度系数ελ1T和ελ2T来说，它的比值变化范围很小。所以用双色比温度计测得的温度称为比色温度TS，它与物体的真实温度T很接近，一般可以不进行校正[1-3]。

由维恩定理可知，当黑体温度变化时，辐射出射度的最大值将向波长增加或减小的方向移动，这会使在指定的两个波长λ1和λ2下的亮度发生变化，测量这个比值即可求得相应的温度值[4-7]。

(1)

对于温度为T的黑体，在波长为λ1和λ2时的光谱辐射亮度之比为R，根据维恩定理有:

(2)

取对数后有:

(3)

上式可以简化为:

lnR=A+BT-1

(4)

式中:

由上式可以看出，根据式(3)可以得到:

(5)

根据比色温度计的定义，可进一步求出物体的真实温度与比色温度的关系，即

(6)

式中:ελ1T,ελ2T----分别为物体在λ1和λ2时的单色黑度系数;

T----物体的真实温度;

TS----物体的比色温度。

2 改进光路与信号处理部分

传统的非接触式测温仪的结构如图1所示。

图1 双光路测温系统示意图

该结构能够保证测温终点命中率在2%以内，测温的准确性有提高的空间，由于采用的是双光路的办法，在发热体同一点发射出的红外波长传输到测量信号的光电池的时间上存在误差，不能够保证同一束红外同时照到光电池上，所以在结构本身存在测量的误差。对于这种现象，做出了光路部分的改进。

改进后的实验设备如图2所示。

图2 单光路测温系统示意图

整个系统的构成主要有两部分:光路部分与测量电路部分。光路部分的滤光片镶嵌在无刷电机的转盘上，进行高速旋转，达到单通道单光路的光路系统。系统采用单光路双色比的方法去测量真空炉体内熔化的液化钢铁的温度。

2.1 光路部分

通过在圆盘上钻一个圆孔，使得光路是单光路，在红外线感应的装置上，将光电池放在无刷电动机的转轴上，使圆盘带动光电池高速旋转，两个光电池存在断续的接收真空炉内红外，而使得信号可能存在间断性，进而导致信号的不稳定性以及处理结果的不准确性。由于转盘是高速旋转，加上圆盘的半径较小，光电池接收信号的反应能力以及接收信号的快速性使得信号完全可以近似为连续性，进而不会影响到测量信号的稳定以及准确性。

2.2 电路测量部分

利用光电池对红外的敏感特性，即光电池在强度不同的红外刺激下产生不同强度的电流，将产生的电流经过通用型CMOS轨到轨运放的EG8542芯片上，将电流信号的改变转换成电压的改变，由于这样的信号存在不同程度的谐波和电信号弱的特征,经过RC电路将其转换成合适的信号，再经过AD转换将模拟信号转换成数字信号，其中AD转换器的选择尤其重要，为了能够准确地测量微弱的信号量，需要选择分辨率高的AD转换芯片，经过筛选，最终选择AD7705这一款高分辨率的芯片。AD7705是应用于低频测量的2/3通道的模拟前端。该器件可以接收直接来自传感器的低电平的输入信号，然后产生串行的数字输出[8-12]。利用Σ-Δ 转换技术实现了16位无丢失代码性能。最后，将产生的数字信号送入MCU中进行维恩定理的计算，将处理后的数据发送到PC端以及便捷式手持仪器显示端。

2.3 测量环境

真空炉内部环境如图3所示。

在某一特定真空度的情况下，去测量真空炉内液化钢铁的温度，炉内的真空度、炉外距测温仪的距离、空气中的粉尘、测温仪电路的结构及测量的分辨率，这些都是影响测温仪测量真空炉内熔化钢铁的温度的因素[13-14]。受差分信号抑制干扰信号的影响，采用红外双色比的办法进行减少外界的干扰，进而达到准确测量在恶劣的测量环境下真空炉的温度。

图3 真空炉内部环境

3 实验分析

光路是影响测温仪测量温度准确性的重要影响因素，试验采用光路为变量，分别用单光路与双光路做实验，电机空载转速为5 730 r/min，双光路和单光路测温数据见表1。

表1 双光路和单光路测温数据 ℃

由表中数据得出，传统的非接触式测温仪不能实时反映出真空炉的真实温度。真实温度从1 200 ℃到1 800 ℃的跳变，实测的温度仅仅只增加了130.47 ℃，由于变化量过小，做拟合曲线的时候误差平方差为56，相对应的测量误差也会增大。经过光路部分改进后，单光路测温仪的数据追随性明显优于双光路，做拟合曲线的误差为0.002 3，得出单光路的测温仪可以减小测量真空炉的误差，提高测温仪的终点命中率。

经过数据拟合之后，现场测温如图4所示。

图4 现场测温图

拟合后单光路测温数据见表2。

表2 拟合后单光路测温数据 ℃

4 结 语

经过与传统测温仪的对比，可以得出经过改进的光路系统能够更加准确快速地显示实测的温度。文中提出的方法只是有效地改进了光路测量存在的误差以及在电路方面做了一些优化，同时，该技术在实用性方面有了重大的突破，加工产品的外形还有改进的空间，如果将改进过的技术同外观设计结合起来，将会使做出来的产品能够得到广泛的应用。

参考文献：

[1] 陈戈华，姚清华，张德江.AOD炉在线温度和元素含量的检测与分析技术[M].长春:吉林人民出版社，2012.

[2] 李慧然.氩氧精炼铁合金炉温在线检测的方法研究[D].长春:长春工业大学,2010.

[3] 卢少波.低温泵在超高真空炉中的应用实例[J].真空科学与技术学报,2017，37(2):141-145.

[4] Juan Jimenez, Javier Mochon, Jesus Sainz de Ayala. Blast furnace hot metal temperature prediction through neural networks-based models[J]. ISIJ International,2004,44(3):573-580.

[5] W B Spillman, Jr Multimode. Fiber-optical pressure sensor based on the photo elastic effect[J]. Opt.Lett.,2002,7(8):388-390.

[6] 蒙斌.浅谈真空炉在锡精炼工艺的应用[J].大众科技，2016(11)：38-39.

[7] 陈新艳.真空炉循环冷却水系统设计[J].工业技术,2016,10:54.

[8] Loesener, Neuer G. New far-infrared pyrometer for radiation temperature measurement on semitransparent[J]. Measurement: Journal of the International Measurement Confederation,1994，41:412-415.

[9] 刘杰，张西南.真空热处理炉缺陷的分析及措施[J].热处理技术与装备,2014,35(5):58-60.

[10] 王魁汉，黄明旭.真空炉专用热电偶及其选择[J].真空,2014,51(6):43-48.

[11] 贾一杰.A0D炉双比色法温度在线检测温度补偿的研究[D].长春:长春工业大学，2015.

[12] 史彩霞,吴燕萍,李冬刚,等.不锈钢冶炼工艺流程的分析与比较[J].钢铁技术,2014(1):15-18.

[13] Bin Zhao. Study on tiltable system of AOD furnace on the feed forward vector control basis[J]. Neural Computation,2010,52(7)：7-11.

[14] 解雯惠，付虹，曹开发.粒子群AOD炉防喷溅系统PID参数优化[J].长春工业大学学报,2017,38(1)：26-30.