基于辐射测温原理的温度监测与调控系统

　　0　引言

　　采用感应加热在曲锥芯棒上连续推制成型的方法,不但可以推制出等壁厚弯管,而且可以推制出变壁厚弯管。它具有制件质量高、成本低及生产效率高等优点。该工艺的主要工艺参数有曲锥芯棒外形尺寸、管坯几何尺寸、推制速度与管坯感应加热温度的合理配置。特别是后者对管件质量、成品率及生产过程中的节能有着重要影响。在工艺过程中,通过调节感应加热电源功率,将管坯加热温度根据工艺要求控制在600~900℃。为了使推制速度与加热温度处于最优配合状态,要连续监测管坯温度。由于加热温度较高,且受生产现场制约,无法将传感器置于管坯处,所以在这一工艺过程中只能采用非接触测温方法。因此设计基于辐射测温原理的温度监测与调控系统,对于该工艺加热温度的合理控制是非常必要的。

　　1　辐射测温理论基础

　　任何物体在绝对温度零度以上时,都将产生热辐射,并且热辐射的光谱分布是连续的。普朗克(Planck)定律定量地表示了绝对黑体的光谱辐射温度和波长之间的函数关系。即

　　式中:Eλ,T为绝对黑体在温度T(单位:K)时,波长为λ处的单色辐射强度;c为光速;h为普朗克常数;k为波耳兹曼常数;T为绝对黑体的温度;λ为波长。

　　斯蒂芬—波耳兹曼(Stephen-Boltzman)定律表明了绝对黑体温度与其在整个光谱上辐射的总强度的关系,即

　　式中:σ为斯蒂芬—波耳兹曼常数;ET为温度T(单位:K)时绝对黑体的总辐射强度。实际物体的热辐射本领与理想的绝对黑体是有差距的,这时式(1)、(2)可修正为

　　式中,ελ为物体在波长为λ时的单色黑体系数,ελ≤1;ε为物体的黑体系数,ε≤1。

　　由式(3)、(4)可知,通过测量被测物体的单色辐射强度或总辐射强度就可间接获得物体的温度。这便是辐射测温的基本原理。

　　2　光电比色测温原理及系统构成

　　辐射测温的实际应用可分为亮度检测法和光电比色法。亮度检测法的原理是通过测量物体在一定波长范围内的辐射强度来检测温度。虽然该方法应用广泛,但其测量准确度易受周围环境影响。研究中,笔者选择了光电比色测温法。光电比色法是通过滤色片来检测出待测物体在两个特定波长上的辐射能量,再取它们的比值来反映出待测物体的温度。

　　图1为光电比色测温系统框图。其工作原理如下:待测管坯的辐射光经光学系统聚焦后,通过均匀旋转的调制盘上的孔投射到光探测器上(这里选用的光探测器是硅光电池;调制盘的结构如图1(b)所示,其半个圆周上放置透过波长为λ1的滤光片,另半个圆周上放置透过波长为λ2的滤光片)当调制盘转动时,投射到光电池上的光为交替出现的波长为λ1和λ2的脉冲光辐射,于是光电池输出电信号u1也为脉冲信号,信号的幅度分别与对应λ1、λ2波长的辐射分量的强度成正比,如图1(c)所示;u1经过交流放大滤掉环境辐射的影响(环境辐射干扰是直流量,被交流放大器阻断)。放大后的信号送至相敏检波器进行同步检波;同步信号u3由放置在调制盘两侧的一对光电开关及整形电路提供;相敏检波器输出的信号经滤波后输出幅度随λ1、λ2交替变化的直流信号(实质是宽脉冲信号);在u3的同步协调下单片机对u2进行同步采样,分别在不同采样时刻交替得到对应于λ1、λ2的辐射能为Eλ1,T和Eλ2,T的信号。