基于线阵CCD铸坯表面温度测量装置的设计

连铸二冷区铸坯的温度是控制铸坯质量的一个重要指标,但是由于该处温度高、水气大,温环境恶劣[1],远距离测量水气影响严重,近距离测量温度过高,对装置的热稳定性要求严格,所以若想获得相对廉价和测量较为可靠的装置难度比较大.本文设计了一套辐射测温装置,首先使用12位AD线阵CCD (TOSHIBA TCD1206,中心波长0·5μm )测量,在理论上保证测量的范围和精度,其次装有两层冷却装置保证传感器和测量电路维持在100℃以下的环境中工作,同时测量摄像头的周围环境温度,补偿由于温度变化带来的影响,进一步提高辐射温度测量的精度.

1　测量装置原理

　　任何高于绝对零度的物体都会向外辐射能量,其中黑体的辐射能力最强,其他物体根据发射率的不同辐射能力有所不同.由斯蒂芬-波尔兹曼定律可得

式中: E实际物体的辐射出度; T为被测介质的温度,ε为铸坯表面的发射率;σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数.辐射测温采用光学系统将辐射成像后,通过光电转换系统将光信号转换为电信号,从而测量出物体的辐射信息.假设(1)铸坯为各向同性物体; (2)测量距离不超过1,光路中受水气影响很小.镜头接收到的照度可以近似表示为[2]:

其中M为照度, d为镜头直径, l为测量距离.镜头接收到的能量经过光学系统,电路放大,再经过AD转换得到亮度值

其中L为测量的亮度值;k为代表光学系统和电路的增益,这里近似光学系统和电路的增益都是线性的.

所以近似得到测量值与被测量的表面温度之间的关系.

公式(4)建立了测量值同被测温度之间关系,为了除掉非线性因素的影响,采用在黑体炉上标定测量值同被测温度之间的关系曲线,保证测量的准确性.

2　线阵CCD辐射测温装置

　　目前,国内使用彩色面阵CCD配合8位的图像采集卡,测量火焰温度应用比较多[3, 4],二冷区附近的连铸铸坯温度在700~1200℃之间变化,但是普通彩色面阵CCD仅仅能够划分256个灰度等级,很难达到测量精度要求.如图2所示,使用Canon SP260彩色摄像头,测量黑体炉的辐射,温度从750℃变化到1200℃,对应红色灰度值从110变化到230,余下两个分量变化不大,使用红色分量可以近似得出一个灰度级对应3. 75℃的关系,在不考虑电路器件噪声等因素影响的情况下,根据这种方案建立的系统,自身的系统误差就在±3.75℃,很难达到实际应用水平.但是如果为了提高采样精度而使用10位的摄像头和采集系统,成本将增加数万元.

本文为了达到更精确测量的目的,使用了12位线阵CCD作为亮度采集的传感器,这种线阵CCD成本较低,分辨率高,增益也是通过适配电阻进行调节,一旦固定下来,温度同采样灰度值之间的对应关系也就唯一确定下来了.从图3可以看出即使在被测量温度较低的部分,也可以达到每6个灰度值对应1℃,完全可以满足测量的精度.当测量温度高于1150℃的时候,由于CCD自身达到饱和,所以出现被测温度同测量值之间没有按照指数形式上升的情况,逐渐趋于水平.