基于主从式双处理器的光纤比色测温仪硬件设计

　　在冶金、钢铁、建筑材料、化工等众多行业中,温度是确保顺利生产和进行质量控制的重要参数,温度测量直接关系到产品的质量,关系到生产过程中的成本。冶炼生产过程中降低中高温熔融金属温度测量的较高成本和提高测量精度是冶金行业技术进步的重要难题之一。熔融状态下,钢、铁温度在1 200℃以上,主要测量方法有接触式的金属热电偶温度计和非接触式的辐射温度计。内调制光电管[1]利用内调制机制,把高温物体辐射出的光信号直接转化为受调制的交流信号,方便了后级放大处理,简化了测试设备,克服了直流放大的缺点,为提高系统信噪比和可靠性奠定了基础。笔者对利用内调制探测器进行高温测量开展了多年的应用研究,并研制出了基于单片机的光纤比色温度仪[2]基本上能完成温度测量的功能。通过在武钢连铸、济钢转炉等生产现场的使用情况来看,仪器还可以进一步改进。由于单片机先天数据处理能力不足,如果要建立较为完善的处理模型,例如进行线性补偿及温度补偿[3,4]、透射率修正、发射率修正、发射系数修正、甚至进行四比色测温等,这时候面对大量的数据要进行复杂快速的处理,单片机已经不可能实现实时测温了。引入DSP对数据进行高效处理,成为强有力提升测温仪功能的手段。采用主从式双处理器结构能较好地解决当前问题,并且还具有进一步开发的潜力。

　　1　系统测温原理

　　比色测温是基于物体的热辐射随温度变化的原理来进行测温的。根据普朗克-维恩定律,利用两个波段辐射能的比值与温度的函数关系来确定被测物体的温度,克服了辐射系数对测温的影响。也就是说,辐射系数虽然影响辐射能,但不影响辐射能的比值。这是一种不改变被测物体温度场的一种非接触式测温,在移动、旋转和运动迅速的物体温度测量中应用广泛。任何黑体都会向外辐射能量,其辐射出度和波长有关,具体由普朗克定律和维恩定律描述。比色温度即色温是指如果实际物体和黑体在某一个光谱区内的两个波长下的单色亮度之比相等,则黑体的温度为实际物体的颜色温度。根据比色测温原理,假设两路不同波长辐射转换后的光电流分别为I1和I2,T为待求温度,则

　　D1和D2分别为两路系统的系数;C1和C2分别为普朗克第一、第二辐射常数;当λ1和λ2两单色波长接近时,求出两路光强比值,即可以计算出被测物体的温度T。

　　2　系统的结构及设计

　　2.1　系统的信号处理总体流程

　　测温仪系统主要由内调制光电探测器、前置模拟处理部分和以单片机、DSP为核心的双处理器控制及处理部分构成。