【關(guān)鍵詞】非接觸式紅外比值測溫,熔體溫度,在線檢測

      【論文摘要】本裝置采用非接觸式且具有高抗干擾性能的紅外比值測溫方法，解決了銅冶煉熔體測溫中普遍存在的煙塵、雜光等干擾問題，采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并配備自動測溫控制開關(guān)及傳感器的保護(hù)冷卻裝置，實(shí)現(xiàn)了銅熔煉熔體溫度的在線檢測。

      銅熔煉過程中熔體溫度是一個重要參數(shù)，溫度過低，反應(yīng)無法正常進(jìn)行，溫度過高會浪費(fèi)能源，降低爐壽命，所以熔體溫度在線檢測成為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的關(guān)鍵。但是目前國內(nèi)轉(zhuǎn)爐吹煉絕大多數(shù)沒有溫度在線檢測的手段，基本上處于憑經(jīng)驗(yàn)操作的落后狀況，這主要由于冶煉生產(chǎn)的環(huán)境惡劣(高溫輻射、高粉塵、腐蝕性氣體、雜光干擾)造成的，如果使用熱電偶接觸法測溫，由于熔體腐蝕性很強(qiáng)，在銅熔煉中難以實(shí)現(xiàn)長時間溫度檢測，而且轉(zhuǎn)爐過程中爐體會經(jīng)常轉(zhuǎn)動，熔體處于強(qiáng)烈翻動狀態(tài)，所以應(yīng)用接觸法測熔體溫度非常困難。非接觸法測溫具有充分的靈活性，現(xiàn)在應(yīng)用較多的儀表———輻射溫度計，是根據(jù)物體的輻射強(qiáng)度與溫度的函數(shù)關(guān)系來標(biāo)定溫度值。但由于輻射強(qiáng)度受輻射系數(shù)影響，必須要根據(jù)輻射系數(shù)來修正測量值才能接近真實(shí)溫度，這種修正不僅在技術(shù)上存在很多困難，現(xiàn)場也只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，修正中難免引入人為誤差。此外,由于在銅冶煉中煙塵、大氣、雜光等介質(zhì)對輻射能的影響很大，使所測溫度偏低，很難進(jìn)行修正。因而，在銅冶煉中要想簡便而準(zhǔn)確地測定物體的溫度是比較困難的。為此，我們通過大量實(shí)驗(yàn)與研究，開發(fā)出運(yùn)用比值測溫法的熔體自動測溫裝置。

      1 裝置原理及關(guān)鍵技術(shù)
      1.1 原理
      本裝置采用具有高抗干擾性能的紅外比值測溫方法，采用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)熔體溫度的在線測量、顯示和打印。
      所謂比值測溫原理，是根據(jù)普朗克—維恩定律利用兩個波段國輻射能的比值與溫度的函數(shù)關(guān)系來確定被測物體的溫度，從而克服了輻射系數(shù)對測溫的影響。也就是說，輻射系數(shù)雖然影響輻射能，但不影響輻射能的比值。這樣就解決了需要人為修正的缺點(diǎn) 。
1.2 關(guān)鍵技術(shù)
     1.2.1 利用比值法消除輻射系數(shù)的關(guān)鍵是兩個波段的設(shè)計要合理，帶寬要窄且彼此靠近 ，這就造成信號減小，信噪比減小，精度降低。為此我們采用單片機(jī)對信號進(jìn)行處理，將電信號放大后，進(jìn)行V／F轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中對輸入信號進(jìn)行積分，以提高抗干擾能力。另外通過光電隔離，有效抑制了各種噪聲干擾，大大提高了信噪比。

      在軟件設(shè)計上，由于銅熔煉過程屬自熱熔煉，所以對紅外信號進(jìn)行最大值采樣，減少煙塵干擾，進(jìn)一步提高了測量精度。
      1.2.2　銅礦是多種元素的共生礦，銅精礦中含有銅、硫、鐵、鈣、鎂、鋁等元素 。有些元素在熔煉過程中參與反應(yīng)，劇烈氧化時會發(fā)出特定波長的光譜，這些波長多在可見光波的范圍，如將儀器的工作波段設(shè)計在可見光波段，這些雜色光將不可避免地引入干擾。而紅外光波比可見光波在煙塵大氣介質(zhì)中的透過能力強(qiáng)，反射能力稍差，這有利于抑制雜散光的影響，且選用的接收器———硅光電池在近紅外區(qū)比較敏感。根據(jù)銅冶煉中的這些特點(diǎn)，我們將儀器的工作波段設(shè)計在近紅外波段，λ1和λ2在0．8～0．9μm間，避開這些雜光所產(chǎn)生的干擾。
      1.2.3　銅冶煉現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境惡劣，為保護(hù)測溫裝置，現(xiàn)場采用了環(huán)形風(fēng)幕及隔熱罩裝置，減少被測物的熱輻射，并對傳感器進(jìn)行風(fēng)冷降溫。

 

 

      2 測溫裝置結(jié)構(gòu)　　
　　測溫裝置由風(fēng)幕及隔熱罩、溫度傳感器、信號處理器和測溫控制開關(guān)組成，如圖2—1所示。

                        

      2.1 風(fēng)幕及隔熱罩
　　1 kg壓力左右的壓縮空氣經(jīng)過過濾，除去油、水后在傳感器透鏡前形成環(huán)形風(fēng)幕，以阻止煙塵、水氣及異物接近傳感器，保護(hù)傳感器透鏡，并對傳感器進(jìn)行風(fēng)冷降溫。這部分是測溫裝置的保護(hù)傘，以便裝置在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境下能夠進(jìn)行長時間的溫度在線檢測。
2.2 溫度傳感器
　　將被測物體的輻射能轉(zhuǎn)換成兩路電壓信號輸出，并備有觀察瞄準(zhǔn)器。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2—2所示。
                   
      2.3 信號處理器
　　傳感器將輸出的兩路電信號V1和V2分別放大到0～10 V后，經(jīng)過V／F轉(zhuǎn)換，變成0～100 kHz的脈沖信號，經(jīng)光電隔離后，輸入到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出溫度檢測結(jié)果進(jìn)行數(shù)字顯示和打印。硬件基本框圖如圖2—3所示，軟件基本框圖見圖2—4。

                       
                       

 

 

      2.4 測溫控制開關(guān)
　　當(dāng)轉(zhuǎn)爐處于冶煉狀態(tài)時，電子開關(guān)啟動測溫裝置測溫；當(dāng)轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動時，電子開關(guān)關(guān)閉測溫系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)測溫過程的自動控制。
3 裝置特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)　　
     ·抗干擾能力強(qiáng)
　　裝置采用比值測溫的原理，因而決定溫度高低的不是光信號的強(qiáng)弱而是光信號的比值。在一般煙塵情況下，即使兩路光信號由于煙氣而分別衰減較多，但其比值波動不大 ，因而測量值仍極接近真實(shí)溫度。
     ·測量精度高
　　可自動修正輻射系數(shù)對測溫的影響，避免了人為修正引入的測量誤差。
     ·測溫過程自動進(jìn)行
　　通過傳感器和電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)了測溫的自動控制。利用集成電路和單片機(jī)進(jìn)行信號處理，按最大值采樣提高了測量精度和信號處理的靈活性。
     ·儀器使用方便
　　使用過程中無需調(diào)整，只要將傳感器對準(zhǔn)被測物體即可，不必考慮輻射系數(shù)的大小 。
     ·測量范圍：1 000～1 600℃·測量精度：誤差＜±1%FS
     ·根據(jù)現(xiàn)場管理的需要，本裝置具有自動開機(jī)、關(guān)機(jī)和傳感器的保護(hù)、冷卻等功能 。
     ·測量結(jié)果用數(shù)字顯示，可連續(xù)打印或定時打印溫度值。

 

      4 結(jié)論　　
      國內(nèi)銅熔煉企業(yè)溫度檢測手段落后，轉(zhuǎn)爐冶煉多數(shù)尚無檢測手段。經(jīng)檢索查詢，本裝置填補(bǔ)了國內(nèi)銅熔煉熔體測溫裝置的空白，其技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平。
　　測溫裝置不僅可用于轉(zhuǎn)爐，還可用于液態(tài)鼓風(fēng)爐、反射爐、陽極爐等。據(jù)專家預(yù)測 ，將轉(zhuǎn)爐熔體溫度控制在1250℃左右，就可使每噸銅耐火材料消耗減少1／2，爐壽命延長近一倍，僅此一項(xiàng)指標(biāo)就可使每臺轉(zhuǎn)爐每年節(jié)約近百萬元，推廣應(yīng)用將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

 

　

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      ［1］高魁明．論紅外輻射測溫中的幾種干擾［M］．東北工業(yè)大學(xué)．
      ［2］何立良．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置與接口技術(shù)［M］．
      ［3］張友德．MCS—51實(shí)用子程序及其應(yīng)用［M］．