【關(guān)鍵詞】非接觸式紅外比值測(cè)溫,熔體溫度,在線檢測(cè)

      【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(cè)溫方法，解決了銅冶煉熔體測(cè)溫中普遍存在的煙塵、雜光等干擾問(wèn)題，采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并配備自動(dòng)測(cè)溫控制開(kāi)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(cè)。

      銅熔煉過(guò)程中熔體溫度是一個(gè)重要參數(shù)，溫度過(guò)低，反應(yīng)無(wú)法正常進(jìn)行，溫度過(guò)高會(huì)浪費(fèi)能源，降低爐壽命，所以熔體溫度在線檢測(cè)成為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的關(guān)鍵。但是目前國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐吹煉絕大多數(shù)沒(méi)有溫度在線檢測(cè)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(cè)溫，由于熔體腐蝕性很強(qiáng)，在銅熔煉中難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間溫度檢測(cè)，而且轉(zhuǎn)爐過(guò)程中爐體會(huì)經(jīng)常轉(zhuǎn)動(dòng)，熔體處于強(qiáng)烈翻動(dòng)狀態(tài)，所以應(yīng)用接觸法測(cè)熔體溫度非常困難。非接觸法測(cè)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(jì)，是根據(jù)物體的輻射強(qiáng)度與溫度的函數(shù)關(guān)系來(lái)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(lái)修正測(cè)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(chǎng)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(duì)輻射能的影響很大，使所測(cè)溫度偏低，很難進(jìn)行修正。因而，在銅冶煉中要想簡(jiǎn)便而準(zhǔn)確地測(cè)定物體的溫度是比較困難的。為此，我們通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)與研究，開(kāi)發(fā)出運(yùn)用比值測(cè)溫法的熔體自動(dòng)測(cè)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(cè)溫方法，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)熔體溫度的在線測(cè)量、顯示和打印。
      所謂比值測(cè)溫原理，是根據(jù)普朗克—維恩定律利用兩個(gè)波段國(guó)輻射能的比值與溫度的函數(shù)關(guān)系來(lái)確定被測(cè)物體的溫度，從而克服了輻射系數(shù)對(duì)測(cè)溫的影響。也就是說(shuō)，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(gè)波段的設(shè)計(jì)要合理，帶寬要窄且彼此靠近 ，這就造成信號(hào)減小，信噪比減小，精度降低。為此我們采用單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將電信號(hào)放大后，進(jìn)行V／F轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程中對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行積分，以提高抗干擾能力。另外通過(guò)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(jì)上，由于銅熔煉過(guò)程屬自熱熔煉，所以對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行最大值采樣，減少煙塵干擾，進(jìn)一步提高了測(cè)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(guò)程中參與反應(yīng)，劇烈氧化時(shí)會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)的光譜，這些波長(zhǎng)多在可見(jiàn)光波的范圍，如將儀器的工作波段設(shè)計(jì)在可見(jiàn)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(jiàn)光波在煙塵大氣介質(zhì)中的透過(guò)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(jì)在近紅外波段，λ1和λ2在0．8～0．9μm間，避開(kāi)這些雜光所產(chǎn)生的干擾。
      1.2.3　銅冶煉現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境惡劣，為保護(hù)測(cè)溫裝置，現(xiàn)場(chǎng)采用了環(huán)形風(fēng)幕及隔熱罩裝置，減少被測(cè)物的熱輻射，并對(duì)傳感器進(jìn)行風(fēng)冷降溫。

 

 

      2 測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)　　
　　測(cè)溫裝置由風(fēng)幕及隔熱罩、溫度傳感器、信號(hào)處理器和測(cè)溫控制開(kāi)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(guò)過(guò)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(duì)傳感器進(jìn)行風(fēng)冷降溫。這部分是測(cè)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(zhǎng)時(shí)間的溫度在線檢測(cè)。
2.2 溫度傳感器
　　將被測(cè)物體的輻射能轉(zhuǎn)換成兩路電壓信號(hào)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(hào)處理器
　　傳感器將輸出的兩路電信號(hào)V1和V2分別放大到0～10 V后，經(jīng)過(guò)V／F轉(zhuǎn)換，變成0～100 kHz的脈沖信號(hào)，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(cè)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(jiàn)圖2—4。

                       
                       

 

 

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

 

      4 結(jié)論　　
      國(guó)內(nèi)銅熔煉企業(yè)溫度檢測(cè)手段落后，轉(zhuǎn)爐冶煉多數(shù)尚無(wú)檢測(cè)手段。經(jīng)檢索查詢(xún)，本裝置填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)銅熔煉熔體測(cè)溫裝置的空白，其技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品水平。
　　測(cè)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(yáng)極爐等。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè) ，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(zhǎng)近一倍，僅此一項(xiàng)指標(biāo)就可使每臺(tái)轉(zhuǎn)爐每年節(jié)約近百萬(wàn)元，推廣應(yīng)用將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

 

　

　?。蹍⒖嘉墨I(xiàn)］

 

      ［1］高魁明．論紅外輻射測(cè)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(jì)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］．