红外线法测量炒茶锅锅温3

秦 坤

（安徽农业大学茶与食品科技学院，合肥 230036）

由于目前手工炒茶锅的广泛运用和手工炒茶时茶叶对温度的严格要求，因此在茶叶炒制时对炒茶锅锅体温度的准确测定，反映给工作人员一个准确的温度，对于高档名茶的炒制来说是一个非常重要的问题。目前业界最先进的手工炒茶锅的测温装置是通过一个置于锅体背面空气中（与锅体并不接触）的测温探头，来达到测量温度的目的。不难发现由此方法测出的温度是锅体背面附近气体的温度而不是锅体的温度，同时在给锅体加热和锅体冷却过程中，两者之间的温度差异也并无明显规律可言，所以通过此测温装置测得温度并不准确。基于在高档名茶炒制过程中对于温度的严格要求，解决这个问题并对该装置进行改进势在必行。本试验主要通过红外线技术对该难点问题提出改进和解决的方案。

1 测量设备与方法

1.1 主要设备和材料

VICTOR303红外线测温枪、老式铁制手工炒茶锅、高温水银温度计、6CGZ65/2电炒锅组、接触式点温计、涂料刷、铁砂、直尺、机械常用工具、圆规、远红外辐射涂料等。

1.2 对被测区域涂点大小和测温枪与涂点间距离的确定

运用红外线测温枪测物体温度时，测温准确性主要受以下两方面因素的影响：

（1）红外线测温枪与被测目标间的距离

测温枪距离目标越远，光点尺寸（测温仪测量点的面积）就越大。此试验中，光点尺寸必须小于目标范围，并包含于其中。图1所示为距离与光点尺寸的比率示意图，或称D：S。

图1 红外线测温枪D-S参数关系示意图

（2）被测物体的发射率

由于锅体被测部位的发射率越高，所测量的温度就越准确，即其最理想的发射率为1。但锅体的发射率大约在0.6～0.8，直接对其进行测量将会产生很大的误差，并且每台锅组的发射率不一致，达不到试验的目的，所以选择在被测部位涂上远红外辐射涂料来达到减小误差的目的，本试验中使用涂料的发射率在0.92以上，可基本满足试验要求。根据本试验中所使用的测温枪D∶S=8：1、炒茶锅的实际形状及规格和炒茶过程中实际操作情况，选择在被测区域涂一个直径为5cm的圆，将测温枪置于其正上方40cm处进行温度测量。

1.3 红外线测温方法与其他测温装置进行对照

（1）用接触式点温计和高温水银温度计对锅体的同一部位进行多次温度测量，数据如表1所示：

从表1数据可知高温水银温度计测出温度高于接触式点温计测出温度，平均高出约8℃，且波动不大，则通过校正后的接触式点温计可作为红外线测温枪的对照测温仪器。两者温度不相符的原因可能是：1、此点温计已出厂十几年，内部的材料可能有所老化；2、用高温水银温度计测量时，改变温度后再待其读数稳定所需时间比较长，此过程中锅温也在下降。

表1 接触式点温计和高温水银温度计对锅体的同一部位温度多次测量情况

（2）红外线测温方法和接触式点温计测温的对照以及人手感觉

①以炒茶锅锅心点为圆心，以5cm为直径画一个圆；②用铁砂将画圆区域磨光亮，然后将远红外涂料均匀涂满于圆；③待涂料干燥后，打开炒茶锅温控开关，给锅体加热；④待锅体温度大约上升到120℃时，停止加热，分别用红外线测温仪、点接触式温度计测定目标区域的温度，并对应的用手感觉其温度，记录数据；⑤改变红外线测温枪枪头与被测部位之间的距离，从相距5cm开始测量，并依次增加距离，测定其对应距离的温度并记录。

（3）试验结果与数据处理

表2 红外线法、点接触式法测定结果及人手感觉情况

表3 改变红外线测温枪枪头与被测部位的距离所测温度情况

2 结果与分析

2.1 测量数据分析与讨论

根据表2可知，对同一特定目标区域进行温度测量时，用红外线测温枪所测温度高于点接触式温度计所测温度，且平均高出9℃左右，与接触式点温计和高温水银温度计对照得出结论基本相符；通过在人手敏感温度段内，用人手粗略感觉对应时刻目标区域温度，可以发现：人手所感觉温度与红外线测温仪所测得温度更加接近；根据表3可知，通过改变红外线测温枪枪头与被测部位之间的距离测量温度，可以发现随距离的增加，温度下降，并且在30cm以内温度变化比较大。后来分析和实验发现，试验中使用的红外线测温枪的工作环境温度为-10℃～45℃，而在30cm以内时，环境温度明显高于45℃，且越接近于锅体温度越高。在30cm以外测量时，温度有小幅变化可能是由于在测量中锅体温度在逐渐下降。所以这一误差是测量枪对环境温度要求严格所致，为了减小误差，采取了在40cm处测量的方案。综上所述，可以确定红外线测温方法测温的准确性。

2.2 实际炒茶过程中锅体内符合要求的目标测量区域以及特定作业温度点对应的A、B区域温度的确定

当被测物体—锅体的温度高于环境温度时，锅体各部位的温度并不相同。并且随锅体温度与环境温度之间差距的增大，锅体各部位之间的温差也进一步增大，即温度分布不均匀。同时，实际测温发现，在锅体加热和冷却两个过程中，对应的锅体各部分温度变化明显不同，且无明显规律。因此，通过取两个特定作业温度点，1、茶叶杀青作业温度点（约220℃），2、茶叶做形作业温度点（约160℃），来解决此问题。茶叶炒制中，锅心区域A（如图2所示）为炒茶的主要区域，锅心温度和茶叶炒制时茶叶所接受的温度相一致，但由于锅心区域在炒茶过程中常被茶叶所覆盖，不利于测量并且容易在操作中被磨掉，所以我们在适当的位置选择一个参考区域以避免上述问题，通过对参考区域温度的测量来达到对锅心区域温度的测量。综合各方面因素，考虑将此位置定在如图2 所示B位置。通过分别测定特定温度作业点时两个区域之间的温差，从而达到对特定温度作业点时锅心区域（即炒茶时茶叶主要直接接触的锅体区域）温度的测量。

反复多次变换炒茶锅的温度，当A区域温度每次变到220℃（茶叶杀青作业温度点）和160℃（茶叶做形作业温度点）时，对B区域温度进行及时对应的测量，反复多次测量，最终A、B两区域温度的测量结果如表4：

图2 炒茶锅中A、B区域位置实图

图3 炒茶锅中A、B区域位置示意图

表4 锅体上A、B区域对应温度表

从表4可知：当A区域温度为220℃时，B区域温度约为158℃；当A区域温度为160℃时，B区域温度为135℃。所以由此可得出：在茶叶杀青时，用红外线测温枪测得B区域温度为158℃时，此时A区域温度大约已达到杀青温度220℃，即可投叶进行杀青；在茶叶做形时，用红外线测温枪测得B区域温度为135℃时，此时A区域温度大约已达到160℃，即可进行做形作业。

当然在用手工炒茶锅炒制不同茶叶时，其工序有所不同，所以各自的特定作业温度点也不一样，但是这些特定作业温度点都可以通过此方法对其各自的“B”区域温度进行确定，最终达到对“A”区域温度的测量。

2.3 红外线测温枪的改进

用红外线测温枪测量目标部位的温度时，其准确性还受以下几方面因素的影响：①红外线测温枪枪头与目标部位的距离应适宜；②红外线测温枪所发出的红外线应打在涂有远红外涂料圆的圆心；③红外线测温枪发出的光束应该垂直于被测物体表面。鉴于以上影响因素，设计出如图4所示改进的测温枪。

此测温枪是在枪头上安装一个简易的头罩。测温枪的枪头到末端铁环的垂直距离40cm；测温枪的头罩末端为一个直径稍大于5cm的铁环，这样既可使测温枪所发出的光束打在涂有远红外涂料圆的圆心，又可使测温枪发出的光束垂直于被测物体表面。此测温枪使用时，手握柄部，将另一端平稳地贴于被测物体表面，使末端的铁环与炒茶锅的被测部位尽量吻合。

3 讨论

图4 改进红外线测温枪

本试验研究一个实用、方便、准确的测量炒茶锅锅温的方法和测温装置。同时，将红外线测定温度的技术运用到各种炒茶锅锅温的测定上还有如下特点：（1）非接触式测量：它不需要接触到被测温度场的内部或表面，因此，不会干扰被测温度场的状态，测温仪本身也不受温度场的损伤；（2）测温速度快：只要接收到被测物的红外辐射即可在短时间内定温。这样有利于及时对炒茶锅温的控制；（3）灵敏度高：只要物体温度有微小变化，辐射能量就有较大改变，易于测出。这样对于持续保持锅温有很大意义；（4）实用性高：一个规模化茶厂，有四、五十台电炒锅，仅一台红外线测温仪就可以巡回测量所有电炒锅，价格便宜，非常实用。

本试验中使用红外线测温枪测量锅体温度时是将红外线测温枪置于锅体的上方，这样仍会对炒茶实际操作造成些许不便，我们可将测温枪置于锅体背面，直接测量锅心背面温度，而不必再找代替区域。当对锅体温度达到准确、快速的测量后，我们可编写电脑程序置于电炒锅组内，当锅体达到某温度时停止加热并投叶，经历某时间段后通过温度测量再自动加热或者其他操作，当这样的技术成熟后，我们的手工炒茶锅在温度控制上就实现了自动化。

致谢本试验是在李尚庆老师的悉心指导下进行的，在此表示诚挚的谢意。同时，本试验在操作过程中得到了安农大茶厂和祁门茶科所等单位的大力支持和协助，在此表示诚挚的谢意。