PET瓶多通道红外测温仪设计与实现

1.引言

随着饮料类型和数量不断增加，PET瓶的使用量不断增长，特别 是近年来吹灌旋一体机的出现，使得PET瓶的生产取得了技术上的革命，国内生产厂家在竞争压力增大的同时，也面临着巨大的机遇。

目前，SIDEL、KRONES等国际性大公司在饮料包装机械方面走在世界的前列，其吹灌旋联合机系列产品的生产技术已相当成熟。目前来在国内说，广州的达意隆TECH-LONG采用当今国际最先进的制瓶技术自主开发研制的PET小瓶形高速旋转式吹灌旋一体机CPXX22。

目前PET瓶加热控制系统中，采用PT100热电阻温度传感器测量温度，采集到的是加热炉内空气的温度，而空气温度值只能作为一个参考温度值，加热炉中空气的温度和瓶胚的温度是存在差异的，使用空气温度进行闭环控制，势必影响到瓶胚加热的精度，从而影响瓶胚的成型。

2.方案选择

在吹灌旋一体机生产PET瓶的过程中，PET材料在加热的过程中由于温度的变化会出现几种不同的状态过程：玻璃化状态、结晶状态和熔化状态[1-2]。因此瓶胚加热温度不能过低，过低PET材料不会软化，纤维性不强，不能被加工；当然温度也不能过高，不能达到玻璃化温度点，更加不能达到熔点。因此对瓶胚加热温度精确测量和控制是相当重要的。

在实际的系统中，通常采用所谓的“四段炉体”和“九段加热”工艺就是，结合PET材料的物理特性[3-4]，在加热炉中采用红外灯管发出的红外线对瓶胚辐射加热，因为受瓶胚质量、壁厚、高度和瓶形的影响，使用9层红外线灯管，合理分配每层灯管的加热功率。关键的问题是在瓶胚测量温度必须是准确的前提条件下，如何精确的控制灯管加热的平均电压。

针对PET瓶温度测量存在的问题，根据PET瓶胚加热工艺以及PET材料相关特性，采用OPTEX(奥泰斯)SA-80T-4A型红外温度测温仪作为主要测温部件，九个测温仪分别测量九段瓶身温度；由于测温仪输出的是4～20mA的模拟信号，因此设计了实现多通道模拟信号转换为数字信号的控制电路。九段温度测量仪能精确测量到瓶胚的温度，为炉温控制提供了可靠的依据。系统设计总框图如图1所示。

3.测温仪选型

3.1 红外测温原理

在自然界中，当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在，就会不断的向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75μm～100μm的红外线。红外辐射的探测是将被测设备的辐射能转换为可测量的形式，如对被测设备的热效应进行热电转换来测量设备红外辐射的强弱，或利用红外辐射的光电效应产生的电信号的变化来测量红外辐射的强弱，这样就把红外辐射的信号功率转换成便于直接处理的电信号，进一步放大处理后，以数字信号形式，得到设备表面的温度值。在设备热状态信息的红外探测过程中，代表设备热状态的红外辐射功率信号转换成电信号的功能是由红外探测器完成的[5-6]。

3.2 测温仪的选型

红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理等部分组成。被测物体和反馈源的辐射线经调制器调制后输入到红外检测器。两信号的差值经反放大器放大并控制反馈源的温度，使反馈源的光谱辐射亮度和物体的光谱辐射亮度一样。测量出被测物体的亮度温度。测温传感器采用薄膜热电堆，Ge材料构成折射聚光系统，在探测器的前端放干涉滤光片（上述两个波段）。原理图如图2所示。在选择测温仪的时要考虑到以下几个指标。

3.2.1 测温范围

每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围，测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。因此被测温度范围一定要考虑准确、周全，既不要过窄，也不要过宽。根据黑体辐射定律，在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化，因此，测温时应尽量选用短波较好。一般来说，测温范围越窄，监控温度的输出信号分辨率越高，精度可靠性容易解决。测温范围过宽，会降低测温精度。PET材料瓶胚最佳吹瓶温度为90-110℃，可将测温范围设定为0～400℃。

3.2.2 波长范围

目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长对于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。红外波段一般分为四部分，即近红外0.75-3.0μm、中红外3.0-6.0μm、远红外6.0μm～15.0μm和极远红外15.0μm～1000μm。1～3μm的近红外波长适合高温源(如钢铁、冶金、铸造、陶瓷烧结、高温化学反应、火箭尾气等)的热辐射，8.0-14.0μm的远红外波长适合低温源(如人体、地物等)的热辐射。其中8.0-14.0μm波段适合探测常温到几百度的辐射体。一般来说，可以采用3.43±0.05μm或7.95±0.10μm两个波段来测温。

表1 SA-80T-4A部分参数

图1 系统框图

图2 测温仪原理图

图3 滤波缓冲电路

根据PET材料红外吸收特性，瓶胚最佳吹瓶温度，以及瓶胚壁的厚度，选用7.95±0.10μm波段构成温度测量系统。结合以上指标选用OPTEX(奥泰斯)SA-80 T-4A型红外温度测温仪，该测温仪的数据参数见表1。

4.多通道模拟量输入模块设计

4.1 模块设计方案

本模块采用了32位的ARM7微处理器作为主控芯片，Samsung公司的16/32位RISC处理器S3C44B0X是目前业内使用比较广泛的一款芯片。此处理器提供了丰富的内置部件，包括：8KBcache，内部SRAM，LCD控制器，带自动握手的2通道UART，4通道DMA系统管理器(片选逻辑，FP/EDO/SDRAM控制器)，带PWM功能的5通道定制器，I/0端口等[7]。而A/D转换电路采用了MAX1270，该芯片为8通道12位的ADC，可将8通道的数据串行传送给控制器；为了保证采样数据的准确性，采用LM258设计出放大滤波电路。同时为了与上位机的通信，采用MAX485芯片设计出了RS-485通信接口。

图4 A/D转换电路及高速光耦隔离

图5 RS-485通讯接口

图6 九段温度测量仪

图7 现场温度采集结果

4.2 温度测量值与实际温度关系的建立

红外测温传感器测得的是温度电流信号（4～20mA），而A/D转换芯片输入值一般为电压值，为了得到每段温度测量的电压值，在每段电流信号处并接510Ω基值电阻，由于传感器测量的温度范围为0～400℃，对应的电流值为4～20mA，假设采集到的温度电压值为D，对应的温度值为T，则有T=(D-2.05)*50，这样就可以算到每段测量电压值与温度的线性关系。

4.3 滤波缓冲电路设计

在模拟信号的输入端加铁氧体磁珠，可以滤除高频干扰，同时也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。在每个通道与地之间接有0.1uf电容以及6V8稳压管。

放大滤波电路如图3所示，采用MCP6022组成的放大滤波电路，该芯片含有两路运算放大器，可同时对两通道模拟量进行处理，实际上构成的一电压跟随器，起到对A/D转换器与模拟量输入端的隔离、缓冲的作用。

4.4 A/D转换电路设计

MAX1270采用12位分辨率逐次逼近型算法，8通道输入模拟电压范围为-10V～+10V，-5V～+5V；采样速率为110kbps；内部提供4.096V基准电压[8]，通过两片芯片级联的方式可以实现16通道模拟量的采集。A/D转换电路原理图如图4所示，图中为一通道的原理图，通过编程模拟各通道数据采集SPI协议，用以实现SPI协议的MAX1270引脚都引至CPU的通用输入输出接口。MAX1270的参考电压使用内部4.096V基准电压，REF ADJ引脚通过0.01u f接至电源地。为了防止外部噪声干扰CPU的正常工作，使用了6N137高速光耦进行光电隔离。目的是提高系统抗干扰性能，实现信号两端电气隔离。再设计该电路是要注意光耦的去饱和问题，根据6N137电气手册中关于输出电压与导通电流的关系曲线，在引脚A、K间选择的电阻为1kΩ。

4.5 RS485通讯接口设计

通讯接口选用MAX485作为信号的转换芯片。MAX485具有很强的驱动能力，抗干扰性能很好，采用差分输出形式，差分输出两端最高能承受1KV的高压。为了防止浪涌电压对芯片的损坏，在两根差分线间以及差分线与地之间都接有放电管BZ201进行高压保护；同时在各差分线与地之间使用稳压管TVS6V8进行高低压保护；并且在每根差分线上各串联了一个10欧姆1W的电阻，这样通讯波形的质量有了很大的提升。为了防止信号输入端和输出端信号反射，在A，B两差分线间各连接一个120欧姆匹配电阻，实现输入与输出端的阻抗匹配。电路如图5所 示。

通过标准的485接口，可以很方便的通过数据通讯协议将炉温采集到上位机，用于炉温监测与控制。

5.试验验证

根据加热炉和瓶胚的大小设计出九段温度测量仪，如图5所示。其中，现场的采集的温度数据和设定的温度比较如图6所示，图中对某一通道在90℃、95℃、100℃三种不同设定温度值下，所测实际工况温度测量温度与预设的温度基本一致。能使反馈控制误差在±2℃范围内。

6.结束语

在瓶胚加热过程中，温度采集是一个至关重要的部分，PET瓶胚的加热温度直接决定了瓶的成型，如果能准确快速的采集到加热炉的实时工况温度值，对炉温的控制来说起到了决定性的作用。所以能否成功采集瓶胚的温度是整个系统研发继续进行的重要前提。

通过现场试验测试，该测量仪性能可靠，能准确测量到瓶胚的温度，并保证反馈控制误差在±2℃范围内。本文所设计的控制模块，只给出了模拟量采集等电路，温度控制、电源部分以及一些I/O接口没有提及。本文提出了一种对瓶胚温度测量的新方法，只是对瓶胚加热控制工艺的一个环节，在吹瓶的过程当中还涉及到其他控制工艺，譬如需要良好的散热系统，保证加热炉内良好的加热环境，将多余的热量通过风机吹出到外部环境中，通过变频器拖动风机，根据加热炉内温度环境来调控风机的风量。因此为了使瓶胚更好的成型，还需要外部的设备协同控制。这也是本方法进一步应用必须去解决的问题。

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