隐丝式光学高温计的数字化改造

郑 陈

（上海自动化仪表股份有限公司，上海 200072）

温度是一个基本的物理量，它与其他许多物理参数有着密切的关系，因而在工业生产、科学研究和日常生活中，都离不开温度的准确测量和精密控制。常用的测温方法可分成接触测温和非接触测温。接触测温中，热电偶和热电阻温度计应用最广泛。该方法的优点是设备和操作简单，测得的是物体的真实温度；缺点是需要接触被测物体，可能会对被测物体的温度有影响，不能用于过高温的测量，并且长时间测量对测温器件本身也有较大的损耗［1］。非接触测温以辐射测温为主。该方法的优点是不需要直接接触被测物体，不会扰动和破坏被测物体的温度场和热平衡。

WGG2型隐丝式光学高温计巧妙地利用了人体肉眼作为检测机构的一部分，极大地简化了测温机制，使之成为一款经典的非接触式测温产品。然而，其磁电式电测显示系统存在着一些问题，不但制约了该产品的进一步发展，而且逐步威胁到了其在测温计市场中的生存。为了延长产品生命周期，使这种经典的测温技术得以保存，对该产品的数字化改造显得刻不容缓。

1 光学高温计的原理、特点和应用场合

WGG2型隐丝式光学高温计是一种使用亮度测温法的非接触式测温仪器。亮度测温法是辐射测温中最经典的方法之一。该方法历史悠久，20世纪40、50年代开始已经有相关应用。亮度测温法的理论基础是普朗克辐射定律［2］，

式中，I为辐射率，在单位时间内从单位面积和单位立体角内以单位频率间隔或单位波长间隔辐射出的能量；v为光的频率；T为黑体的温度；h为普郎克常数；c为光速；k为玻尔兹曼常数；

通过式（1）可知，物体在某一确定波长下，其单色辐射亮度与温度之间存在一定函数关系，通过测量物体单色辐射的亮度，来确定物体温度的方法即亮度测温法。

从式（1）也可以看出，单色辐射亮度随温度的变化而急剧变化，因此亮度测温法的灵敏度很高。亮度温度与真实温度偏差小，发射率误差的影响也小，加之亮度平衡和亮度比较的测量能达到很高的精度，因此亮度测温法是目前辐射测温技术中应用最广泛、准确度高的方法，在目前和今后一段时间内，基于亮度法的测温仪表在工业应用方面仍起着重要作用。

光学高温计是基于维恩公式的亮度测温法，根据物体光谱辐射亮度随温度升高而增加的原理，在选定的有效波长上进行亮度比较而进行测温的。

图1 光学高温计原理示意图

WGG2型光学高温计的结构如图1所示，主要由光学系统和电测系统组成。光学系统由物镜和目镜组成。物镜的作用是使辐射源和被测物体成像在高温计参比灯的灯丝平面上；目镜的作用是使人眼能清晰地看到被测物体与参比灯灯丝的像。电测系统建立了高温计参比灯灯丝的亮度与温度分度值之间的函数关系，通过测量灯丝两端的电压或电流来确定被测物体的亮度温度。使用时，用户通过目镜观察被测物体和参比灯，同时调节滑线电阻，使灯丝的亮度与被测物体的亮度一致，称使灯丝“隐灭”，此时显示仪表即显示被测物体的亮度温度。

虽然WGG2型光学高温计的测量结果具有一定主观性，使亮度平衡的精度降低［3］，尚不支持对温度的自动化测量、记录和控制。但是，光学高温计结构简单，使用方便，适宜于便携式现场测温，尤其适用于体积小、温度高的物体，如浇铸、轧钢、玻璃熔融、锻打、热处理等的温度测量；而且，其在价格方面有绝对优势，可用于低精度场合下的温度检测，也可作为已有温度检测系统的补充，是冶金、化工和机械等工业生产过程中不可缺少的测温仪表。

2 数字化改造前存在的问题

目前生产的传统光学高温计采用磁电式毫伏计测量电流信号，并使用指针式表头作为数据显示。随着用户使用频率的提高，发现电测和显示部分主要存在以下问题：

（1）指针式表头精度低，最小分辨刻度为20℃，读数时需要操作人员估计，而且指针会随手部抖动而晃动，由此造成测量读数不精确；

（2）关键器件表头，即信号检测和显示部件，其零件较多，制作工艺复杂，对生产人员的技术要求较高，限制了产量；

（3）传统的磁电式指针表头在长时间使用后老化较严重［4］，经常发生因灰尘等杂质渗入仪表内部造成的卡针、数据漂移等情况，影响产品性能。

3 数字化中遇到的问题和解决方法

对传统光学高温计进行数字化改造，除了要提升原有产品的性能，解决磁电式电测系统中存在的问题外，也要注意因数字化而带来的新问题，尤其要注意以下几点：① 不能因为增加电子部件而使成本有过多增加；② 不得降低原电测系统的测量显示精度；③ 仪表仅使用两节1号电池供电，数字化后电测部分增加的功耗越小越好；④ 对用户已经使用习惯的模具外形不得做过多改动；⑤ 数字化后，仪表的生产调试环节应与原产品的生产线兼容，不宜增加新的复杂工艺和大型设备。

基于以上几点考虑，数字化改造沿用原产品的机械结构和光学系统，使用数字测量显示模块替代原电磁指针式电测显示系统。电测和显示部分使用目前流行的32位嵌入式处理器、有机发光显示技术和铁电存储技术。通过一款低功耗、低成本的ARM－CortexM3主控芯片控制A／D芯片对灯泡电压进行采样，然后根据内部存储的灯泡的电压－温度特性曲线换算成温度值，最后由显示屏直接显示被测物体的温度值。重新设计的电测显示系统结构框图如图2所示。

图2 光学高温计电测部分结构框图

ARM－CortexM3处理器是一款高性能、低成本的32位处理器，适用于具有高确定性的实时应用，目前已经广泛应用于微控制器、汽车车体系统、工业控制系统以及无线网络和传感器等领域。该处理器提供出色的计算性能和对事件的卓越系统响应，同时可以应对低动态和静态功率限制的挑战。使用其作为仪表的主控芯片，除了满足性能和成本的要求外，也为电测部分的低功耗打下了基础。

A／D转换芯片使用ADS1100，是一款高分辨率、高性价比的产品，大大提高了测量显示精度，其最小分辨电压可达0.1mV，相对于本产品中采样电阻150～300mV的电压范围，精度高于0.1%，同时环境温度每变化10℃其变化量小于0.008%，从而忽略电测系统对精度的损失。

有机发光显示技术，即将有机发光二极管（Organic Light－Emitting Diode，OLED）应用于显示的技术。与传统的八段码LED和LCD显示技术相比，OLED具有自发光性、广视角、高对比、低耗电等优点，因此非常适用于使用电池的手持式设备。经测量，使用OLED显示后，工作电流约增加了35mA，与参比灯正常工作时200～300mA的工作电流相比，属于可接受范围。

使用数字显示代替指针指示后，仪表的分辨率由原来的20℃提高至1℃，精度大大提高，也彻底解决了指针表头晃动、卡针、不便生产等一系列问题，但是在用户试用中却暴露出采样值“跌落”问题。由于主检测元件耗电量大，导致电池电压缓慢降低，由于传统的指针表头分辨率低，用户不易察觉；而改为数字显示、提高测量显示精度后，用户读数时会很明显地发现显示值呈约0.5℃／s的“跌落”状态。为此，使用采样锁定技术解决这一问题。具体方法是，在每次采样的前后都检测一下主开关状态，若发现开关为断开状态，则停止采样，使显示值锁定为前一次采样值，这样用户在使灯丝“隐灭”后即可放开主电源开关，显示读数会锁定在“隐灭”瞬间，消除了“跌落”感。同进，也降低了仪表的功耗。一般使用时，测量用时5～10s，读数用时3～5s，传统的光学高温计在读数时必须接通灯泡电源；而使用采样锁定技术后，测量完成即可断开灯泡电源，缩短了主要耗电器件的使用时间。经测算，通过上述设计可延长电池使用寿命约20%。

对标定校准环节的重新设计也是本次数字化的要点之一。由于传统的指针式高温计使用的刻度标牌为事先印制，种类有限，故对于产品工艺要求较高，如灯丝特性、吸收玻璃厚度、弹簧游丝的材料、永磁材料的安装位置等，都关系到仪表的最终读数，因此在选料、加工、组装等环节都采取严格的筛选和把关措施。然而，即使严格控制了部件质量，仍然会有许多表的离散性较大，不能符合现有刻度标牌的特性曲线。究其原因，是这些专用部件大都没有标准品可买，几乎是手工制作，误差难免。这时就要“加串”，即在电回路中增加一个手工绕制的串联电阻，从而改变电测系统的参数，使之符合现有刻度标牌的特性曲线。但是这种方法也存在问题，增加电阻的阻值无确切的标准，需要根据每台表的不同情况来调整，通常是先多绕几圈，然后组装校验，发现读数超差，再拆几圈，然后重新组装校验，如此反复，有经验的工人尚需2～3次，新上岗者几乎无法独立完成，严重制约了生产效率。

重新设计后的标定环节使用原有设备即可完成，并且充分利用数字式仪表的优点，省去了繁琐的电路特性调整工序。操作人员所要做的就是在标准温度灯下使灯丝隐灭，然后点击按键将数据储存入芯片内部，仪表便可通过软件算法拟合出该台表的特性曲线，通过式（2）正确计算出当前温度值）

式中，T为当前测量温度；C为当前测量电压值；T1为前一标定点温度；C1为前一标定点电压值；T2为后一标定点温度；C2为后一标定点电压值。

电路的参数使用多点线性拟合技术，都能令其显示读数与每台表的特性曲线相匹配，这同时也降低了对光学器件中滤光片的工艺要求［5］，使生产工艺进一步简化。数字化后，仪表的标定操作更加简便，大大提高生产效率，并且对各类部件的精度要求也可降低，从另一方面保证了成本无太大变化，并且彻底解决了国家标准［6］中有关外界磁场和倾斜的影响问题，使仪表能在更复杂的电磁环境中得到应用。改造后的光学高温计如图3所示。

图3 光学高温计（正面）

4 结 语

使用亮度测温法的WGG2型隐丝式光学高温计是一款经典的非接触式测温产品，其巧妙地利用了人体肉眼作为检测机构的一部分，极大地简化了测温机制。使用嵌入式技术对光学高温计进行数字化改造后，仪表显示清晰确切、读数便捷，增加的数据存储功能方便用户记录数据，延长了电池寿命，同时简化了标定工艺，大大方便了生产调试，降低了生产成本。产品经用户使用获得好评，得到市场认可，在延长了产品生命周期的同时也使经典的测温技术得以保留。

［1］孙超，孙利群.一种新型的双波长光电高温计［J］.光学技术，2006，32（supp）：13.

［2］马国荣.光学高温计［J］.中国教育技术装备，2005（9）：20.

［3］张春滨，李淑岩.标准光学高温计检定结果的不确定度评定［J］.宇航计测技术，2003，23（2）：35.

［4］罗家伟.工业用光学高温计使用注意事项及常见故障排除［J］.计量技术，2004（7）：57.

［5］王荣波，李泽仁.滤光片对瞬态光学高温计通道线性的影响［J］.高压物理学报，2009，23（2）：150.

［6］上海自动化仪表股份有限公司自动化仪表三厂.JB／T 2167－1999隐丝式光学高温计［S］.北京：国家机械工业局，1999.