智能光学测温系统研究与应用

王炜煜

摘要：智能测温系统是一种代替热电偶测温技术的新型技术，可适用于700℃～1900℃环境下的各种工业炉内的测温控温。该系统利用基本的光学反射测温原理，利用光学传感器测量物体表面辐射的能量来计算物体的表面温度，具有精度高、稳定性强，维护简单，寿命长等特点，是一种替代热电偶测温的理想测温技术。

关键词：智能光学测温系统；光学测温传感器；红外测温

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.09.090

1研发思路及技术方案的确定

传统的高温测温产品有以下缺点：制造成本高，运行不可靠，易腐蚀，易受强电磁场影响等，针对这些问题，新研发的测温产品需要满足：成本低，寿命长，不易受环境影响，反应敏捷，精度高等特点。红外线测温方法比起接触式测温方法有反应敏捷、不需直接接触、寿命长等优点。利用红外线测温开发的智能光电测温系统，利用硅光电二极管作为光敏元件，通过光学传感器将炉内测量物体的表面辐射能量转换成电子信号，传输到二次测量仪表（智能测温仪），智能测温仪将信号处理后显示炉内温度情况。另外，测温仪还具设定上下限报警输出，并经过测算后输出4～20mA标准电流以及RS-485标准通信接口信号，通过传感器与测温仪共同完成测量-显示-控制的全部测温过程。

2具体方案

2.1温度测量原理

一切物体表面温度高于绝对零度都会向周围环境辐射能量，物体辐射的能量大小与其波长分布及表面温度有直接关系。

由普朗克黑体辐射定律得知，黑体在单位面积、时间、立体角内、波长间隔内辐射的能量為：

由公式可以看出：黑体的辐射能量与其绝对温度有关。除物体的辐射波长及温度因素之外，物体的辐射量还与其材料构成、制造方式、环境条件等有关。根据该辐射定律得知：通过测算材料的发射率即可推算物体的温度。

2.2光学测温传感器的设计

光学测温传感器的结构示意图如图1所示。

原理：感温管受热后致管腔端部发出辐射光，通过透视镜聚焦至采光孔进入光敏元件。光敏元件转换电压信号传入光学测温仪，最终显示物体温度。该密闭空间避免了水汽、粉尘等因素的干扰，控温精度可达±0.2℃，经计算测温误差≤0.5%。

2.3智能光学测温仪的设计

智能光学测温仪与光学测温传感器配套使用，组成智能光学测温系统，可适用于700℃～1900℃各种工业炉的在线测温控温，最终通过测温传感器分析输出电压并进行高精度校正，通过LED显示实测温度。测温仪主要功能包括：实时显示炉内温度功能，上下限报警并控制功能，变送输出4～20mA标准电流信号功能，还可以与PLC设备连接，参与温度过程控制。测温仪具有RS-485标准通信接口，可实现远程联网，上位管理机可通过网络读取每台仪表的测量温度及报警状态。

测温仪的功能框图如图2所示。

3总体性能比较和技术创新点

智能测温仪运行以来，工作稳定性高，测量精度高，寿命较同类产品长、使用方便，其主要技术创新点主要有：

（1）智能测温仪不受被测物体黑体系数的影响，测温准确。

（2）突破了以往测量仪常用的测温模式，采用软件信息系统完成测温计算，提高了测温系统的准确性。

（3）该系统大大节约了原测温系统的金属材料的成本及制造费用。

4结论

智能光学测温系统试用的情况表明：在封闭的炉内条件下，用该系统测温可以达到理想的效果，在测量物体表面温度不均匀的情况下（如轧线上运动的钢坯），采用间接的测量方式反应速度快，能显示钢坯各个位置的温度。同时，为适应现场需求，具有温度锁定功能的光学测温仪现已投入使用，可实时显示一个测量周期内从开始到结束时的所有温度，并在测量结束后，显示测量过程中的最高检测温度值至下一次测量开始。光学测温系统在应用于混风管道测温时高温隔离镜头结露严重，影响了测温准确度，为此增置了圆环形自动控温加热陶瓷安装于高温玻璃前，有效地解决了结露问题，保证了测温准确度。

目前，该系统已推广至有色金属冶炼、粉末冶金材料制作、焦炭生产、耐火材料敷设、化工生产等工业领域的温度测量和控制，为企业节约较大的运营成本，是一项有创新性的节能、降耗的新技术。

参考文献

[1]孙肖子，刘刚，孙万荣.传感器及其应用[M].北京：电子工业出版社，1996.

[2]赵负图.现代传感器集成电路[M].北京：人民邮电出版社，2000.