溫度測量儀器在煙草制絲生產(chǎn)線的應(yīng)用

中國儀器儀表 2006年第6期
1 引言

當(dāng)前，國內(nèi)煙草行業(yè)的競爭日益激烈，穩(wěn)定的卷煙產(chǎn)品質(zhì)量是煙草企業(yè)贏得消費者信任的關(guān)鍵。許多企業(yè)正在利用先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和自動控制技術(shù)來保證
生產(chǎn)質(zhì)量；智能化、高精度的計量儀表在煙草生產(chǎn)線中得到了廣泛應(yīng)用。

在煙草制絲生產(chǎn)線中，煙葉的潤葉、加料及烘絲過程中，都需要對制品進(jìn)行溫度測量和控制，以保證產(chǎn)品工藝質(zhì)量的穩(wěn)定性。溫度測量儀器在生產(chǎn)控制過
程中就顯得十分重要。下面就溫度測量儀器在制絲線的應(yīng)用進(jìn)行探討。

2 溫度測量的分類

溫度測量按測溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。

接觸式測溫儀表比較簡單、可靠，測量精度高；但因測溫傳感器與被測物質(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交換，且需要一定的時間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測溫的
延遲現(xiàn)象；同時受耐高溫材料的限制，不能用于很高的溫度測量。

非接觸式儀表測溫是通過熱輻射原理來測量溫度的，測溫傳感器不需與被測物質(zhì)直接接觸，測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，反應(yīng)速度比較快；設(shè)計、
安裝、調(diào)試方便。接觸式測溫儀器一般是PtlO0、熱電偶等，非接觸式測溫儀表一般指紅外測溫儀。

3 接觸式測涅儀器的選型與應(yīng)用

PT100、熱電偶接觸式測溫元件在制絲生產(chǎn)線中主要用于蒸汽溫度、熱風(fēng)溫度或者料罐溫度的測量，通過在測量設(shè)備上打孔固定。所測量的溫度變化不大，
變化緩慢，控制要求不高。根據(jù)PLC的模擬量輸入模板決定電壓、電流輸入方式，最新的Ptl00、熱電偶都帶有轉(zhuǎn)換模塊，可以直接提供4-20mA的電流，使
抗干擾性、通用性得到提高。

熱電偶用來直接測量各種生產(chǎn)過程中0～1800℃范圍內(nèi)的流體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面的溫度。它是由兩種不同成分的導(dǎo)體兩端接合成回路，當(dāng)兩接
合點溫度不同時，就會在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流。當(dāng)熱電偶的工作端與參照端存在溫差時，熱電偶的熱電勢將隨著測量端溫度升高而增長，其大小只與熱電偶材料
和兩端的溫度有關(guān)，與熱電極的長度、直徑無關(guān)。轉(zhuǎn)換器可將熱電偶產(chǎn)生的熱電勢轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號。

熱電阻作為溫度測量傳感器可以直接測量各種生產(chǎn)過程中一200~C～+500~C范圍內(nèi)的液、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面的溫度。熱電阻是利用物質(zhì)在溫度
變化時本身電阻也隨之變化的特性來測量溫度，所測的溫度是感溫元件所在測量范圍內(nèi)一定時間的平均溫度。

如果熱電阻、熱電偶輸出為標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA的電流信號，需將SIEMENS的模擬量輸入模板的量程卡設(shè)為電流，PLC編程中可以調(diào)用SIEMENS的標(biāo)準(zhǔn)功能
FC105 SCALE使模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號用于控制。

如果熱電阻沒有轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA的輸出電流信號，熱電阻的接線可以直接與模擬量輸入模板連接。使用時必須把SIEMENS的模擬量輸入模板的量程
卡設(shè)為PT100選項，PLC編程中溫度值是模擬通道整數(shù)輸入值的1／10。

4 紅外測溫儀器的選型與應(yīng)用

物體紅外輻射能量的大小及波長的分布與其表面溫度關(guān)系密切。因此，通過對物體自身紅外輻射的測量，能準(zhǔn)確地確定它的表面溫度，紅外測溫儀就是利用這一原理來測量溫度的。紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。

紅外測溫儀在煙草制絲生產(chǎn)線中主要應(yīng)用于潤葉、加料滾筒及烘絲機(jī)出口物料的溫度測量及控制。紅外測溫儀的品牌較多，濟(jì)南卷煙廠制絲線主要選用美國
公司的產(chǎn)品，早期的生產(chǎn)線上主要選用大探頭紅外測溫儀；“十五”技改后，新的片煙生產(chǎn)線和制絲線均采用了小型化低溫紅外測溫儀。它采用微型探頭、24VDC直流電源供電，具有多種輸出方式、溫度顯示和參數(shù)調(diào)節(jié)，現(xiàn)場適用能力強。輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號連接到PLC的模擬輸入模板，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號參與生產(chǎn)過程的PID控制。

選擇紅外測溫儀可分為3個方面：
(1)性能指標(biāo)方面，如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長、測量精度、響應(yīng)時間等；
(2)環(huán)境和工作條件方面，如環(huán)境溫度、窗口、顯示和輸出、保護(hù)附件等；
(3)其他選擇方面，如使用方便、維修和校準(zhǔn)性能以及價格等，也對測溫儀的選擇產(chǎn)生一定的影響。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外測溫儀的最新設(shè)計和進(jìn)展為用戶提供了各種功能和多用途的儀器，擴(kuò)大了選擇余地。實際工作中，主要考慮以下幾點：

4．1 確定測溫范圍

測溫范圍是測溫儀最重要的一個性能指標(biāo)，一般紅外測溫儀測溫范圍為一50～+3000~C，但這不是由一種型號的紅外測溫儀來完成。每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍。因此，用戶的被測溫度范圍一定要考慮準(zhǔn)確、周全，既不要過窄，也不要過寬，測溫時應(yīng)盡量選用短波段測量精度較高。

4．2 確定目標(biāo)尺寸

紅外測溫儀根據(jù)原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀(輻射比色測溫儀)。
對于單色測溫儀，在進(jìn)行測溫時，被測目標(biāo)面積應(yīng)充滿測溫儀視場。建議被測目標(biāo)尺寸超過視場大小的50％為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場，背景輻射能量就會進(jìn)入測溫儀的視場，干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。

相反，如果目標(biāo)大于測溫儀的視場，測溫儀就不會受到測量區(qū)域外面的背景影響。

對于雙色測溫儀，其溫度是由兩個獨立的波長帶內(nèi)輻射能量的比值來確定的。因此當(dāng)被測目標(biāo)很小，沒有充滿視場，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋對輻射能量有衰減時，都不會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。對于目標(biāo)細(xì)小，又處于運動或振動之中的目標(biāo)；有時在視場內(nèi)運動，或可能部分移出視場的目標(biāo)，在此條件下，使用雙色測溫儀是最佳選擇。煙草企業(yè)生產(chǎn)線一般采用單色測溫儀，雙色測溫儀價格較貴，一般用在高溫等特殊場合。

4．3 確定光學(xué)分辨率

光學(xué)分辨率由測溫儀到目標(biāo)之間的距離D與測量光斑直徑S之比來確定。如果測溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測量小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測溫儀。光學(xué)分辨率越高，即增大D：S比值，測溫儀的成本也越高。

4．4 確定響應(yīng)時間

響應(yīng)時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應(yīng)速度，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)。
新型紅外測溫儀響應(yīng)時間可達(dá)lms，比接觸式測溫方法快很多。如果目標(biāo)的運動速度很快或者測量快速加熱的目標(biāo)時，要選用快速響應(yīng)紅外測溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號響應(yīng)，會降低測量精度。然而，并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測溫儀。對于靜止的或目標(biāo)過程存在熱慣性時，測溫儀的響應(yīng)時間就可以放寬要求了。因此，紅外測溫儀響應(yīng)時間的選擇要和被測目標(biāo)的情況相適應(yīng)。

4．5 信號處理功能

測量離散過程和連續(xù)過程不同，要求紅外測溫儀有信號處理功能，如發(fā)射率可調(diào)、峰值保持、谷值保持、平均值測量。如測量傳送帶上的煙葉溫度時，就
要用平均值(5s左右)測量功能，其溫度的輸出信號傳送至控制器內(nèi)。

4．6 環(huán)境條件

測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結(jié)果有很大影響，應(yīng)加以考慮并適當(dāng)解決，否則會影響測溫精度甚至引起測溫儀的損壞。當(dāng)環(huán)境溫度過高，存在灰塵、煙霧
和蒸汽時，可選用廠商提供的保護(hù)套、水冷卻、空氣冷卻系統(tǒng)、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護(hù)測溫儀，實現(xiàn)準(zhǔn)確測溫。

4．7 物體發(fā)射率對輻射測溫的影響

影響發(fā)射率的主要因素有材料種類、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)和材料厚度等。所有實際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材
料種類、熱過程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。

因此，必須引入一個與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，即發(fā)射率。該系數(shù)表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在0和小于1的數(shù)值之間。
煙草制品的發(fā)射率一般取缺省值0．95即可。

4．8 紅外輻射測溫儀的標(biāo)定

紅外測溫儀必須經(jīng)過標(biāo)定才能使它正確地顯示出被測目標(biāo)的溫度。如果所用的測溫儀在使用中出現(xiàn)測溫超差，則需退回廠家或維修中心重新標(biāo)定。可以根
據(jù)規(guī)定定期對測溫儀進(jìn)行標(biāo)定。

為使紅外測溫儀測溫準(zhǔn)確，使用時需注意以下幾點：

(1)只測量表面溫度，不能測量物體內(nèi)部溫度。
(2)不應(yīng)用于光亮的或拋光的金屬表面的測溫，不能透過玻璃進(jìn)行測溫。
(3)將紅外測溫儀對準(zhǔn)被測物體，儀器瞄準(zhǔn)要定位于被測的物料。
(4)注意環(huán)境條件：蒸汽、塵土、煙霧等。它阻擋儀器的光學(xué)系統(tǒng)而影響精確測溫。
(5)環(huán)境溫度，如果紅外測溫儀突然處于環(huán)境溫差為20％或更高的情況下，測量數(shù)據(jù)將不準(zhǔn)確，需溫度平衡后再取其測量的溫度值。因此在煙草生產(chǎn)線上，料頭料尾的測量誤差較大。

5 測溫儀器在嗣絲線的應(yīng)用

要生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的煙草產(chǎn)品和提高產(chǎn)品質(zhì)量，在煙草企業(yè)的制絲生產(chǎn)線的全過程中，精確測溫是關(guān)鍵之一。

Ptl00、熱電偶接觸式測溫元件在制絲生產(chǎn)線中主要應(yīng)用于蒸汽溫度、熱風(fēng)溫度或者料罐溫度的測量；紅外測溫儀應(yīng)用于潤葉滾筒出口葉片、烘絲機(jī)出口煙
絲溫度等無法用接觸式測溫儀實現(xiàn)的場所。其測量溫度與產(chǎn)品工藝質(zhì)量緊密相關(guān)，通過對溫度進(jìn)行監(jiān)控，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。

紅外測溫儀改進(jìn)了接觸式溫度測量的不足，具有響應(yīng)時間快、非接觸、安裝及使用方便、壽命長等優(yōu)點。因此，紅外測溫儀在煙草制絲生產(chǎn)線得到了廣泛
應(yīng)用。

在早期的生產(chǎn)過程控制中，對溫度的測量不受重視，測溫元件較少，溫度控制要求也不高，大部分只是憑借擋車工手感和手持紅外測溫儀進(jìn)行工藝檢測。
隨著技術(shù)進(jìn)步和控制要求的逐步提高，在制絲生產(chǎn)控制中，測溫元器件逐步增多，不僅將測量煙葉

煙絲的出口溫度、熱風(fēng)溫度，對蒸汽溫度、除塵溫度等也進(jìn)行測量，測量點大大增加，溫度控制回路功能逐步完善，大部分溫度測量信號作為反饋信號參與PID 控制，使生產(chǎn)過程工作在所要求的范圍之內(nèi)，從而提高對產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定控制，提高生產(chǎn)率，降低能耗。

總之，溫度測量在生產(chǎn)控制過程中十分重要。溫度測量和控制精度不高，將直接影響煙絲的內(nèi)在質(zhì)量。必須從選型開始就嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致，使用過程中，加強維護(hù)和校驗，使測溫元器件發(fā)揮應(yīng)有的性能，保證煙絲的工藝質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)
1 馬西秦．自動檢測技術(shù)．機(jī)械工業(yè)出版社，2001，10．
2 王劃一．自動控制原理．國防工業(yè)出版社，2001．
 

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