溫度測量?jì)x器在煙草制絲生產(chǎn)線(xiàn)的應用

中國儀器儀表 2006年第6期

1 引言

當前，國內煙草行業(yè)的競爭日益激烈，穩定的卷煙產(chǎn)品質(zhì)量是煙草企業(yè)贏(yíng)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)設備和自動(dòng)控制技術(shù)來(lái)保證
生產(chǎn)質(zhì)量；智能化、高精度的計量?jì)x表在煙草生產(chǎn)線(xiàn)中得到了廣泛應用。

在煙草制絲生產(chǎn)線(xiàn)中，煙葉的潤葉、加料及烘絲過(guò)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)量的穩定性。溫度測量?jì)x器在生產(chǎn)控制過(guò)
程中就顯得十分重要。下面就溫度測量?jì)x器在制絲線(xiàn)的應用進(jìn)行探討。

2 溫度測量的分類(lèi)

溫度測量按測溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)。

接觸式測溫儀表比較簡(jiǎn)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(shí)間才能達到熱平衡，所以存在測溫的
延遲現象；同時(shí)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(guò)熱輻射原理來(lái)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，反應速度比較快；設計、
安裝、調試方便。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用

PT100、熱電偶接觸式測溫元件在制絲生產(chǎn)線(xiàn)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(guò)在測量設備上打孔固定。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(lái)直接測量各種生產(chǎn)過(guò)程中0～1800℃范圍內的流體、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體兩端接合成回路，當兩接
合點(diǎn)溫度不同時(shí)，就會(huì )在回路內產(chǎn)生熱電流。當熱電偶的工作端與參照端存在溫差時(shí)，熱電偶的熱電勢將隨著(zhù)測量端溫度升高而增長(cháng)，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(cháng)度、直徑無(wú)關(guān)。轉換器可將熱電偶產(chǎn)生的熱電勢轉換為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(guò)程中一200~C～+500~C范圍內的液、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(shí)本身電阻也隨之變化的特性來(lái)測量溫度，所測的溫度是感溫元件所在測量范圍內一定時(shí)間的平均溫度。

如果熱電阻、熱電偶輸出為標準的4-20mA的電流信號，需將SIEMENS的模擬量輸入模板的量程卡設為電流，PLC編程中可以調用SIEMENS的標準功能
FC105 SCALE使模擬信號轉換為數字信號用于控制。

如果熱電阻沒(méi)有轉換為標準的4～20mA的輸出電流信號，熱電阻的接線(xiàn)可以直接與模擬量輸入模板連接。使用時(shí)必須把SIEMENS的模擬量輸入模板的量程
卡設為PT100選項，PLC編程中溫度值是模擬通道整數輸入值的1／10。

4 紅外測溫儀器的選型與應用

物體紅外輻射能量的大小及波長(cháng)的分布與其表面溫度關(guān)系密切。因此，通過(guò)對物體自身紅外輻射的測量，能準確地確定它的表面溫度，紅外測溫儀就是利用這一原理來(lái)測量溫度的。紅外測溫儀由光學(xué)系統、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)系統匯聚其視場(chǎng)內的目標紅外輻射能量，視場(chǎng)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變?yōu)橄鄳�的電信號。該信號�?jīng)過(guò)放大器和信號處理電路，并按照儀器內的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。

紅外測溫儀在煙草制絲生產(chǎn)線(xiàn)中主要應用于潤葉、加料滾筒及烘絲機出口物料的溫度測量及控制。紅外測溫儀的品牌較多，濟南卷煙廠(chǎng)制絲線(xiàn)主要選用美國公司的產(chǎn)品，早期的生產(chǎn)線(xiàn)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(xiàn)和制絲線(xiàn)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、溫度顯示和參數調節，現場(chǎng)適用能力強。輸出標準電流信號連接到PLC的模擬輸入模板，轉化為數字信號參與生產(chǎn)過(guò)程的PID控制。

選擇紅外測溫儀可分為3個(gè)方面：
(1)性能指標方面，如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長(cháng)、測量精度、響應時(shí)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、保護附件等；
(3)其他選擇方面，如使用方便、維修和校準性能以及價(jià)格等，也對測溫儀的選擇產(chǎn)生一定的影響。

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

4．1 確定測溫范圍

測溫范圍是測溫儀最重要的一個(gè)性能指標，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(lái)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(hù)的被測溫度范圍一定要考慮準確、周全，既不要過(guò)窄，也不要過(guò)寬，測溫時(shí)應盡量選用短波段測量精度較高。

4．2 確定目標尺寸

紅外測溫儀根據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(shí)，被測目標面積應充滿(mǎn)測溫儀視場(chǎng)。建議被測目標尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50％為好。如果目標尺寸小于視場(chǎng)，背景輻射能量就會(huì )進(jìn)入測溫儀的視場(chǎng)，干擾測溫讀數，造成誤差。

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

對于雙色測溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨立的波長(cháng)帶內輻射能量的比值來(lái)確定的。因此當被測目標很小，沒(méi)有充滿(mǎn)視場(chǎng)，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋對輻射能量有衰減時(shí)，都不會(huì )對測量結果產(chǎn)生影響。對于目標細小，又處于運動(dòng)或振動(dòng)之中的目標；有時(shí)在視場(chǎng)內運動(dòng)，或可能部分移出視場(chǎng)的目標，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(xiàn)一般采用單色測溫儀，雙色測溫儀價(jià)格較貴，一般用在高溫等特殊場(chǎng)合。

4．3 確定光學(xué)分辨率

光學(xué)分辨率由測溫儀到目標之間的距離D與測量光斑直徑S之比來(lái)確定。如果測溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠離目標之處，而又要測量小的目標，就應選擇高光學(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 確定響應時(shí)間

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

4．5 信號處理功能

測量離散過(guò)程和連續過(guò)程不同，要求紅外測溫儀有信號處理功能，如發(fā)射率可調、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(shí)，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。

4．6 環(huán)境條件

測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結果有很大影響，應加以考慮并適當解決，否則會(huì )影響測溫精度甚至引起測溫儀的損壞。當環(huán)境溫度過(guò)高，存在灰塵、煙霧
和蒸汽時(shí)，可選用廠(chǎng)商提供的保護套、水冷卻、空氣冷卻系統、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護測溫儀，實(shí)現準確測溫。

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(lèi)、表面粗糙度、理化結構和材料厚度等。所有實(shí)際物體的輻射量除依賴(lài)于輻射波長(cháng)及物體的溫度之外，還與構成物體的材
料種類(lèi)、熱過(guò)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(gè)與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數，即發(fā)射率。該系數表示實(shí)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定

紅外測溫儀必須經(jīng)過(guò)標定才能使它正確地顯示出被測目標的溫度。如果所用的測溫儀在使用中出現測溫超差，則需退回廠(chǎng)家或維修中心重新標定�？梢愿�
據規定定期對測溫儀進(jìn)行標定。

為使紅外測溫儀測溫準確，使用時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：

(1)只測量表面溫度，不能測量物體內部溫度。
(2)不應用于光亮的或拋光的金屬表面的測溫，不能透過(guò)玻璃進(jìn)行測溫。
(3)將紅外測溫儀對準被測物體，儀器瞄準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，測量數據將不準確，需溫度平衡后再取其測量的溫度值。因此在煙草生產(chǎn)線(xiàn)上，料頭料尾的測量誤差較大。

5 測溫儀器在嗣絲線(xiàn)的應用

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(xiàn)的全過(guò)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(xiàn)中主要應用于蒸汽溫度、熱風(fēng)溫度或者料罐溫度的測量；紅外測溫儀應用于潤葉滾筒出口葉片、烘絲機出口煙
絲溫度等無(wú)法用接觸式測溫儀實(shí)現的場(chǎng)所。其測量溫度與產(chǎn)品工藝質(zhì)量緊密相關(guān)，通過(guò)對溫度進(jìn)行監控，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，具有響應時(shí)間快、非接觸、安裝及使用方便、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，紅外測溫儀在煙草制絲生產(chǎn)線(xiàn)得到了廣泛
應用。

在早期的生產(chǎn)過(guò)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(chē)工手感和手持紅外測溫儀進(jìn)行工藝檢測。
隨著(zhù)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(diǎn)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(guò)程工作在所要求的范圍之內，從而提高對產(chǎn)品質(zhì)量的穩定控制，提高生產(chǎn)率，降低能耗。

總之，溫度測量在生產(chǎn)控制過(guò)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在質(zhì)量。必須從選型開(kāi)始就嚴謹細致，使用過(guò)程中，加強維護和校驗，使測溫元器件發(fā)揮應有的性能，保證煙絲的工藝質(zhì)量。

推薦到煙草行業(yè)的紅外測溫儀有：德國DIAS紅外公司的DT4L，DT42L，DT40L。

參考文獻

1 馬西秦．自動(dòng)檢測技術(shù)．機械工業(yè)出版社，2001，10．
2 王劃一．自動(dòng)控制原理．國防工業(yè)出版社，2001．

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