鄭 陳

（上海自動化儀表股份有限公司，上海 200072）

溫度是一個基本的物理量，它與其他許多物理參數(shù)有著密切的關(guān)系，因而在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和日常生活中，都離不開溫度的準(zhǔn)確測量和精密控制。常用的測溫方法可分成接觸測溫和非接觸測溫。接觸測溫中，熱電偶和熱電阻溫度計應(yīng)用最廣泛。該方法的優(yōu)點是設(shè)備和操作簡單，測得的是物體的真實溫度；缺點是需要接觸被測物體，可能會對被測物體的溫度有影響，不能用于過高溫的測量，并且長時間測量對測溫器件本身也有較大的損耗［1］。非接觸測溫以輻射測溫為主。該方法的優(yōu)點是不需要直接接觸被測物體，不會擾動和破壞被測物體的溫度場和熱平衡。

WGG2型隱絲式光學(xué)高溫計巧妙地利用了人體肉眼作為檢測機(jī)構(gòu)的一部分，極大地簡化了測溫機(jī)制，使之成為一款經(jīng)典的非接觸式測溫產(chǎn)品。然而，其磁電式電測顯示系統(tǒng)存在著一些問題，不但制約了該產(chǎn)品的進(jìn)一步發(fā)展，而且逐步威脅到了其在測溫計市場中的生存。為了延長產(chǎn)品生命周期，使這種經(jīng)典的測溫技術(shù)得以保存，對該產(chǎn)品的數(shù)字化改造顯得刻不容緩。

1 光學(xué)高溫計的原理、特點和應(yīng)用場合

WGG2型隱絲式光學(xué)高溫計是一種使用亮度測溫法的非接觸式測溫儀器。亮度測溫法是輻射測溫中最經(jīng)典的方法之一。該方法歷史悠久，20世紀(jì)40、50年代開始已經(jīng)有相關(guān)應(yīng)用。亮度測溫法的理論基礎(chǔ)是普朗克輻射定律［2］，

式中，I為輻射率，在單位時間內(nèi)從單位面積和單位立體角內(nèi)以單位頻率間隔或單位波長間隔輻射出的能量；v為光的頻率；T為黑體的溫度；h為普郎克常數(shù)；c為光速；k為玻爾茲曼常數(shù)；

通過式（1）可知，物體在某一確定波長下，其單色輻射亮度與溫度之間存在一定函數(shù)關(guān)系，通過測量物體單色輻射的亮度，來確定物體溫度的方法即亮度測溫法。

從式（1）也可以看出，單色輻射亮度隨溫度的變化而急劇變化，因此亮度測溫法的靈敏度很高。亮度溫度與真實溫度偏差小，發(fā)射率誤差的影響也小，加之亮度平衡和亮度比較的測量能達(dá)到很高的精度，因此亮度測溫法是目前輻射測溫技術(shù)中應(yīng)用最廣泛、準(zhǔn)確度高的方法，在目前和今后一段時間內(nèi)，基于亮度法的測溫儀表在工業(yè)應(yīng)用方面仍起著重要作用。

光學(xué)高溫計是基于維恩公式的亮度測溫法，根據(jù)物體光譜輻射亮度隨溫度升高而增加的原理，在選定的有效波長上進(jìn)行亮度比較而進(jìn)行測溫的。

圖1 光學(xué)高溫計原理示意圖

WGG2型光學(xué)高溫計的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由光學(xué)系統(tǒng)和電測系統(tǒng)組成。光學(xué)系統(tǒng)由物鏡和目鏡組成。物鏡的作用是使輻射源和被測物體成像在高溫計參比燈的燈絲平面上；目鏡的作用是使人眼能清晰地看到被測物體與參比燈燈絲的像。電測系統(tǒng)建立了高溫計參比燈燈絲的亮度與溫度分度值之間的函數(shù)關(guān)系，通過測量燈絲兩端的電壓或電流來確定被測物體的亮度溫度。使用時，用戶通過目鏡觀察被測物體和參比燈，同時調(diào)節(jié)滑線電阻，使燈絲的亮度與被測物體的亮度一致，稱使燈絲“隱滅”，此時顯示儀表即顯示被測物體的亮度溫度。

雖然WGG2型光學(xué)高溫計的測量結(jié)果具有一定主觀性，使亮度平衡的精度降低［3］，尚不支持對溫度的自動化測量、記錄和控制。但是，光學(xué)高溫計結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，適宜于便攜式現(xiàn)場測溫，尤其適用于體積小、溫度高的物體，如澆鑄、軋鋼、玻璃熔融、鍛打、熱處理等的溫度測量；而且，其在價格方面有絕對優(yōu)勢，可用于低精度場合下的溫度檢測，也可作為已有溫度檢測系統(tǒng)的補(bǔ)充，是冶金、化工和機(jī)械等工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的測溫儀表。

2 數(shù)字化改造前存在的問題

目前生產(chǎn)的傳統(tǒng)光學(xué)高溫計采用磁電式毫伏計測量電流信號，并使用指針式表頭作為數(shù)據(jù)顯示。隨著用戶使用頻率的提高，發(fā)現(xiàn)電測和顯示部分主要存在以下問題：

（1）指針式表頭精度低，最小分辨刻度為20℃，讀數(shù)時需要操作人員估計，而且指針會隨手部抖動而晃動，由此造成測量讀數(shù)不精確；

（2）關(guān)鍵器件表頭，即信號檢測和顯示部件，其零件較多，制作工藝復(fù)雜，對生產(chǎn)人員的技術(shù)要求較高，限制了產(chǎn)量；

（3）傳統(tǒng)的磁電式指針表頭在長時間使用后老化較嚴(yán)重［4］，經(jīng)常發(fā)生因灰塵等雜質(zhì)滲入儀表內(nèi)部造成的卡針、數(shù)據(jù)漂移等情況，影響產(chǎn)品性能。

3 數(shù)字化中遇到的問題和解決方法

對傳統(tǒng)光學(xué)高溫計進(jìn)行數(shù)字化改造，除了要提升原有產(chǎn)品的性能，解決磁電式電測系統(tǒng)中存在的問題外，也要注意因數(shù)字化而帶來的新問題，尤其要注意以下幾點：① 不能因為增加電子部件而使成本有過多增加；② 不得降低原電測系統(tǒng)的測量顯示精度；③ 儀表僅使用兩節(jié)1號電池供電，數(shù)字化后電測部分增加的功耗越小越好；④ 對用戶已經(jīng)使用習(xí)慣的模具外形不得做過多改動；⑤ 數(shù)字化后，儀表的生產(chǎn)調(diào)試環(huán)節(jié)應(yīng)與原產(chǎn)品的生產(chǎn)線兼容，不宜增加新的復(fù)雜工藝和大型設(shè)備。

基于以上幾點考慮，數(shù)字化改造沿用原產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)系統(tǒng)，使用數(shù)字測量顯示模塊替代原電磁指針式電測顯示系統(tǒng)。電測和顯示部分使用目前流行的32位嵌入式處理器、有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)和鐵電存儲技術(shù)。通過一款低功耗、低成本的ARM－CortexM3主控芯片控制A／D芯片對燈泡電壓進(jìn)行采樣，然后根據(jù)內(nèi)部存儲的燈泡的電壓－溫度特性曲線換算成溫度值，最后由顯示屏直接顯示被測物體的溫度值。重新設(shè)計的電測顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 光學(xué)高溫計電測部分結(jié)構(gòu)框圖

ARM－CortexM3處理器是一款高性能、低成本的32位處理器，適用于具有高確定性的實時應(yīng)用，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微控制器、汽車車體系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)以及無線網(wǎng)絡(luò)和傳感器等領(lǐng)域。該處理器提供出色的計算性能和對事件的卓越系統(tǒng)響應(yīng)，同時可以應(yīng)對低動態(tài)和靜態(tài)功率限制的挑戰(zhàn)。使用其作為儀表的主控芯片，除了滿足性能和成本的要求外，也為電測部分的低功耗打下了基礎(chǔ)。

A／D轉(zhuǎn)換芯片使用ADS1100，是一款高分辨率、高性價比的產(chǎn)品，大大提高了測量顯示精度，其最小分辨電壓可達(dá)0.1mV，相對于本產(chǎn)品中采樣電阻150～300mV的電壓范圍，精度高于0.1%，同時環(huán)境溫度每變化10℃其變化量小于0.008%，從而忽略電測系統(tǒng)對精度的損失。

有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)，即將有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light－Emitting Diode，OLED）應(yīng)用于顯示的技術(shù)。與傳統(tǒng)的八段碼LED和LCD顯示技術(shù)相比，OLED具有自發(fā)光性、廣視角、高對比、低耗電等優(yōu)點，因此非常適用于使用電池的手持式設(shè)備。經(jīng)測量，使用OLED顯示后，工作電流約增加了35mA，與參比燈正常工作時200～300mA的工作電流相比，屬于可接受范圍。

使用數(shù)字顯示代替指針指示后，儀表的分辨率由原來的20℃提高至1℃，精度大大提高，也徹底解決了指針表頭晃動、卡針、不便生產(chǎn)等一系列問題，但是在用戶試用中卻暴露出采樣值“跌落”問題。由于主檢測元件耗電量大，導(dǎo)致電池電壓緩慢降低，由于傳統(tǒng)的指針表頭分辨率低，用戶不易察覺；而改為數(shù)字顯示、提高測量顯示精度后，用戶讀數(shù)時會很明顯地發(fā)現(xiàn)顯示值呈約0.5℃／s的“跌落”狀態(tài)。為此，使用采樣鎖定技術(shù)解決這一問題。具體方法是，在每次采樣的前后都檢測一下主開關(guān)狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)開關(guān)為斷開狀態(tài)，則停止采樣，使顯示值鎖定為前一次采樣值，這樣用戶在使燈絲“隱滅”后即可放開主電源開關(guān)，顯示讀數(shù)會鎖定在“隱滅”瞬間，消除了“跌落”感。同進(jìn)，也降低了儀表的功耗。一般使用時，測量用時5～10s，讀數(shù)用時3～5s，傳統(tǒng)的光學(xué)高溫計在讀數(shù)時必須接通燈泡電源；而使用采樣鎖定技術(shù)后，測量完成即可斷開燈泡電源，縮短了主要耗電器件的使用時間。經(jīng)測算，通過上述設(shè)計可延長電池使用壽命約20%。

對標(biāo)定校準(zhǔn)環(huán)節(jié)的重新設(shè)計也是本次數(shù)字化的要點之一。由于傳統(tǒng)的指針式高溫計使用的刻度標(biāo)牌為事先印制，種類有限，故對于產(chǎn)品工藝要求較高，如燈絲特性、吸收玻璃厚度、彈簧游絲的材料、永磁材料的安裝位置等，都關(guān)系到儀表的最終讀數(shù)，因此在選料、加工、組裝等環(huán)節(jié)都采取嚴(yán)格的篩選和把關(guān)措施。然而，即使嚴(yán)格控制了部件質(zhì)量，仍然會有許多表的離散性較大，不能符合現(xiàn)有刻度標(biāo)牌的特性曲線。究其原因，是這些專用部件大都沒有標(biāo)準(zhǔn)品可買，幾乎是手工制作，誤差難免。這時就要“加串”，即在電回路中增加一個手工繞制的串聯(lián)電阻，從而改變電測系統(tǒng)的參數(shù)，使之符合現(xiàn)有刻度標(biāo)牌的特性曲線。但是這種方法也存在問題，增加電阻的阻值無確切的標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)每臺表的不同情況來調(diào)整，通常是先多繞幾圈，然后組裝校驗，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)超差，再拆幾圈，然后重新組裝校驗，如此反復(fù)，有經(jīng)驗的工人尚需2～3次，新上崗者幾乎無法獨立完成，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率。

重新設(shè)計后的標(biāo)定環(huán)節(jié)使用原有設(shè)備即可完成，并且充分利用數(shù)字式儀表的優(yōu)點，省去了繁瑣的電路特性調(diào)整工序。操作人員所要做的就是在標(biāo)準(zhǔn)溫度燈下使燈絲隱滅，然后點擊按鍵將數(shù)據(jù)儲存入芯片內(nèi)部，儀表便可通過軟件算法擬合出該臺表的特性曲線，通過式（2）正確計算出當(dāng)前溫度值）

式中，T為當(dāng)前測量溫度；C為當(dāng)前測量電壓值；T1為前一標(biāo)定點溫度；C1為前一標(biāo)定點電壓值；T2為后一標(biāo)定點溫度；C2為后一標(biāo)定點電壓值。

電路的參數(shù)使用多點線性擬合技術(shù)，都能令其顯示讀數(shù)與每臺表的特性曲線相匹配，這同時也降低了對光學(xué)器件中濾光片的工藝要求［5］，使生產(chǎn)工藝進(jìn)一步簡化。數(shù)字化后，儀表的標(biāo)定操作更加簡便，大大提高生產(chǎn)效率，并且對各類部件的精度要求也可降低，從另一方面保證了成本無太大變化，并且徹底解決了國家標(biāo)準(zhǔn)［6］中有關(guān)外界磁場和傾斜的影響問題，使儀表能在更復(fù)雜的電磁環(huán)境中得到應(yīng)用。改造后的光學(xué)高溫計如圖3所示。

圖3 光學(xué)高溫計（正面）

4 結(jié) 語

使用亮度測溫法的WGG2型隱絲式光學(xué)高溫計是一款經(jīng)典的非接觸式測溫產(chǎn)品，其巧妙地利用了人體肉眼作為檢測機(jī)構(gòu)的一部分，極大地簡化了測溫機(jī)制。使用嵌入式技術(shù)對光學(xué)高溫計進(jìn)行數(shù)字化改造后，儀表顯示清晰確切、讀數(shù)便捷，增加的數(shù)據(jù)存儲功能方便用戶記錄數(shù)據(jù)，延長了電池壽命，同時簡化了標(biāo)定工藝，大大方便了生產(chǎn)調(diào)試，降低了生產(chǎn)成本。產(chǎn)品經(jīng)用戶使用獲得好評，得到市場認(rèn)可，在延長了產(chǎn)品生命周期的同時也使經(jīng)典的測溫技術(shù)得以保留。

［1］孫超，孫利群.一種新型的雙波長光電高溫計［J］.光學(xué)技術(shù)，2006，32（supp）：13.

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