李文軍，顧喆涵，鄭永軍，余瑤隆，徐永達

（中國計量學院 計量測試工程學院，杭州 310018）

電磁感應(yīng)加熱裝置在工業(yè)和民用中得到廣泛應(yīng)用，這些加熱裝置都需要測量溫度參數(shù)。以電磁爐為例，為實現(xiàn)加熱過程中的溫度控制，需要實時測量加熱件如鍋具的溫度并反饋到爐具一端。而電磁爐所使用的面板通常是微晶玻璃等材料，其隔熱性很強，如果在爐具一端布置接觸式測溫點來測量鍋具外壁表面溫度，面板隔熱性所產(chǎn)生滯后和失真現(xiàn)象很嚴重[1]。為解決這個問題，利用紅外測溫技術(shù)具有非接觸和響應(yīng)快的特點，以及微晶玻璃有一定紅外透過性，在電磁加熱裝置中引入了紅外測溫技術(shù)進行溫度測量和控制。

1 工作原理

1.1 紅外測溫原理

紅外測溫法是非接觸式測溫方法中的一種。一切溫度高于絕對零度的物體，都向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量，能量大小以及能量按波長的分布與物體表面溫度存在著相關(guān)性。測量物體在紅外波段輻射的能量，便能測量其表面溫度。描述物體輻射能量與表面溫度之間的相關(guān)性，需要借助一個理想物體即黑體。黑體吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過。黑體的輻射規(guī)律由普朗克定律、維恩位移定律和斯蒂芬-玻爾茲曼定律所描述[2]。根據(jù)普朗克定律，黑體輻射出度為

式中：c1為第一輻射常數(shù)，3.7418×10-16W·m2；c2為第二輻射常數(shù)，1.4388×10-2m·K；λ 為波長，m；T 為黑體的熱力學溫度，K。式（1）描述了黑體輻射能力與波長及溫度之間的關(guān)系。由式（1）可以推導得出維恩位移定律：

式（2）表明黑體輻射光譜曲線的峰值波長與溫度的乘積是一個確定的常數(shù)b，這個值為2897.8 μmK。根據(jù)式（2），結(jié)合電磁爐加熱過程中鍋具表面溫度所在溫區(qū)的上下限，可知鍋具表面輻射能量的峰值位于遠紅外波段。相應(yīng)地應(yīng)選擇工作波長在遠紅外波段的紅外測溫傳感器[3]。

1.2 紅外測溫的發(fā)射率修正

實際物體并不是黑體，因此紅外測溫中需要引入發(fā)射率來描述實際物體溫度與黑體溫度之間的相關(guān)性。發(fā)射率定義為實際物體輻射能力與相同溫度下黑體輻射能力之比。借助發(fā)射率，實際物體溫度T與黑體溫度Ts（也叫做實際物體的亮度溫度）之間的關(guān)系式為[4]

發(fā)射率除了與溫度、波長有關(guān)，還與物體表面形狀、表面粗糙度等因素有關(guān)。在電磁爐測溫中，鍋具外壁面發(fā)射率典型數(shù)值在0.87～0.91之間 （以鍋具最常用的鋼材為例）。紅外測溫裝置的設(shè)計需要提供發(fā)射率設(shè)置功能，滿足對不同材質(zhì)鍋具和不同表面粗糙度鍋具的測溫需求。針對特定材質(zhì)和表面，需要通過一組實驗來實際確定發(fā)射率，給出典型值[5]。

2 測溫裝置的組成

測溫裝置主要由MCU處理器MSP430F149、溫度傳感器TMP006、LCD1602液晶以及電源模塊等組成，如圖1所示。為增強其通信功能，裝置集成了無線通信模塊HC-06，可與智能設(shè)備如計算機和手機等通信[6-7]。

圖1 裝置組成示意圖Fig.1 Block diagram of the deviceq

3 硬件設(shè)計

3.1 電源模塊

單片機MSP430、紅外測溫傳感器TMP006和通信模塊HC-06的供電電壓為3.3 V，液晶顯示模塊則需要5 V驅(qū)動。電源采用9 V電池供電，并用2種電壓轉(zhuǎn)換芯片將電池電壓分別轉(zhuǎn)換為3.3 V和5 V。

3.2 處理器模塊

選擇的MSP430單片機為TI公司的16位超低功耗混合信號處理器，其電源電壓采用（1.8～3.6）V，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電0.1 μA，活動模式下耗電250 μA/MIPS，I/O輸入端口漏電流的最大值為 50 nA。在系統(tǒng)中共有5種低功耗模式可選，即LPM0～LMP4，可根據(jù)不同的情況選擇不同的低功耗模式。

3.3 溫度傳感器模塊

選擇的TMP006溫度傳感器是Texas Instruments公司的單芯片無源紅外線MEMS熱電堆溫度傳感器，其工作的環(huán)境溫度范圍在（-40～+125）℃之間。TMP006集成了5個組件，分別為MEMS熱電堆傳感器、信號調(diào)節(jié)器、16位ADC和環(huán)境溫度傳感器和電壓參考，其內(nèi)部框圖如圖2所示。熱電堆輸出的信號和環(huán)境溫度傳感器輸出的信號，分別經(jīng)過內(nèi)部運算放大器后送給16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其輸出的數(shù)字量經(jīng)過數(shù)字信號處理器處理后輸出。TMP006內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器有電壓寄存器、溫度寄存器、配置寄存器、制造商ID寄存器和設(shè)備ID寄存器，單片機通過I2C/SMBus通信方式從中讀取數(shù)據(jù)。

圖2 TMP006內(nèi)部框圖Fig.2 Internal block diagram of TMP006

3.4 通信模塊

HC-06通信模塊供電電壓3.3 V，共4個引腳，分別為 GND、VCC、TXD和 RXD，模塊的接收端RXD與單片機的發(fā)送端UTXD0相連、藍牙模塊的發(fā)送端TXD與單片機的接收端URXD0相連，即實現(xiàn)模塊與單片機的通信。

4 軟件設(shè)計

4.1 程序設(shè)計

裝置程序分為主函數(shù)、LCD1602驅(qū)動子程序、I2C總線通信子程序、UART驅(qū)動子程序以及TMP006溫度采集子程序等幾個部分。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flow chart of the main program

其中基于Android平臺的App可以對測溫裝置的參數(shù)進行設(shè)定，并采集和存儲歷史數(shù)據(jù)。

4.2 溫度采集子程序中的算法

TMP006工作波長范圍為4～8 μm，適合測量表面發(fā)射率大于0.9的物體的溫度。測量時，TMP006采集環(huán)境溫度TDIE并以二進制8位整數(shù)和6位小數(shù)形式保存到寄存器（內(nèi)部寄存器1）。對于目標物體溫度，需要根據(jù)環(huán)境溫度TDIE和熱電堆的電壓值（內(nèi)部寄存器0）進行計算，算法如下：

首先定義S為傳感器的靈敏度：

其中，S0為主校準因子，需要通過校準實驗確定。

其次，定義VOS為自熱效應(yīng)引起的電壓偏移值：

再次，定義其中 f（VOBJ）為賽貝克系數(shù)：

最后，計算目標溫度值TOBJ：

式（4）～式（6）中：VOBJ為內(nèi)部寄存器 0 中存儲的電壓值；參數(shù) a1，a2，b0，b1，b2，c2，TREF都是常數(shù)，只有主校準因子S0需要通過校準實驗來確定，其典型值在5×10-14～7×10-14之間。

5 校準和測試

5.1 校準

使用浴式黑體和標準鉑電阻溫度計對測溫裝置進行了校準，以確定主校準因子S0。黑體提供穩(wěn)定的溫度源，標準鉑電阻溫度計測量溫度源的溫度值[8-9]。校準方法如下：

首先，定義

取測量溫區(qū)的下限為第一個點，上限為第二個點，通過標準鉑電阻溫度計測量出2個溫度點的溫度值，作為 2 個已知的 TOBJ，代入式（5）和式（6），可以獲得2個坐標點（x，y）。過2點做直線，其斜率即主校準因子S0。在實際校準中，為了消除測量誤差，取多個溫度點進行測量，并求出每個溫度點上所對應(yīng)的（x，y），畫出散點圖。對散點作一次多項式擬合，所擬合直線的斜率為主校準因子S0。在以黑體為被測對象的實例中，實際擬合求解如圖4所示。

圖4 主校正因子擬合求解Fig.4 Fitting curve of primary calibration factor

由圖4可知S0=5.89×10-14，擬合優(yōu)度 R2=0.944。對于不同的被測物體，由于其表面發(fā)射率不同，通過校準所獲得的S0不同。紅外測溫裝置具有發(fā)射率設(shè)置功能，設(shè)置不同的發(fā)射率，引用不同的S0。需要通過實驗測定S0的典型值，以列表存儲在紅外測溫裝置中。

5.2 測量鍋具外表面溫度

針對電磁爐加熱過程，使用紅外測溫裝置（TMP006）進行了測溫實驗，并與工業(yè)用紅外測溫儀（IRCON 74型）的測量結(jié)果做了比較。IRCON 74型紅外測溫儀的測溫范圍是-40℃～+800℃，工作波長為 8 μm～14 μm，發(fā)射率和物距可調(diào)，測量精度為±1℃。使用的鍋具表面發(fā)射率約為0.91，實驗中把鍋內(nèi)介質(zhì)從室溫加熱到沸騰。圖5是以TMP006紅外測溫裝置測量數(shù)據(jù)所擬合的溫升曲線。

圖5 TMP006測得的數(shù)據(jù)Fig.5 Data measured by TMP006

溫升曲線方程為

圖6是用IRCON紅外測溫儀在同一測點所測數(shù)據(jù)擬合的溫升曲線。

圖6 IRCON測得的數(shù)據(jù)Fig.6 Data measured by IRCON

溫升曲線方程為

比較式（10）和式（11）可看出，兩者結(jié)果較一致。

6 結(jié)語

利用非接觸測溫傳感器設(shè)計和開發(fā)了低成本的紅外測溫裝置，用黑體和標準鉑電阻溫度計對該測溫裝置做了靜態(tài)校準，確定了測溫裝置主校準因子。用該測溫裝置測量了鍋具外壁面溫度上升曲線，并與工業(yè)用紅外測溫儀的測量結(jié)果進行了對比。測試結(jié)果表明裝置可應(yīng)用于電磁爐加熱過程中的溫度測量和控制。

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