溫度測量儀器在煙草制絲生產線的應用

中國儀器儀表 2006年第6期
1 引言

當前，國內煙草行業的競爭日益激烈，穩定的卷煙產品質量是煙草企業贏得消費者信任的關鍵。許多企業正在利用先進的生產設備和自動控制技術來保證
生產質量；智能化、高精度的計量儀表在煙草生產線中得到了廣泛應用。

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

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需要進行充分的熱交換，且需要一定的時間才能達到熱平衡，所以存在測溫的
延遲現象；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線中主要用于蒸汽溫度、熱風溫度或者料罐溫度的測量，通過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。

熱電偶用來直接測量各種生產過程中0～1800℃范圍內的流體、蒸汽和氣體介質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
合點溫度不同時，就會在回路內產生熱電流。當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，與熱電極的長度、直徑無關。轉換器可將熱電偶產生的熱電勢轉換為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過程中一200~C～+500~C范圍內的液、蒸汽和氣體介質以及固體表面的溫度。熱電阻是利用物質在溫度
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一定時間的平均溫度。

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。

如果熱電阻沒有轉換為標準的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的分布與其表面溫度關系密切。因此，通過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測量溫度的。紅外測溫儀由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路，并按照儀器內的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。

紅外測溫儀在煙草制絲生產線中主要應用于潤葉、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，濟南卷煙廠制絲線主要選用美國
公司的產品，早期的生產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、溫度顯示和參數調節，現場適用能力強。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)性能指標方面，如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長、測量精度、響應時間等；
(2)環境和工作條件方面，如環境溫度、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格等，也對測溫儀的選擇產生一定的影響。

隨著技術的不斷發展，紅外測溫儀的最新設計和進展為用戶提供了各種功能和多用途的儀器，擴大了選擇余地。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，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確、周全，既不要過窄，也不要過寬，測溫時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，在進行測溫時，被測目標面積應充滿測溫儀視場。建議被測目標尺寸超過視場大小的50％為好。如果目標尺寸小于視場，背景輻射能量就會進入測溫儀的視場，干擾測溫讀數，造成誤差。

相反，如果目標大于測溫儀的視場，測溫儀就不會受到測量區域外面的背景影響。

對于雙色測溫儀，其溫度是由兩個獨立的波長帶內輻射能量的比值來確定的。因此當被測目標很小，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，都不會對測量結果產生影響。對于目標細小，又處于運動或振動之中的目標；有時在視場內運動，或可能部分移出視場的目標，在此條件下，使用雙色測溫儀是最佳選擇。煙草企業生產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 確定光學分辨率

光學分辨率由測溫儀到目標之間的距離D與測量光斑直徑S之比來確定。如果測溫儀由于環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，就應選擇高光學分辨率的測溫儀。光學分辨率越高，即增大D：S比值，測溫儀的成本也越高。

4．4 確定響應時間

響應時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間常數有關。
新型紅外測溫儀響應時間可達lms，比接觸式測溫方法快很多。如果目標的運動速度很快或者測量快速加熱的目標時，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程存在熱慣性時，測溫儀的響應時間就可以放寬要求了。因此，紅外測溫儀響應時間的選擇要和被測目標的情況相適應。

4．5 信號處理功能

測量離散過程和連續過程不同，要求紅外測溫儀有信號處理功能，如發射率可調、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，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 環境條件

測溫儀所處的環境條件對測量結果有很大影響，應加以考慮并適當解決，否則會影響測溫精度甚至引起測溫儀的損壞。當環境溫度過高，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境影響并保護測溫儀，實現準確測溫。

4．7 物體發射率對輻射測溫的影響

影響發射率的主要因素有材料種類、表面粗糙度、理化結構和材料厚度等。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，還與構成物體的材
料種類、熱過程以及表面狀態和環境條件等因素有關。

因此，必須引入一個與材料性質及表面狀態有關的比例系數，即發射率。該系數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的數值之間。
煙草制品的發射率一般取缺省值0．95即可。

4．8 紅外輻射測溫儀的標定

紅外測溫儀必須經過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，則需退回廠家或維修中心重新標定。可以根
據規定定期對測溫儀進行標定。

為使紅外測溫儀測溫準確，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，不能透過玻璃進行測溫。
(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)注意環境條件：蒸汽、塵土、煙霧等。它阻擋儀器的光學系統而影響精確測溫。
(5)環境溫度，如果紅外測溫儀突然處于環境溫差為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。因此在煙草生產線上，料頭料尾的測量誤差較大。

5 測溫儀器在嗣絲線的應用

要生產出優質的煙草產品和提高產品質量，在煙草企業的制絲生產線的全過程中，精確測溫是關鍵之一。

Ptl00、熱電偶接觸式測溫元件在制絲生產線中主要應用于蒸汽溫度、熱風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
絲溫度等無法用接觸式測溫儀實現的場所。其測量溫度與產品工藝質量緊密相關，通過對溫度進行監控，對于提高產品質量至關重要。

紅外測溫儀改進了接觸式溫度測量的不足，具有響應時間快、非接觸、安裝及使用方便、壽命長等優點。因此，紅外測溫儀在煙草制絲生產線得到了廣泛
應用。

在早期的生產過程控制中，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行工藝檢測。
隨著技術進步和控制要求的逐步提高，在制絲生產控制中，測溫元器件逐步增多，不僅將測量煙葉

煙絲的出口溫度、熱風溫度，對蒸汽溫度、除塵溫度等也進行測量，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，使生產過程工作在所要求的范圍之內，從而提高對產品質量的穩定控制，提高生產率，降低能耗。

總之，溫度測量在生產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在質量。必須從選型開始就嚴謹細致，使用過程中，加強維護和校驗，使測溫元器件發揮應有的性能，保證煙絲的工藝質量。

參考文獻
1 馬西秦．自動檢測技術．機械工業出版社，2001，10．
2 王劃一．自動控制原理．國防工業出版社，2001．
 

上一篇：如何確定未知物體的發射率

下一篇：北京幸福指數再創新低是風向標