温度测量仪器在烟草制丝生产线的应用

[摘 要]：本文介绍了温度测量仪器PT100、热电偶及红外测温仪在烟草制丝生产的选型及使用注意情况，探讨了温度测量对保证产品质量控制的重要性。 1 引言 当前，国内烟草行业的竞争日益激烈，稳定的卷烟产品质量是烟草企业赢得消费者信任的关键。许多企业正在利用先进的生产设备和自动控制技术来保证生产质量；智能化、高精度的计量仪表在烟草生产线中得到了广泛应用。 在烟草制丝生产线中，烟叶的润叶、加料及烘丝过程中，都需要对制品进行温度测量和控制，以保证产品工艺质量的稳定性。温度测量仪器在生产控制过程中就显得十分重要。下面就温度测量仪器在制丝线的应用进行探讨。 2 温度测量的分类 温度测量按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。 接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度高；但因测温传感器与被测物质需要进行充分的热交换，且需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象；同时受耐高温材料的限制，不能用于很高的温度测量。 非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温传感器不需与被测物质直接接触，测温范围广，不受测温上限的限制，反应速度比较快；设计、安装、调试方便。接触式测温仪器一般是Pt100、热电偶等，非接触式测温仪表一般指红外测温仪。 3 接触式测温仪器的选型与应用 PT100、热电偶接触式测温元件在制丝生产线中主要用于蒸汽温度、热风温度或者料罐温度的测量，通过在测量设备上打孔固定。所测量的温度变化不大，变化缓慢，控制要求不高。根据PLC的模拟量输入模板决定电压、电流输入方式，最新的Pt100、热电偶都带有转换模块，可以直接提供4～20mA的电流，使抗干扰性、通用性得到提高。 热电偶用来直接测量各种生产过程中0～1800℃范围内的流体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。它是由两种不同成分的导体两端接合成回路，当两接合点温度不同时，就会在回路内产生热电流。当热电偶的工作端与参照端存在温差时，热电偶的热电势将随着测量端温度升高而增长，其大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。转换器可将热电偶产生的热电势转换为4～20mA的电流信号。 热电阻作为温度测量传感器可以直接测量各种生产过程中 －200℃～＋500℃范围内的液、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。热电阻是利用物质在温度变化时本身电阻也随之变化的特性来测量温度，所测的温度是感温元件所在测量范围内一定时间的平均温度。 如果热电阻、热电偶输出为标准的4～20mA的电流信号，需将SIEMENS的模拟量输入模板的量程卡设为电流，PLC编程中可以调用SIEMENS的标准功能FC105SCALE使模拟信号转换为数字信号用于控制。 如果热电阻没有转换为标准的4～20mA的输出电流信号，热电阻的接线可以直接与模拟量输入模板连接。使用时必须把SIEMENS的模拟量输入模板的量程卡设为PT100选项，PLC编程中温度值是模拟通道整数输入值的1/10。 4 红外测温仪器的选型与应用 物体红外辐射能量的大小及波长的分布与其表面温度关系密切。因此，通过对物体自身红外辐射的测量，能准确地确定它的表面温度，红外测温仪就是利用这一原理来测量温度的。红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。 红外测温仪在烟草制丝生产线中主要应用于润叶、加料滚筒及烘丝机出口物料的温度测量及控制。红外测温仪的品牌较多，济南卷烟厂制丝线主要选用美国Raytek（雷泰）公司的产品，早期的生产线上主要选用GP系列红外测温仪；“十五”技改后，新的片烟生产线和制丝线均采用了小型化的MID系列低温红外测温仪。它采用微型探头、24VDC直流电源供电，具有多种输出方式、温度显示和参数调节，现场适用能力强。输出标准电流信号连接到PLC的模拟输入模板，转化为数字信号参与生产过程的PID控制。 Raytek公司的红外测温仪产品包括便携式、在线式和扫描式3大系列，每一系列中又有各种型号及规格。在不同规格的各种型号测温仪中，正确地选择红外测温仪型号对用户来说是十分重要的。 选择红外测温仪可分为3个方面： （1）性能指标方面，如温度范围、光斑尺寸、工作波长、测量精度、响应时间等； （2）环境和工作条件方面，如环境温度、窗口、显示和输出、保护附件等； （3）其他选择方面，如使用方便、维修和校准性能以及价格等，也对测温仪的选择产生一定的影响。 随着技术的不断发展，红外测温仪的最新设计和进展为用户提供了各种功能和多用途的仪器，扩大了选择余地。实际工作中，主要考虑以下几点： 4．1 确定测温范围 测温范围是测温仪最重要的一个性能指标，美国Raytek（雷泰）产品测温范围为－50～＋3000℃，但这不是由一种型号的红外测温仪来完成。每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。因此，用户的被测温度范围一定要考虑准确、周全，既不要过窄，也不要过宽，测温时应尽量选用短波段测量精度较高。 4．2 确定目标尺寸 红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比色测温仪）。 对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。建议被测目标尺寸超过视场大小的50％为好。如果目标尺寸小于视场，背景辐射能量就会进入测温仪的视场，干扰测温读数，造成误差。相反，如果目标大于测温仪的视场，测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。 对于Raytek（雷泰）双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小，没有充满视场，测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡对辐射能量有衰减时，都不会对测量结果产生影响。对于目标细小，又处于运动或振动之中的目标；有时在视场内运动，或可能部分移出视场的目标，在此条件下，使用双色测温仪是最佳选择。烟草企业生产线一般采用单色测温仪，双色测温仪价格较贵，一般用在高温等特殊场合。 4．3 确定光学分辨率 光学分辨率由测温仪到目标之间的距离D与测量光斑直径S之比来确定。如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪。光学分辨率越高，即增大D∶S比值，测温仪的成本也越高。 4．4 确定响应时间 响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。 美国Raytek（雷泰）新型红外测温仪响应时间可达1ms，比接触式测温方法快很多。如果目标的运动速度很快或者测量快速加热的目标时，要选用快速响应红外测温仪，否则达不到足够的信号响应，会降低测量精度。然而，并不是所有应用都要求快速响应的红外测温仪。对于静止的或目标过程存在热 惯性时，测温仪的响应时间就可以放宽要求了。因此，红外测温仪响应时间的选择要和被测目标的情况相适应。 4．5 信号处理功能 测量离散过程和连续过程不同，要求红外测温仪有信号处理功能，如发射率可调、峰值保持、谷值保持、平均值测量。如测量传送带上的烟叶温度时，就要用平均值（5s左右）测量功能，其温度的输出信号传送至控制器内。 4．6 环境条件 测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，应加以考虑并适当解决，否则会影响测温精度甚至引起测温仪的损坏。当环境温度过高，存在灰尘、烟雾和蒸汽时，可选用厂商提供的保护套、水冷却、空气冷却系统、空气吹扫器等附件。这些附件可有效地解决环境影响并保护测温仪，实现准确测温。 4．7 物体发射率对辐射测温的影响 影响发射率的主要因素有材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在0和小于1的数值之间。烟草制品的发射率一般取缺省值0.95即可。 4．8 红外辐射测温仪的标定 红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被测目标的温度。如果所用的测温仪在使用中出现测温超差，则需退回厂家或维修中心重新标定。可以根据规定定期对测温仪进行标定。 为使红外测温仪测温准确，使用时需注意以下几点： （1）只测量表面温度，不能测量物体内部温度。 （2）不应用于光亮的或抛光的金属表面的测温，不能透过玻璃进行测温。 （3）将红外测温仪对准被测物体，仪器瞄准要定位于被测的物料。 （4）注意环境条件：蒸汽、尘土、烟雾等。它阻挡仪器的光学系统而影响精确测温。 （5）环境温度，如果红外测温仪突然处于环境温差为20℃或更高的情况下，测量数据将不准确，需温度平衡后再取其测量的温度值。因此在烟草生产线上，料头料尾的测量误差较大。 5 测温仪器在制丝线的应用 要生产出优质的烟草产品和提高产品质量，在烟草企业的制丝生产线的全过程中，精确测温是关键之一。 Pt100、热电偶接触式测温元件在制丝生产线中主要应用于蒸汽温度、热风温度或者料罐温度的测量；红外测温仪应用于润叶滚筒出口叶片、烘丝机出口烟丝温度等无法用接触式测温仪实现的场所。其测量温度与产品工艺质量紧密相关，通过对温度进行监控，对于提高产品质量至关重要。 红外测温仪改进了接触式温度测量的不足，具有响应时间快、非接触、安装及使用方便、寿命长等优点。因此，红外测温仪在烟草制丝生产线得到了广泛应用。 在早期的生产过程控制