电磁炉红外测温装置的设计和实现

2015-01-27 03:13李文军顾喆涵郑永军余瑶隆徐永达

自动化与仪表 2015年2期

李文军，顾喆涵，郑永军，余瑶隆，徐永达

（中国计量学院计量测试工程学院，杭州 310018）

电磁感应加热装置在工业和民用中得到广泛应用，这些加热装置都需要测量温度参数。以电磁炉为例，为实现加热过程中的温度控制，需要实时测量加热件如锅具的温度并反馈到炉具一端。而电磁炉所使用的面板通常是微晶玻璃等材料，其隔热性很强，如果在炉具一端布置接触式测温点来测量锅具外壁表面温度，面板隔热性所产生滞后和失真现象很严重[1]。为解决这个问题，利用红外测温技术具有非接触和响应快的特点，以及微晶玻璃有一定红外透过性，在电磁加热装置中引入了红外测温技术进行温度测量和控制。

1 工作原理

1.1 红外测温原理

红外测温法是非接触式测温方法中的一种。一切温度高于绝对零度的物体，都向周围空间发出红外辐射能量，能量大小以及能量按波长的分布与物体表面温度存在着相关性。测量物体在红外波段辐射的能量，便能测量其表面温度。描述物体辐射能量与表面温度之间的相关性，需要借助一个理想物体即黑体。黑体吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过。黑体的辐射规律由普朗克定律、维恩位移定律和斯蒂芬-玻尔兹曼定律所描述[2]。根据普朗克定律，黑体辐射出度为

式中：c1为第一辐射常数，3.7418×10-16W·m2；c2为第二辐射常数，1.4388×10-2m·K；λ 为波长，m；T 为黑体的热力学温度，K。式（1）描述了黑体辐射能力与波长及温度之间的关系。由式（1）可以推导得出维恩位移定律：

式（2）表明黑体辐射光谱曲线的峰值波长与温度的乘积是一个确定的常数b，这个值为2897.8 μmK。根据式（2），结合电磁炉加热过程中锅具表面温度所在温区的上下限，可知锅具表面辐射能量的峰值位于远红外波段。相应地应选择工作波长在远红外波段的红外测温传感器[3]。

1.2 红外测温的发射率修正

实际物体并不是黑体，因此红外测温中需要引入发射率来描述实际物体温度与黑体温度之间的相关性。发射率定义为实际物体辐射能力与相同温度下黑体辐射能力之比。借助发射率，实际物体温度T与黑体温度Ts（也叫做实际物体的亮度温度）之间的关系式为[4]

发射率除了与温度、波长有关，还与物体表面形状、表面粗糙度等因素有关。在电磁炉测温中，锅具外壁面发射率典型数值在0.87～0.91之间（以锅具最常用的钢材为例）。红外测温装置的设计需要提供发射率设置功能，满足对不同材质锅具和不同表面粗糙度锅具的测温需求。针对特定材质和表面，需要通过一组实验来实际确定发射率，给出典型值[5]。

2 测温装置的组成

测温装置主要由MCU处理器MSP430F149、温度传感器TMP006、LCD1602液晶以及电源模块等组成，如图1所示。为增强其通信功能，装置集成了无线通信模块HC-06，可与智能设备如计算机和手机等通信[6-7]。

图1 装置组成示意图Fig.1 Block diagram of the deviceq

3 硬件设计

3.1 电源模块

单片机MSP430、红外测温传感器TMP006和通信模块HC-06的供电电压为3.3 V，液晶显示模块则需要5 V驱动。电源采用9 V电池供电，并用2种电压转换芯片将电池电压分别转换为3.3 V和5 V。

3.2 处理器模块

选择的MSP430单片机为TI公司的16位超低功耗混合信号处理器，其电源电压采用（1.8～3.6）V，RAM数据保持方式下耗电0.1 μA，活动模式下耗电250 μA/MIPS，I/O输入端口漏电流的最大值为 50 nA。在系统中共有5种低功耗模式可选，即LPM0～LMP4，可根据不同的情况选择不同的低功耗模式。

3.3 温度传感器模块

选择的TMP006温度传感器是Texas Instruments公司的单芯片无源红外线MEMS热电堆温度传感器，其工作的环境温度范围在（-40～+125）℃之间。TMP006集成了5个组件，分别为MEMS热电堆传感器、信号调节器、16位ADC和环境温度传感器和电压参考，其内部框图如图2所示。热电堆输出的信号和环境温度传感器输出的信号，分别经过内部运算放大器后送给16位模/数转换器，其输出的数字量经过数字信号处理器处理后输出。TMP006内部的数据寄存器有电压寄存器、温度寄存器、配置寄存器、制造商ID寄存器和设备ID寄存器，单片机通过I2C/SMBus通信方式从中读取数据。

图2 TMP006内部框图Fig.2 Internal block diagram of TMP006

3.4 通信模块

HC-06通信模块供电电压3.3 V，共4个引脚，分别为 GND、VCC、TXD和 RXD，模块的接收端RXD与单片机的发送端UTXD0相连、蓝牙模块的发送端TXD与单片机的接收端URXD0相连，即实现模块与单片机的通信。

4 软件设计

4.1 程序设计

装置程序分为主函数、LCD1602驱动子程序、I2C总线通信子程序、UART驱动子程序以及TMP006温度采集子程序等几个部分。主程序流程如图3所示。

图3 主程序流程图Fig.3 Flow chart of the main program

其中基于Android平台的App可以对测温装置的参数进行设定，并采集和存储历史数据。

4.2 温度采集子程序中的算法

TMP006工作波长范围为4～8 μm，适合测量表面发射率大于0.9的物体的温度。测量时，TMP006采集环境温度TDIE并以二进制8位整数和6位小数形式保存到寄存器（内部寄存器1）。对于目标物体温度，需要根据环境温度TDIE和热电堆的电压值（内部寄存器0）进行计算，算法如下：

首先定义S为传感器的灵敏度：

其中，S0为主校准因子，需要通过校准实验确定。

其次，定义VOS为自热效应引起的电压偏移值：

再次，定义其中 f（VOBJ）为赛贝克系数：

最后，计算目标温度值TOBJ：

式（4）～式（6）中：VOBJ为内部寄存器 0 中存储的电压值；参数 a1，a2，b0，b1，b2，c2，TREF都是常数，只有主校准因子S0需要通过校准实验来确定，其典型值在5×10-14～7×10-14之间。

5 校准和测试

5.1 校准

使用浴式黑体和标准铂电阻温度计对测温装置进行了校准，以确定主校准因子S0。黑体提供稳定的温度源，标准铂电阻温度计测量温度源的温度值[8-9]。校准方法如下：

首先，定义

取测量温区的下限为第一个点，上限为第二个点，通过标准铂电阻温度计测量出2个温度点的温度值，作为 2 个已知的 TOBJ，代入式（5）和式（6），可以获得2个坐标点（x，y）。过2点做直线，其斜率即主校准因子S0。在实际校准中，为了消除测量误差，取多个温度点进行测量，并求出每个温度点上所对应的（x，y），画出散点图。对散点作一次多项式拟合，所拟合直线的斜率为主校准因子S0。在以黑体为被测对象的实例中，实际拟合求解如图4所示。

图4 主校正因子拟合求解Fig.4 Fitting curve of primary calibration factor

由图4可知S0=5.89×10-14，拟合优度 R2=0.944。对于不同的被测物体，由于其表面发射率不同，通过校准所获得的S0不同。红外测温装置具有发射率设置功能，设置不同的发射率，引用不同的S0。需要通过实验测定S0的典型值，以列表存储在红外测温装置中。

5.2 测量锅具外表面温度

针对电磁炉加热过程，使用红外测温装置（TMP006）进行了测温实验，并与工业用红外测温仪（IRCON 74型）的测量结果做了比较。IRCON 74型红外测温仪的测温范围是-40℃～+800℃，工作波长为 8 μm～14 μm，发射率和物距可调，测量精度为±1℃。使用的锅具表面发射率约为0.91，实验中把锅内介质从室温加热到沸腾。图5是以TMP006红外测温装置测量数据所拟合的温升曲线。