基于主從式雙處理器的光纖比色測溫儀軟件設計
2013-11-29
基于主從式雙處理器的光纖比色測溫儀軟件設計
發布時間2008-6-16
李華民 黃啟俊 熊 江 戴 峰 何民才
摘要：介紹一種基于ＤＳＰ和ＭＣＵ雙處理器的內調制光纖比色測溫儀的設計原理。測溫儀以ＡＴ８９Ｃ５５和ＴＭＳ３２０Ｆ２０６為核心，對內調制光電探測器進行線性補償和溫度補償，并加入比輻射率的修正。本系統能夠對環境溫度變化大、周圍環境惡劣的高溫物體進行高精度的溫度測量。
關鍵詞：內調制光電探測器 主從式雙處理器 單片機 數字信號處理器 數字溫度傳感器 比色測溫
在冶金、鋼鐵、建筑材料、化工等眾多行業中，溫度是確保順利生產和質量控制的重要參數。溫度測量直接關系到產品的質量，關系到生產成本。熔融狀態下，鋼、鐵溫度在１２００℃以上，主要測量方法有接觸式的金屬熱電偶溫度計和非接觸式的輻射溫度計。內調制光電管１利用內調制機制，把高溫物體輻射出的光信號直接轉化為受調制的交流信號，方便了后級放大處理，簡化了測試設備，克服了直流放大的缺點，為提高系統信噪比和可靠性奠定了基礎。筆者對利用內調制探測器進行高溫測量開展了多年的應用研究，并研制出了基于單片機的光纖比色溫度儀２，基本上能完成溫度測量的功能。從武鋼連鑄、濟鋼轉爐等生產現場的使用情況看，儀器還可以進一步改進。由于單片機先天數據處理能力不足，當要建立較為完善的處理模型，例如進行線性補償及溫度補償３４、發射系數修正、甚至進行四比色測溫時，面對大量的數據要進行復雜快速的處理，單片機已不可能實現實時測溫。引入ＤＳＰ對數據進行高效處理，強有力地提升了測溫儀的功能。采用主從式雙處理器結構能較好地解決這些問題，并且還具有進一步開發的潛力。
１ 系統測溫原理
從經典物理學的觀點看，任何黑體都會向外輻射能量，其輻射出度與溫度及波長有關，具體有普郎克定律和維恩定律描述。而物體的比色溫度簡稱色溫是指如果黑體與實際物體在某一光譜區內的兩個波長下的單色亮度之比相等，則黑體的溫度為實際物體的顏色溫度。
根據比色測溫原理，假設兩路不同波長輻射轉換后的光電流分別為Ｉ１和Ｉ２，Ｔ為待求溫度，則可以寫出：
Ｉ１＝Ｍλ１Ｄ１ (１)
Ｉ２＝Ｍλ２Ｄ２ (２)
式中，Ｍ是單色輻射出度，由維恩近似公式得到
由此可以得到：
Ｄ１和Ｄ２分別為兩路系統的系數，Ｃ１和Ｃ２分別為普朗克第一、第二輻射常數。當λ１和λ２兩單色波長接近時，求出兩路光強比值，即可以計算出被測物體的溫度Ｔ。
２ 系統結構及設計
２．１ 系統的信號處理總體流程
測溫儀系統主要由內調制光電探測器、前置模擬處理部分和以單片機、ＤＳＰ為核心的雙處理器控制及處理部分構成。
內調制光敏探測器輸出的微弱電信號由前置模擬電路處理，得到與光強成正比的電壓信號；兩路光電信號由兩個獨立的１６位高精度模數轉換器ＭＡＸ１９５同步采集，同時數字溫度傳感器ＤＳ１８Ｂ２０得到環境溫度數據，單片機將這些數據傳遞給ＤＳＰ；ＤＳＰ再根據事先設定的修正模式及參數經過運算處理后，得到被測溫度數據，反饋給單片機；由單片機根據用戶的操作將溫度數據輸出到ＬＥＤ、微型打印機、上傳給微機或者通過Ｄ／Ａ轉換以電流形式輸出給監控儀表。
２．２ 測溫儀硬件結構
測溫儀硬件結構如圖１所示。
２．３ 系統的軟件設計
系統軟件由兩部分組成：作為主機的單片機ＭＣＵ部分主要完成系統的外部接口、控制功能；作為從機的數字信號處理器則通過主機傳送來的各種數據通過一系列修正模型計算出溫度，然后將結果返回給主機。這樣將原本由單片機處理需要花費很長時間的數學模型計算交給ＤＳＰ，讓ＭＣＵ和ＤＳＰ各取所長，使得整個系統計算溫度的速度大大提高，提高了測溫儀的實時響應特性。系統軟件主體流程如圖２所示。
２．３．１ 單片機ＭＣＵ部分
單片機主要負責信號的采集和人機接口。主要包括Ａ／Ｄ采集和轉換模塊、與數字溫度傳感器ＤＳ１８Ｂ２０的接口模塊、顯示模塊以及鍵盤輸入處理模塊。
２．３．２ 數字信號處理器ＤＳＰ部分
由于光敏管具有非線性特性，此外還受環境溫度的影響，因此，為提高測量精度，不僅要對其非線性進行校正，還要對其溫度特性進行補償，這就導致其數字信號修正表是二維的。大量實驗結果表明，內調制光敏管的輸出特性隨溫度變化的漂移相對其非線性較小，故先校正非線性特性，再對溫度進行補償，如圖３所示。
設被測物體輻射出的光信號經過內調制光敏管轉換后變成微弱電壓信號，再由放大器放大，然后經Ａ／Ｄ轉換得到的結果為Ｖｉ，測得環境溫度為Ｔｉ，假設Ｔ１≤Ｔｉ≤Ｔ２，對應于修正表中的位置查表可以得到：在Ｔ１環境溫度時處于Ｖ１、Ｖ２之間，在Ｔ２溫度時處于Ｖ１′、Ｖ２′之間，分別查表得到光強值Ｐ１、Ｐ２和Ｐ１′、Ｐ２′，于是插值得到Ｐｉ、Ｐｉ′。
Ｐ為插值校正后的值，內調制光電探測器輸出電流Ｉ與光強值Ｐ成正比，代入公式（５）便可以得到物體的色溫
雖然選取兩個接近的波長作為測溫儀的工作波段，希望兩個波長處的單色輻射率近似相等，使得非黑體的色溫與它的實際溫度相等。但作為高精度的測量，仍不能忽視在冶金行業等工業生產過程中，有某些金屬材料的輻射率隨波長的增加而減少，即所測的色溫高于物體的真實溫度。為了得到更精確的測量結果，必須考慮比輻射率的修正?？紤]到實際被測物體為非黑體，可以得到２：
其中，Ｔ為非黑體的色溫，Ｔ′為非黑體的實際溫度。通過（９）式的修正，可以得到更為精確的結果。
２．３．３ 針對不同測溫對象的模式處理
可以說，經過線性補償、環溫補償以及各種修正的加入后，儀器已經能應付絕大部分高溫測量的需要。但在某些特定的應用中，仍需根據現場的特殊環境和要求使測溫儀能夠更好地適應不同的環境。
（１）連鑄現場鋼板測量模式：高溫的鋼板上會有塊狀的氧化層附著，氧化層的溫度相比鋼板的表面溫度要低得多。在生產中需要測量鋼板表面的溫度，而不是附著在其上的塊狀氧化層的溫度。因此如果不做任何處理，那么測溫儀的示值與鋼板表面的溫度肯定是不相符的。這種情況下，在ＤＳＰ的數字濾波處理程序上必須能夠除掉氧化層的影響。
（２）轉爐鋼水溫度測量模式：程序通過信號的檢測，判斷出轉爐的生產工作狀態。當轉爐轉動到一定角度時系統開始測量，在轉爐回轉之前可以通過分析信號準確得出鋼水的溫度，而不是爐內鋼渣等其他干擾物質的溫度。將此溫度值保持到下次轉動爐體出鋼，以便工人記錄操作。由于現場干擾信號較大，要求軟件能剔除大量干擾信號。出鋼時爐口有大量的煙塵、熾熱的火焰，為得到鋼水的溫度，程序把連續測量的溫度值存儲下來后，利用統計誤差修正的方法對大量數據進行處理，得到接近真實情況的溫度值。
３ 實驗結果
測溫儀由武鋼溫度計量實驗室的高溫黑體輻射爐進行標定，標定后對黑體爐的溫度進行測量。在９００°Ｃ～１７００°Ｃ的測量范圍內，與黑體爐的比照結果，測溫儀的測量精度在±１°Ｃ。
通過實驗室測試和現場使用情況看，本雙處理器系統響應速度快（響應時間小于１５ｍｓ）、使用壽命長、抗電磁干擾、靈敏度高，使用范圍一般為９００°Ｃ～１７００°Ｃ，在一定程度上能克服少量的煙霧、水汽和粉塵的影響，已經在濟南鋼鐵廠轉爐鋼水溫度測量中取得了初步的應用。通過調整軟件，能夠完成許多特殊環境下的在線測量，在傳統的高溫測量領域有著十分廣闊的應用前景.
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