热轧线材生产红外测温存在问题分析与解决方案

袁国炳  邵齐年  李孟    （上海协同物理研究所）

   摘要：本文提出了目前在线材生产中应用红外测温所存在的问题，分析了产生原因和技术关键，阐述了解决途径和对策，对准确地测量控制工艺温度提供了帮助。

   关键词：红外测温  高速线材  预应力钢丝绳  热流式测温

   众所周知，目前众多的各类线材生产线，无论是从国外引进，还是国内自行设计的工程项目，广泛地应用红外测温技术。而准确地测量与控制工艺温度，对提高产品的质量与产量，无疑是致关重要的。

   尽管专家在设计中，作了精心的选型，适应性配备；但在实际应用中，因各类生产线的特性、工艺条件、现场环境等因素，存在着不可忽视的应用技术问题。有几个技术关键问题有待进一步探讨与提高，以求最佳效果。

   下面就目前在三个领域中[1、高速线材；2、预应力钢丝绳；3、金属细丝或光纤]，红外测温所遇到的技术关键及解决途径进行分析和探讨。

1、高速线材红外测温的技术关键

1.1 高速运行，响应时间快，线头过冲，形成高温虚假信号

    高速运行的线材头部通过红外测温点时，由于响应时间快，电路信号突变，产生一个所谓的温度“过冲”现象，此过冲幅度与线材速度相关，有时竟达100℃左右。显然，这是虚假信号峰，不表示实际温度值，应设法处理。

1.2 小目标抖动，水汽、氧化皮等干扰，形成温度虚假波动

    线材通常较细（Φ10-Φ5），其表面呈柱面（弧形），视场目标小，材料在轧线位置上存在一定抖动和位移，使信号难以捕捉，另外还有烟尘、水汽、氧化皮等多种干扰因素，使信号不稳定。所谓中间段的“波浪”现象，实际上不难理解，此波浪峰值为线材真实温度，所以不能以求平均值来拉平；但目前大多数厂家以延迟响应时间求平均值来处理，使部分信号值丢失，不能反映真实温度。

1.3 线尾部，因为要求得到比较平滑的温度读数值，一般均采用延长响应时间或用峰值调节功能来求得，因此，当目标已离开测量点时，电路无法快速响应，形成积分放电尾巴过长。此尾巴也是虚假信号，必须设法切除。

    对于上述的头、中、尾三段听产生的虚假信号，使红外测温不能快速准确地反映真实温度，因此应该进行必要的技术处理和改造。

有2种解决途径：（1）软件处理；（2）硬件改造。

    美国IRCON公司新型Modine3是智能化的，可以用软件方式来处理，但该产品的价格比较昂贵；而目前高线上大量配置的MROR、MRLR及一体化SR、SA等红外测温低度，尚存上述问题，没有引起足够的重视。美国IRCON公司中国分销/技术服务部，依托多年来对红外测温应用技术的研究、开发、综合现场技术服务的丰富经验，对大量应用于高线的MROR、MRLR及SR、SA等红外测量仪进行改进，增加一些专用于高线（热轧）测温的功能模块，成功地用硬件方式解决了上述三个难点。即：（1）线头“过冲”处理技术；（2）中间段“波浪”曲线的峰值调节技术；（3）线尾部的长尾切除技术。并且具有同时域及时处理的优点。

    经如此改进处理，取得真实温度的信号，确保温度测量控制系统的上位机采样的准确性。目前，已在杭钢高线、张家港联丰永联高线、南京钢厂中板热轧等多条生产线上应用，获得良好效果。

2、预应力钢丝、钢绞线红外测温的技术关键

    预应力钢丝、钢绞线生产线是目前红外测温仪参与闭环温度测量调节控制系统，应用最为成功的、有效的实例之一。在生产过程中红外测温一旦出现故障，整条生产线就停止生产。由此可见，红外测温在线材生产中的重要性。

2.1 问题的提出：低发射率（ε）的校准

    线材表面发射率（ε）的确定与真实温度的测量有直接关系。因为各类线材都不是理想的辐射体（黑体），均存在一个发射率（ε）参数的修正。预应力钢丝绳，尤其是镀锌线材，其表面呈光洁、光亮状态，发射率（ε）很低。选配专用测小目标的IRCON MR60系列红外测温仪，其灵敏度高，光学距离系数大（D/150）；但是线材表面的发射率（ε）的准确数值难以确定，线材又处于运动状态，有一定的的波动变化，难以确定ε值，不能测得准确的温度。因此，发射率（ε）的确定是红外测温的关键问题。

2.2 解决途径

    模拟线材生产现场加热方式，由接触式标准热电偶采集静态线材的温度信号，采用高精度控温系统来控制工艺温度点，从而用比对法来校准红外测温仪的发射率（ε）值。

必须指出二点：

（1）加热温度的控制设定值不能超过工艺温度控制点（如400℃），若超过此值（>400℃），则线材“过烧”，表面氧化，发射率（ε）值发生变化，温度测量不准。

（2）这种方式的加热的温度场分布必须均匀，测量控制点与对校准点的几何位置必须一致。

    美国IRCON公司中国分销/技术服务部，在这方面做了大量细致的实验工作，已能够根据送检样品和红外测温仪帮助用户及时地确定线材表面发射率（ε），校准红外测温仪，测得真实温度。

3、金属细丝、光导纤维的低温、小目标的温度测量

    高温（>250℃）线材，可用单色或双色（小目标）红外测温仪测温；然而，处于低温(<250℃)金属细丝、光导纤维的温度测量，无论是单色还是双色红外测温仪均无能为力；必须采用热流式测温仪（CHF）来解决低温细丝的测温问题。

3.1 CHF测温原理

    当细丝通过装有传感器的探头狭缝时，前后热量有损失，由探头后部分加热补偿，使热量达到平衡，从而根据数学模型推导（略）得出下算式：

T_P=T_A+E_A*[T_B-T_A]

         [E_A-E_B]

式中：

T_P=被测线材温度

T_A=CHF探头后部设定温度

T_B=CHF探头前部感应温度

E_A=CHF探头后部传感器测量温度

E_B=CHF探头前部传感器测量温度

由上述算式可得出被测细丝的真实温度。

由此可见，热流式测温（CHF）测得的温度与线丝速度、线丝直径（一定范围）、狭缝间隙及材料发射率（ε）均无关。因此，解决了低温、小目标、运动线丝的直实温度测量问题。

3.2 CHF热流式测温仪

    美国IRCON公司配有多种规格的CFH热流式测温仪的探头、分别适合光纤、金属细丝、钢缆、冷轧薄板，圆筒等的真实温度测量。测温范围：10-275℃

    上海耐克森--康华线缆有限公司、上海朗迅光纤有限公司、南京华新滕仓光纤有限公司、成都中住光纤有限公司等单位的线材生产线上，先后配置了CHF热流式测温仪，应用效果良好。

    综上所述，红外测温在线材生产领域中，虽然具有不少优势：即能非接触地测量远距离、运动小目标物体的温度，且响应时间快，不干扰温场等特点。但是，对于各种不同应用场合，要针对具体的存在问题，作出相应的正确处理，才能够使红外测温准确反映真实的工艺温度。

4、典型应用配置（表）

作者简介：

袁国炳，1948年12月出生，工程师，上海协同物理研究所所长。

邵齐年，1941年3月出生，上海协同物理研究所高级工程师。

李孟，1964年9月出生，上海协同物理研究所工程师。