PET瓶多通道紅外測溫儀設計與實現

1.引言

隨著飲料類型和數量不斷增加，PET瓶的使用量不斷增長，特別 是近年來吹灌旋一體機的出現，使得PET瓶的生產取得了技術上的革命，國內生產廠家在競爭壓力增大的同時，也面臨著巨大的機遇。

目前，SIDEL、KRONES等國際性大公司在飲料包裝機械方面走在世界的前列，其吹灌旋聯合機系列產品的生產技術已相當成熟。目前來在國內說，廣州的達意隆TECH-LONG采用當今國際最先進的制瓶技術自主開發研制的PET小瓶形高速旋轉式吹灌旋一體機CPXX22。

目前PET瓶加熱控制系統中，采用PT100熱電阻溫度傳感器測量溫度，采集到的是加熱爐內空氣的溫度，而空氣溫度值只能作為一個參考溫度值，加熱爐中空氣的溫度和瓶胚的溫度是存在差異的，使用空氣溫度進行閉環控制，勢必影響到瓶胚加熱的精度，從而影響瓶胚的成型。

2.方案選擇

在吹灌旋一體機生產PET瓶的過程中，PET材料在加熱的過程中由于溫度的變化會出現幾種不同的狀態過程：玻璃化狀態、結晶狀態和熔化狀態[1-2]。因此瓶胚加熱溫度不能過低，過低PET材料不會軟化，纖維性不強，不能被加工；當然溫度也不能過高，不能達到玻璃化溫度點，更加不能達到熔點。因此對瓶胚加熱溫度精確測量和控制是相當重要的。

在實際的系統中，通常采用所謂的“四段爐體”和“九段加熱”工藝就是，結合PET材料的物理特性[3-4]，在加熱爐中采用紅外燈管發出的紅外線對瓶胚輻射加熱，因為受瓶胚質量、壁厚、高度和瓶形的影響，使用9層紅外線燈管，合理分配每層燈管的加熱功率。關鍵的問題是在瓶胚測量溫度必須是準確的前提條件下，如何精確的控制燈管加熱的平均電壓。

針對PET瓶溫度測量存在的問題，根據PET瓶胚加熱工藝以及PET材料相關特性，采用OPTEX(奧泰斯)SA-80T-4A型紅外溫度測溫儀作為主要測溫部件，九個測溫儀分別測量九段瓶身溫度；由于測溫儀輸出的是4～20mA的模擬信號，因此設計了實現多通道模擬信號轉換為數字信號的控制電路。九段溫度測量儀能精確測量到瓶胚的溫度，為爐溫控制提供了可靠的依據。系統設計總框圖如圖1所示。

3.測溫儀選型

3.1 紅外測溫原理

在自然界中，當物體的溫度高于絕對零度時，由于它內部熱運動的存在，就會不斷的向四周輻射電磁波，其中就包含了波段位于0.75μm～100μm的紅外線。紅外輻射的探測是將被測設備的輻射能轉換為可測量的形式，如對被測設備的熱效應進行熱電轉換來測量設備紅外輻射的強弱，或利用紅外輻射的光電效應產生的電信號的變化來測量紅外輻射的強弱，這樣就把紅外輻射的信號功率轉換成便于直接處理的電信號，進一步放大處理后，以數字信號形式，得到設備表面的溫度值。在設備熱狀態信息的紅外探測過程中，代表設備熱狀態的紅外輻射功率信號轉換成電信號的功能是由紅外探測器完成的[5-6]。

3.2 測溫儀的選型

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等部分組成。被測物體和反饋源的輻射線經調制器調制后輸入到紅外檢測器。兩信號的差值經反放大器放大并控制反饋源的溫度，使反饋源的光譜輻射亮度和物體的光譜輻射亮度一樣。測量出被測物體的亮度溫度。測溫傳感器采用薄膜熱電堆，Ge材料構成折射聚光系統，在探測器的前端放干涉濾光片（上述兩個波段）。原理圖如圖2所示。在選擇測溫儀的時要考慮到以下幾個指標。

3.2.1 測溫范圍

每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍，測溫范圍是測溫儀最重要的一個性能指標。因此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。根據黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此，測溫時應盡量選用短波較好。一般來說，測溫范圍越窄，監控溫度的輸出信號分辨率越高，精度可靠性容易解決。測溫范圍過寬，會降低測溫精度。PET材料瓶胚最佳吹瓶溫度為90-110℃，可將測溫范圍設定為0～400℃。

3.2.2 波長范圍

目標材料的發射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應波長對于高反射率合金材料，有低的或變化的發射率。紅外波段一般分為四部分，即近紅外0.75-3.0μm、中紅外3.0-6.0μm、遠紅外6.0μm～15.0μm和極遠紅外15.0μm～1000μm。1～3μm的近紅外波長適合高溫源(如鋼鐵、冶金、鑄造、陶瓷燒結、高溫化學反應、火箭尾氣等)的熱輻射，8.0-14.0μm的遠紅外波長適合低溫源(如人體、地物等)的熱輻射。其中8.0-14.0μm波段適合探測常溫到幾百度的輻射體。一般來說，可以采用3.43±0.05μm或7.95±0.10μm兩個波段來測溫。

表1 SA-80T-4A部分參數

圖1 系統框圖

圖2 測溫儀原理圖

圖3 濾波緩沖電路

根據PET材料紅外吸收特性，瓶胚最佳吹瓶溫度，以及瓶胚壁的厚度，選用7.95±0.10μm波段構成溫度測量系統。結合以上指標選用OPTEX(奧泰斯)SA-80 T-4A型紅外溫度測溫儀，該測溫儀的數據參數見表1。

4.多通道模擬量輸入模塊設計

4.1 模塊設計方案

本模塊采用了32位的ARM7微處理器作為主控芯片，Samsung公司的16/32位RISC處理器S3C44B0X是目前業內使用比較廣泛的一款芯片。此處理器提供了豐富的內置部件，包括：8KBcache，內部SRAM，LCD控制器，帶自動握手的2通道UART，4通道DMA系統管理器(片選邏輯，FP/EDO/SDRAM控制器)，帶PWM功能的5通道定制器，I/0端口等[7]。而A/D轉換電路采用了MAX1270，該芯片為8通道12位的ADC，可將8通道的數據串行傳送給控制器；為了保證采樣數據的準確性，采用LM258設計出放大濾波電路。同時為了與上位機的通信，采用MAX485芯片設計出了RS-485通信接口。

圖4 A/D轉換電路及高速光耦隔離

圖5 RS-485通訊接口

圖6 九段溫度測量儀

圖7 現場溫度采集結果

4.2 溫度測量值與實際溫度關系的建立

紅外測溫傳感器測得的是溫度電流信號（4～20mA），而A/D轉換芯片輸入值一般為電壓值，為了得到每段溫度測量的電壓值，在每段電流信號處并接510Ω基值電阻，由于傳感器測量的溫度范圍為0～400℃，對應的電流值為4～20mA，假設采集到的溫度電壓值為D，對應的溫度值為T，則有T=(D-2.05)*50，這樣就可以算到每段測量電壓值與溫度的線性關系。

4.3 濾波緩沖電路設計

在模擬信號的輸入端加鐵氧體磁珠，可以濾除高頻干擾，同時也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。在每個通道與地之間接有0.1uf電容以及6V8穩壓管。

放大濾波電路如圖3所示，采用MCP6022組成的放大濾波電路，該芯片含有兩路運算放大器，可同時對兩通道模擬量進行處理，實際上構成的一電壓跟隨器，起到對A/D轉換器與模擬量輸入端的隔離、緩沖的作用。

4.4 A/D轉換電路設計

MAX1270采用12位分辨率逐次逼近型算法，8通道輸入模擬電壓范圍為-10V～+10V，-5V～+5V；采樣速率為110kbps；內部提供4.096V基準電壓[8]，通過兩片芯片級聯的方式可以實現16通道模擬量的采集。A/D轉換電路原理圖如圖4所示，圖中為一通道的原理圖，通過編程模擬各通道數據采集SPI協議，用以實現SPI協議的MAX1270引腳都引至CPU的通用輸入輸出接口。MAX1270的參考電壓使用內部4.096V基準電壓，REF ADJ引腳通過0.01u f接至電源地。為了防止外部噪聲干擾CPU的正常工作，使用了6N137高速光耦進行光電隔離。目的是提高系統抗干擾性能，實現信號兩端電氣隔離。再設計該電路是要注意光耦的去飽和問題，根據6N137電氣手冊中關于輸出電壓與導通電流的關系曲線，在引腳A、K間選擇的電阻為1kΩ。

4.5 RS485通訊接口設計

通訊接口選用MAX485作為信號的轉換芯片。MAX485具有很強的驅動能力，抗干擾性能很好，采用差分輸出形式，差分輸出兩端最高能承受1KV的高壓。為了防止浪涌電壓對芯片的損壞，在兩根差分線間以及差分線與地之間都接有放電管BZ201進行高壓保護；同時在各差分線與地之間使用穩壓管TVS6V8進行高低壓保護；并且在每根差分線上各串聯了一個10歐姆1W的電阻，這樣通訊波形的質量有了很大的提升。為了防止信號輸入端和輸出端信號反射，在A，B兩差分線間各連接一個120歐姆匹配電阻，實現輸入與輸出端的阻抗匹配。電路如圖5所 示。

通過標準的485接口，可以很方便的通過數據通訊協議將爐溫采集到上位機，用于爐溫監測與控制。

5.試驗驗證

根據加熱爐和瓶胚的大小設計出九段溫度測量儀，如圖5所示。其中，現場的采集的溫度數據和設定的溫度比較如圖6所示，圖中對某一通道在90℃、95℃、100℃三種不同設定溫度值下，所測實際工況溫度測量溫度與預設的溫度基本一致。能使反饋控制誤差在±2℃范圍內。

6.結束語

在瓶胚加熱過程中，溫度采集是一個至關重要的部分，PET瓶胚的加熱溫度直接決定了瓶的成型，如果能準確快速的采集到加熱爐的實時工況溫度值，對爐溫的控制來說起到了決定性的作用。所以能否成功采集瓶胚的溫度是整個系統研發繼續進行的重要前提。

通過現場試驗測試，該測量儀性能可靠，能準確測量到瓶胚的溫度，并保證反饋控制誤差在±2℃范圍內。本文所設計的控制模塊，只給出了模擬量采集等電路，溫度控制、電源部分以及一些I/O接口沒有提及。本文提出了一種對瓶胚溫度測量的新方法，只是對瓶胚加熱控制工藝的一個環節，在吹瓶的過程當中還涉及到其他控制工藝，譬如需要良好的散熱系統，保證加熱爐內良好的加熱環境，將多余的熱量通過風機吹出到外部環境中，通過變頻器拖動風機，根據加熱爐內溫度環境來調控風機的風量。因此為了使瓶胚更好的成型，還需要外部的設備協同控制。這也是本方法進一步應用必須去解決的問題。

[1]Sriram R.Tharmapuram.Processing Characteristics of Blends of Poly(ethylene terephthalate)(PET)and Poly(ethylene naphthalate)(PEN)[D].The University of Toledo,2000:56-75.

[2]Al-AbdulRazzak,Jabarin S.A.Processing characteristics of poly(ethylene terephthalate),hydrolytic and thermal degradation[J].Polymer International,2002,51(2):164-173.

[3]Hu,Yun,Zhang,Ying.Application of sample-sample two-dimensional correlation spectroscopy to determine the glass transition temperature of poly(ethylene terephthalate)thin films[J].Applied Spectroscopy 2007,61(1):60-67.

[4]Dwayne E.Heard.Analytical Techniques for Atmospheric Measurement[M].Oxford:Blackwell Publishing Ltd.2006:72-84.

[5]晏敏.紅外測溫原理及誤差分析[J].湖南大學學報(自然科學版),2004.31(5):111-112.

[6]張壽明.紅外測溫儀在煙化爐溫度測量中的應用[J].控制工程,2003.10(4):382-384.

[7]ARM公司.ARM7TDMI-S(Rev4)技術參考手冊[Z].ARM公司,2000:5-20.

[8]閻石.數字電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2006:524-545.