《大型铸锻件》 ＨＥＡＶＹ ＣＡＳＴｌＮＧ ＡＮＤ Ｆ０ＲＧＩＮＧ Ｎｏ．２ Ｍａｒｃｈ ２０１２ 大型锻件锻造过程中 温度在线测量系统 刘海澜 张玉存 付献斌 （１．中国第一重型机械股份公司，黑龙江１６１０４２；２．燕山大学，河北０６６００４） 摘要：针对大型锻件在高温锻造过程中周围环境温度较高导致测温误差大的情况，设计了一种高精度的温 度在线测量系统。该系统能有效抑制热态锻件周围背景光辐射和环境光对测温精度带来的影响，提高测温精 度。通过实验验证了该测温系统的可行性，精度比一般红外测温仪高，满足在线测温要求。 关键词：大型锻件；红外测温；辐射 中图分类号：ＴＢ９２ 文献标识码：Ａ Ｏｎｌｉｎｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ Ｆｏｒｇｉｎｇｓ Ｄｕｒｉｎｇ Ｆｏｒｇｉｎｇ Ｌｉｕ Ｈａｉｌａｎ，Ｚｈａｎｇ Ｙｕｃｕｎ，Ｆｕ Ｘｉａｎｂｉｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｅａｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｅｒｒｏｒ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｈｉｇｈ ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ ｆｏｒｇｉｎｇ，ａ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｏｎｌｉｎｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｓ ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｌｉｇｈｔ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｈｏｔ－－ｓｔａｔｅ ｆｏｒｇｉｎｇ ａｒｅ ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｍｅａｓｕｒ－－ ｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｖｅｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｄｅ— ｍａｎｄ ｏｆ ｏｎｌｉｎｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｏｔｈｅｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｈｅｒ— ｍｏｍｅｔｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｒｇｅ ｆｏｒｇｉｎｇ；ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｒａｄｉａｔｉｏｎ 红外测温技术具有使用方便、快速、准确、非 接触、无损测量等优点，在现代工业生产中发挥着 重要作用¨ 。广泛应用于工业测温的双波长红 光谱辐射测量信息，经过数据处理得到目标真温 和材料光谱发射率 。上述测温方法有些理论 上确实能提高测温精度但缺乏实践，在一些特殊 大型测温环境放置超大面元黑体是不实际的，而 且由于被测对象本身状态的变化和周围复杂环境 外测温仪受被测物体比辐射率的影响小，能排除 中性介质（例如烟雾、灰尘等）对测温精度的影 响，抗干扰性强 。ｊ。张忠恒提出的双波长测温 方法在数学推导基础上找出了避开“辐射率修正 的干扰都直接影响双色信号的比值而产生温度误 差。有些方法虽然能提高测温精度，但测温仪结 构复杂，同时给计算和分析处理也增加了难度，实 用性差。 困难”的方法，弥补了红外测温仪准确度不高的 缺陷，可以精确测出被测对象温度 Ｊ。孙志远等 提出测温前先使用标准黑体对测温系统进行标 定，得到标定曲线Ｒ（ ）一 在测量目标的温度 时，在目标附近放置一个超大面元黑体来消除环 境反射辐射和大辐射等辐射量的影响，提高红外 测温系统的精度 Ｊ。赵玉刚等提出了通过改进 比色测温的算法来减小测温误差 。施德恒设 本文基于红外双谱色测温原理提出了一种高 精度的红外测温系统。该系统采用双通道结构通 过宽带滤光片和三级干涉滤光器结合对接受的红 外光谱进行滤波，得到两个单谱色光。该结构能够 充分的抑制锻件周围背景光和环境光源辐射，提高 信噪比，减小测温误差，更精确的得到锻件温度。 １红外测温系统 计的双波长高精度光纤测温仪通过分析仪器相对 温度的分辨率和灵敏度对仪器工作波长与波长带 宽进行了优化设计，提高测温精度 Ｊ。还有应用 于高温测量的多波长高温计，它是利用目标的多 收稿日期：２０１１～１Ｏ一１９ 整个系统分为四个模块：光学模块、测温模 块、信息处理模块、显示模块。该红外测温系统的 工作原理如图１所示。高温锻件表面辐射发出的 作者简介：刘海澜（１９６５一），男，高级工程师，从事钢铁冶炼工作。 基金项目：河北省科技支撑计划（１０２１２１４９） 红外波谱由光学模块的聚光镜收集，再经过散光 镜将光束变成平行光。经宽带滤光片可透过包括 ４３ Ｎｏ．２ Ｍａｒｃｈ ２０１２ 《大型铸锻件》 ＨＥＡＶＹ ＣＡＳＴＩＮＧ ＡＮＤ ＦＯＲＧＩＮＧ 预测波长的宽带光。宽带光到达分光片一部分透 过分光片进入三级干涉滤光器ａ，得到中心波长 为Ａ 的窄带光，再经过牛顿双反射镜和场镜将透 射光收集到红外探测器１；另一部分宽带光由分 光片反射经三级干涉滤光器ｂ，得到中心波长为 Ａ 的窄带光，最后收集到红外探测器２。然后将 通道和第２通道，第１通道的信号通过前置放大 和主放电路将信号放大后接人数据采集卡的一个 输入口，同样第２通道的信号通过前置放大和主 放电路将信号放大后接人数据采集卡的另一个输 入口。本系统选用ＮＩ的ＰＣＩ－６０７１Ｅ数据采集卡， 将采集到的数据信号通过ＰＣＩ总线连接计算机， 利用ＶＢ软件对信号进行实时分析处理，最终计 两个红外探测器探测到的不同波长的单谱色光信 号转变成电信号，分别接到信号处理系统的第１ 算出锻件温度。 图ｌ红外测温工作原理图 Ｆｉｇｕｒｅ １ Ｔｈｅ ｆｕｎｃ￣ｏｎａｌ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ２系统测温原理 单级干涉滤光片如图２所示，由两个石英板 构成，折射率为ｎ，两板的内表面平行，并镀有高 反射率膜层，组成一个具有高反射率表面的空气 层平行平板，空气层间隙为 。对辐射的红外光 谱具有干涉滤光的作用，可透过特定波长的光谱。 三级干涉滤光器如图３所示，它由三个不同空气 封装 不同间隙单级 干涉滤光片 图３三级干涉滤光器 Ｆｉｇｕｒｅ ３ Ｔｈｒｅｅ ｓｔａｇｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｌｔｅｒ 间隙的单级干涉滤光片组成。三个单级滤光片固 定封装壳内，通过设定三个单级干涉滤光片的间 隙，三个单级干涉滤光片有不同的透射光谱，相互 叠加后最终透过一单谱色光，同时各滤光片按 ６Ｏ。角放置，使其中的反射光偏离透射光的范围， 以免干扰。该结构充分的抑制了物体周围背景光 和环境光源的干扰，并保证了特定单色光的通过。 单级干涉滤光片滤波原理如图２所示，当一 束非单色光以６Ｏ。角入射，各光束在标准平面之 间来回反射形成一系列彼此光程差为２ｎｈｃｏｓ６０。 沿同一方向出射的透射光束。假设介质无吸收， 不考虑两外侧界面的反射时，设入射光振幅为Ａ， 入射光束在上界面入射点处初相位为零，即入射 光复振幅为Ｅｏ＝Ａｅ”。：Ａ，则各透射光的复振幅 分别为： ／，矗＝Ａｄ。 ｌ或＝Ａｄ２，。ｅ 图２单级干涉滤光片原理图 Ｆｉｇｕｒｅ ２ Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｓｔａｇｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｌｔｅｒ 式中，Ｅ ，Ｅ ，Ｅ，，…，Ｅ 为各透射光的复振幅；ｒ为 《大型铸锻件》 ＨＥＡＶＹ ＣＡＳＴＩＮＧ ＡＮＤ Ｆ０ＲＧＩＮＧ Ｎｏ．２ Ｍａｒｃｈ ２Ｏ１２ 高反射膜层反射率；ｄ为平行平板透射率； 为入 射光与透射光的相位差。 总透射光为所有这些透射光的和，即 ＥＤ＝ Ｅｉ ＝Ａｄ ｆ１＋ｒ２ｅ ＋ｒ４ｅｉ ＋ …＋ｒ （ｐ一 ｅｉ （ｐ一 ） ＋…） ：Ａｄ ）＝Ａ（ ） ｌ—ｒ ｅｌ一 ｅ 其中，Ｒ＝ｒ ，Ｄ：ｄ ，Ｒ＋Ｄ＝１。 则透射光强度为： ，．Ｉ壹 ＝ 。 一一 一一， 一１＋Ｒ 一２Ｒｃｏｓ￣ｐ 。 一．一 一＿２一一， （１一 ） ＋４Ｒｓｉｎ。（ ／２） 即 ，＝ 一（ １ 一） ＋４Ｒｓｉｎ ／ｚ。２ １『ｏ 其中， ＝４，ｒｒｎｈｃｏｓ６０。Ａ。 则单级干涉滤光片的透过率为： Ｄ＝ １＋ （１Ｒ） （ ） 一＾ 如果要求干涉滤光片的中心波长为Ａ。，即要 使波长为Ａ。透射率最大，须让ｓｉｎ ／２最小，即： ｓｉｎ ｑ＃２＝０，则得到 ＝２ｍ，ｔｒ。将 值代入 ＝ ４，ｒｒｎｈｃｏｓ６０。Ａ得： ｍｌ０＝２ｎｈｃｏｓ６０。（ ＝１、２、３…） 式中，ｍ为干涉级次。三级干涉滤光器由三个不 同间隙的单级干涉滤光片组成，即三级干涉滤光 器滤光作用是三个单级干涉滤光片叠加后的作用 效果。那么三级干涉滤光器要同时满足三个单级 干涉滤光片透过率公式，可透射三个单级滤光片 相互叠加后的光谱，其他光谱将被滤掉。 要测量高温锻件的温度，测温系统要求两个 通道分别透过波长为Ａ 和Ａ 的单色光，利用双 谱色测温原理求出温度。所测高温锻件温度为 ７００～１ ５００ｏＣ，所以选取近红外波谱范围的两个 波长分别为２．１２５ Ｉｘｍ和２．１５５ ｍ。本文选取宽 带滤光片透光波段为２．０６５ ｍ一２．２６５ ｍ，测 温系统接受到锻件辐射的红外波谱经两个通道的 滤光系统，滤出两个特定波长的单谱色光，分别由 两个红外探测器接受并转换成电压信号，得到两 单谱色光的辐射功率比，将其代人测温公式 ～：（ 一 ）× （ ｎ ｇ１ ６＿ｘＬ ＡＡ１） 即可得到锻件温度。又因为两波长非常接近，可 认为８ 一 ，三级干涉滤光器透过的特定光的半 波宽度△Ａ 、ＡＡ。非常窄，近似于单谱色光，故 △Ａ。、ＡＡ 可忽略。最终测温公式可简化为： ｃ：（ １一 １） １／１ Ｉｎ Ａｌｎ．￣ －Ａ１３实验验证 为了验证本文开发的测温系统的实用性和精 度值，对３０ＣｒＭｎ２Ｍｏ钢小锻件进行了测温实验。 实验仪器：红外探测系统，测温范围是５００～ １ ５５０ｏＣ；光电测温仪，测温范围是７００—１ ８００℃， 精度为０．０１％；计算机。 红外ｉ贝４温系统为本文开发的基于三级干涉滤 光器的大型锻件红外测温系统。该红外测温系统 两个通道的滤光系统为宽带滤光片和三级干涉滤 光器组成，透射波长分别为２．１２５ ｍ和２．１５５ ｍ。红外探测器采用ＤＰｂｓ３２００红外探测器，可 探测０．８ ｍ一３．２ ｍ波段的微弱红外辐射，光 敏面尺寸６ ｍｍ×６ ｍｍ，峰值波长ｔ＞２．１ Ｉｘｍ，时间 常数≤４ｏ０／ｘｓ，频率响应范围１００ Ｈｚ一１ ０００ Ｈｚ。 将光电测温仪的接触探头放在锻件表面，红 外测温系统对准锻件并和计算机连接好，然后对 从炉内取出的锻件进行实验测量。从中随机抽取 了１４组数据，测量数据如表２所示。 表１实验数据 Ｔａｂｌｅ １ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ 红外测温系统／℃ 光电测温仪／℃ 误差／０Ｃ ｌ １ ２６７．５ １ ２６９．１ １．６ ２ ｌ ２１０．２ １ ２１１．７ １．５ ３ ｌ Ｉ６２．１ Ｉ １６３．４ １．３ ４ １ １１２．８ １ １１４．０ １．２ ５ １ ０８８．６ ｌ ０８９．６ １ ６ １ Ｏ５５．５ ｌ Ｏ５６，６ １．１ ７ ｌ ０２１．３ １ ０２２．２ ０．９ ８ ９９３．０ ９９３．７ ０．７ ９ ９６１．８ ９６２．４ ０．６ １０ ９３３．３ ９３４．０ ０．７ １１ ８９９．９ ９０ｏ．７ Ｏ．８ １２ ８７５．０ ８７６．０ １ ｌ３ ８１２．７ ８１１．３ １．４ １４ ７５６．４ ７５７．５ １．１ （下转第４８页） ４５ Ｎｏ．２ Ｍａｒｃｈ ２０１２ 《大型铸锻件》 ＨＥＡＶＹ ＣＡＳ，ｎＮＧ ＡＮＤ Ｆ０ＲＧＩＮＧ ・ 表３ ＳＡ１８２钢的化学成分及气体含量检验结果 Ｔａｂｌｅ ３ Ｔｈｅ ｅｘａｍｉｎｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ａｎｄ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ＳＡ１８２ ｓｔｅｅｌ Ｃ Ｍｎ ＿ Ｐ Ｓ 质量分数，％ Ｓｉ Ｃｒ Ｍｏ ［Ｈ］ ［Ｏ］ ×１０—６ ｃＮ］ 熔炼分析 Ｏ．１１Ｏ 成品分析 ０．１１４ ０．４８６ ０．４９０ ０．ＯＯ９ ０．ｏ０７ ０．ｏ（）２ ０．ｏｏ２ ０．２６０ ０．２７７ ２．３５０ ２．３２０ １．０００ １．０３９ ０．９７０ ０．８９０ ３５．０ｏ０ ６４．４５０ ３３．５ｏｏ ６４．ｏｏＯ 表４ ＳＡ１８２钢力学性能检测结果 Ｔａｂｌｅ ４ Ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＳＡ１８２ ｓｔｅｅｌ 试验位置 切向 试验状态 正火＋回火 试验温度 室温 尺Ｐ０ ２／ＭＰａ ４６１ Ｒ ｎ．／ＭＰａ ６２３ Ａ（％） ２７．５ Ｚ（％） ８０．８ ＨＢＷ １８８ 模拟焊后热处理 室温 ４０３ ５７８ ２７．６ ７９．６ １８３．８ 学性能，说明工艺方案可行。 ４．２无损检测 控制，为后续的锻造及热处理起到保证作用；在热 处理过程中控制锻件的冷却速度，使得热处理取 １ｊ １ｊ对试制的３０件接管进行经过超声波、磁粉及 目视检验。检验结果无粗晶、疏松、白点等缺陷， 均满足技术要求。 ５结论 得较好效果。最终检验结果表明，产品质量完全 满足技术条件要求，产品试制成功。 参考文献 ［１］康大韬．大型锻件材料及热处理．北京：龙门书局，１９９８． ［２］ ＡＳＭＥ锅炉及压力容器委员会材料分委员会．ＡＳＭＥ锅炉及 通过对３０件接管的试制工作，确定了较为合 理的工艺方案。在冶炼初期对化学成分进行调整 压力容器规范第二卷材料Ａ篇铁基材料：中国￣ＡＳＭＥ规范 产品》协作网（ＣＡＣＩ）．２００４朊 编辑龙礼建 （上接第４５页） 参考文献 郑忠，何腊梅．红外测温技术及在钢铁生产中的应用［Ｊ］． 工业加热，２００５，３４（３）：２５—２９． 陈衡著．红外物理学［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９８５：３１ —精度是反映仪表误差大小的术语，测温系统 精度 ＝（△ ）／（Ａ ）×１００％（△ 为最大测 量误差；Ａ～为仪表量程）。根据表２测温结果计 算６＝１．６／８００×１００％＝０．２％，证明红外测温系 ４８． 邢向华．非制冷红外热成像测温技术与系统研究［Ｄ］．江 苏：南京理工大学，２００４． 张忠恒．双波长红外测温仪的研究［Ｄ］．天津：天津理工大 学，２００７． 统的精度满足测温要求。 ４结论 本文提出的基于三级干涉滤波器的红外测温 系统，利用宽带滤光片和三级干涉滤波器结合滤 光充分的抑制了锻件周围背景光和环境光源的干 扰，可降低因锻件周围环境升温引起的测温误差。 同时双通道系统透过近似于单色光的窄带光谱， 提高测温系统的精度。最后通过实验室测温实 孙志远，李清安，乔彦峰，等．提高红外测温系统测温精度的 研究［Ｊ］．仪器仪表学报，２００６，２７（６）：６７—６９． 赵玉刚，杨帆，周维芳．基于比色测温的温度场测量技术研 究［Ｊ］．微计算机信息，２００８，２４（８）：２９８—２９９． 戴景民，杨茂华，褚载祥．多波长辐射测温仪及其应用［Ｊ］． 红外与毫米波学报，１９９５，１４（６）：４６１－４６６． 王波，赵果荣．微控红外双色测温仪的应用［Ｊ］．包钢科技， ２００５，３１（１）：５６—５９． 验，验证了本文开发的红外测温系统精度达到 ｏ．２％，满足了大型锻件在线测温精度要求。 编辑龙礼建 ２０１２年机械工业产销增速仍将下降，预计１８％左右 中国机械工业联合会预计，在国际经济形势严峻，成 本上升压力长期存在等多重因素下，２０１２年我国机械工 业主要经济指标增速仍将有所下滑。全年产销增速预计 ４８ 在１８％左右，利润增速在１２％左右，出口增速在１５％左 右。 （摘自中国二重纪检监察网２０１２—２—１４）
