一种复杂背景下较低温细金属丝非接触式测温方法

摘要

本发明公开了一种复杂背景下较低温细金属丝非接触式测温方法，步骤为：①利用非接触式测温装置测量得到当前环境下静止的退火金属丝的测量距离、背景温度、目标偏移量和发射率，并获得n组参考值W

说明书

技术领域

本发明属于温度测量与控制领域，具体涉及一种复杂背景下较低温细 金属丝非接触式测温方法。本发明所述的复杂背景是指铜丝表面周围的水 蒸气温度低于铜丝表面温度，但远高于常温，给非接触式测温带来严重干 扰；较低温是指温度低于550℃的条件，细金属丝是指横截面直径小于5mm 的金属丝。

背景技术

由于铜丝在高速运动，线径较小，发射率高，很难实现对其退火温度 的直接接触式准确测量，如果要准确测得铜线温度，需要研究探讨适合这 种复杂条件下高速运动金属丝的非接触式的测量方案。

现有技术中主要采用水蒸气红外吸收与辐射噪声背景下的金属丝热辐 射提取技术，以及有限像场中的高速移动与剧烈抖动金属丝红外像跟踪检 测技术。

金属丝热辐射提取技术中，铜丝退火段常以水蒸气(也有用氮气等惰 性气体，但成本高昂)予以保护，且水蒸气一般为常压蒸汽而呈水雾状包 围铜丝。①水蒸气对铜丝热红外辐射具有吸收效应；②常压水蒸气温度接 近100℃，其自身热红外辐射形成噪声背景干扰。

金属丝红外像跟踪检测技术中，为尽可能减少背景辐射干扰，一般要 求检测目标占据像场的2/3以上，但由于铜丝处于高速移动并伴有剧烈抖 动，易致检测目标像的频繁丢失。将退火温度控制模式由现有的定加热电 流、调控拉丝出线速度，改为定拉丝出线速度、调控加热电流。

在有限像场中，当被测温度较高时(大于700℃)，测温的准确度与测 温仪对像场的充满率没有明显关系，即测温的准确度对像场的充满率存在 不敏感性。而当被测温度较低时(小于550℃)，测温的准确度与测温仪对 像场的充满率有关，国内外暂时还没有这方面的研究，因此提出通过非接 触式测温仪对550℃以下的低温测量方法。

国内暂无完整的细金属丝低温测温的修正模型，修正模型包括对测量 距离、背景温度、目标偏移量和发射率4种影响因子对测温值的修正，比 较各影响因子对非接触式测温值偏差的影响程度，确定各自的误差修正系 数(加权系数)，为非接触式测温在高速运动金属丝领域的工业应用提供参 考。

发明内容

本发明提供了一种复杂背景下较低温细金属丝非接触式测温方法，旨 在将高速运动的细金属丝在低温段温度测量值逼近其真实值。

本发明提供的一种金属丝测温方法，其特征在于，该方法包括下述步 骤：

第1步利用非接触式测温装置测量得到当前环境下静止的退火金属丝 的四个参数，包括测量距离为l₀，背景温度为u₀、目标偏移量为p₀和发射率 为λ₀，设k为测量序号，k＝1，2，3，...，n，n为测量次数，m分别表示为l、u、 λ和p；每次调节其中一个参数，保持四个参数中的其它三个不变，分别采 用接触式测温仪和非接触式测温仪获得n组参考值W_mk和测量值T_mk，且W_mk保持不变，即W_lk＝W_uk＝W_λk＝W_pk；所计算得到对应的误差ΔT_mk＝T_mk-W_mk，其中， m分别表示为l、u、λ和p；

第2步利用非接触式测温装置测量得到当前环境下运动中的退火金属 丝的测量温度T_测量；

第3步根据插值算法，计算获得得到改变其中一个参数所引起的误差 ΔT_m，m分别表示为l、u、p和λ：

ΔT_m＝ΔT_m1+f[T_m1，T_m2](T_测量-T_m1)+f[T_m1，T_m2，T_m3](T_测量-T_m1)(T_测量-T_m2)+… +f[T_m1，T_m2，…，T_mn](T_测量-T_m1)(T_测量-T_m2)…(T_测量-T_m，n-1)，

其中，$f[T_{\mathrm{mi}},T_{\mathrm{mj}}]=\frac{{\mathrm{\Delta T}}_{\mathrm{mi}}-{\mathrm{\Delta T}}_{\mathrm{mj}}}{T_{\mathrm{mi}}-T_{\mathrm{mj}}},$

$f[T_{m1},T_{m2},···,T_{\mathrm{mk}}]=\frac{f[T_{m1},T_{m2},···T_{m,k-1}]-f[T_{m2},T_{m3},···,T_{\mathrm{mk}}]}{T_{m1}-T_{\mathrm{mk}}}$

第4步获取测量距离、背景温度、目标偏移量和发射率4种影响因子 导致退火温度测量值产生的综合偏差：

ΔT₀＝ω_pΔT_p+ω_uΔT_u+ω_λΔT_λ+ω_lΔT_l

其中，${\omega }_p=\frac{\left|{\mathrm{\Delta T}}_p\right|}{\left|{\mathrm{\Delta T}}_p\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_u\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_{\lambda }\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_l\right|},$${\omega }_u=\frac{\left|{\mathrm{\Delta T}}_u\right|}{\left|{\mathrm{\Delta T}}_p\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_u\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_{\lambda }\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_l\right|},$

${\omega }_{\lambda }=\frac{\left|{\mathrm{\Delta T}}_{\lambda }\right|}{\left|{\mathrm{\Delta T}}_p\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_u\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_{\lambda }\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_l\right|},$${\omega }_l=\frac{\left|{\mathrm{\Delta T}}_l\right|}{\left|{\mathrm{\Delta T}}_p\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_u\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_{\lambda }\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_l\right|}.$

第5步利用公式T_真实＝T_测量+ΔT₀，计算得到逼近铜线表面温度真实值的 温度T_真实。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明能修正非接触式测温领域中测量高速运动的细金属丝在低温段 温度测量值偏差过大的不足，以保证非接触式测温仪对高速运动的细金属 丝在低温段的测量精度。

在测温时针对细金属丝未完全充满像场的情况下，调节测量距离，取 得不同线径下测量距离的最佳值；缩小背景温度出现在像场中的面积，并 修正背景温度对细金属丝表面真实温度的干扰；当发射率改变时，可对不 同发射率影响下细金属丝表面真实温度进行修正；当测量目标发生抖动或 偏移时，能对偏移距离带来的测量误差进行修正。

综合上述修正方法，设定每个影响因子的修正权值，即可将高速运动 的细金属丝在低温段温度测量值逼近其真实值。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是测量距离与各温度段测量温度的关系曲线；

图3是考虑背景温度影响下测量温度与真实温度的近似度曲线；

图4是发射率与各温度段测量温度的关系曲线；

图5是目标偏移距离对测量温度的影响的实验原理图；

图6是目标偏移距离与各温度段测量温度的关系曲线；

图7是综合误差影响系数分布图；

图8是非接触式测温修正模型中的各项影响因子的权值实例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明 的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发 明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特 征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明方法包括下述步骤：

(1)在当前环境下且金属丝静止时获取测量距离、背景温度、目标偏 移量和发射率4种影响因子导致退火温度测量值产生偏差；

记当前环境下测量距离为l₀，背景温度为u₀、目标偏移量为p₀、发射率 为λ₀，按照下述方式分别获取改变测量距离l引起的误差ΔT_lk、改变背景温 度引起的误差ΔT_uk、改变发射率引起的误差ΔT_λk和改变目标偏移量引起的误 差ΔT_pk；

(一)测量距离的影响因子分析与修正过程：

在非接触式测温中，测量误差会随着距离的增大而增加，其所测的目 标表面温度也会变小。

设定背景温度u₀、目标偏移量p₀、发射率λ₀保持不变，调节测量距离l， 分别采用非接触式测温仪和接触式测温仪对同一铜丝表面温度进行测量， 以获得n组该铜丝表面温度的测量值T_lk与参考值W_lk，其中n为测量次数，k 为测量序号，k＝1，2，3，...，n。为保证其精度，n可取6-8组值为宜，W_lk的取值 范围取300-550℃为宜。

计算获得每组值对应的误差ΔT_lk＝T_lk-W_lk，其中k＝1，2，3，...，n；其中，设i、 j表示相邻两次测量的序号，即j＝i+1；

$f[=T_{\mathrm{li}},T_{\mathrm{lj}}]=\frac{{\mathrm{\Delta T}}_{\mathrm{li}}-{\mathrm{\Delta T}}_{\mathrm{lj}}}{T_{\mathrm{li}}-T_{\mathrm{lj}}},$为一阶差商；

$f[T_{l1},T_{l2},···,T_{\mathrm{lk}}]=\frac{f[T_{l1},T_{l2},···T_{l,k-1}]-f[T_{l2},T_{l3},···,T_{\mathrm{lk}}]}{T_{l1}-T_{\mathrm{lk}}},$为k阶差商；

(二)背景温度影响因子分析与修正过程：

由于在瞬时有效视场中，不仅有测量目标，同时还有背景温度的辐射 能量也进入了探测器，这些环境辐射能量是产生目标表面温度测量误差的 主要因素。

如图3，在相对理想的控制了其他误差影响因素的情况下，非接触式测 温仪与热电偶的测量值对比，两者变化趋势是一致的，目标表面温度越高， 背景温度误差影响指数也越大，其温度误差也越大。

设定测量距离l₀、目标偏移量p₀和发射率λ₀保持不变，调节背景温度u， 每次测量时，调节退火电流，采用接触式测温仪对同一铜丝表面温度进行 测量，使得到的铜丝表面温度即参考值W_uk＝W_lk，再利用非接触式测温仪对 同一铜丝表面温度进行测量，得到此时铜丝表面温度的测量值T_uk，k为测 量序号，k＝1，2，3，...，n，n为测量次数；

计算获取每组对应的误差ΔT_uk＝T_uk-W_uk，其中，设i、j表示相邻两次测 量的序号，即j＝i+1；

$f[T_{\mathrm{ui}},T_{\mathrm{uj}}]=\frac{{\mathrm{\Delta T}}_{\mathrm{ui}}-{\mathrm{\Delta T}}_{\mathrm{uj}}}{T_{\mathrm{ui}}-T_{\mathrm{uj}}},$为一阶差商；

$f[T_{u1},T_{u2},···,T_{\mathrm{uk}}]=\frac{f[T_{u1},T_{u2},···T_{u,k-1}]-f[T_{u2},T_{u3},···,T_{\mathrm{uk}}]}{T_{u1}-T_{\mathrm{uk}}},$k阶差商；

(三)发射率影响因子分析与修正过程：

由图4知，温度测量值是随着发射率的改变而趋近于线性变化的，而 且可以看到温度越高，线性拟合的斜率越大，即测量温度随发射率改变值 也越大，说明了温度越高，发射率对于测量误差的影响也就越大。

设定测量距离l₀、目标偏移量p₀、背景温度u₀保持不变，调节发射率λ， 每次测量时，调节退火电流，采用接触式测温仪对同一铜丝表面温度进行 测量，使得到的铜丝表面温度即参考值W_λk＝W_lk，再利用非接触式测温仪对 同一铜丝表面温度进行测量，得到此时铜丝表面温度的测量值T_λk，k为测 量序号，k＝1，2，3，...，n，n为测量次数；计算得到每组值对应的误差 ΔT_3k＝T_3k-W_3k，其中，设i、j表示相邻两次测量的序号，即j＝i+1；

$f[T_{3i},T_{3j}]=\frac{{\mathrm{\Delta T}}_{3i}-{\mathrm{\Delta T}}_{3j}}{T_{3i}-T_{3j}},$为一阶差商；

$f[T_{31},T_{32},···,T_{3k}]=\frac{f[T_{31},T_{32},···T_{3,k-1}]-f[T_{32},T_{33},···,T_{3k}]}{T_{31}-T_{3k}},$为k阶差商；

(四)目标偏移影响因子分析与修正过程：

对于高速运动的金属丝，特别是在线式铜线连续退火加工，其振动是 影响测温精度的重要因素之一。目标偏移量是指金属丝横截面中心偏离非 接触式测温仪目标瞄准点的距离。

如图5，线径1mm的金属丝相对测温仪水平放置，设金属丝中线延长 线为X轴，其中X轴表示与金属丝平行方向上测量目标偏离的距离，Y轴 表示与金属丝垂直方向上的测量目标偏离的距离，正数表示在实际情况下 瞄准点位于金属丝上方，负数表示在下方。则瞄准点垂直于金属丝偏离距 离与测量温度的关系如图6。

由图6知测量温度越高，目标偏离带来的误差越大。在铜线退火理想 温度段的振动误差影响也非常大，在应用上要减少瞄准偏差所带来的误差， 也要从机器硬件上尽量控制金属丝的振动幅度，在非接触式测温仪响应频 率与铜丝振动频率小很多的时候，其测量精度也会比较高，其目标振动误 差频率也会比较低。

设定测量距离、背景温度和发射率保持不变，分别记测量距离为l₀，背 景温度为u₀、发射率为λ₀，调节目标偏移量p，每次测量时，调节退火电流， 采用接触式测温仪对同一铜丝表面温度进行测量，使得到的铜丝表面温度 即参考值W_pk＝W_lk，再利用非接触式测温仪对同一铜丝表面温度进行测量， 得到此时铜丝表面温度的测量值T_pk，k为测量序号，k＝1，2，3，...，n，n为测量 次数；

计算得到每组值对应的误差ΔT_pk＝T_pk-W_pk，其中k＝1，2，3，...，n。

其中，设i、j表示相邻两次测量的序号，即j＝i+1

$f[T_{\mathrm{pi}},T_{\mathrm{pj}}]=\frac{{\mathrm{\Delta T}}_{\mathrm{pi}}-{\mathrm{\Delta T}}_{\mathrm{pj}}}{T_{\mathrm{pi}}-T_{\mathrm{pj}}},$为一阶差商；

$f[T_{p1},T_{p2},···,T_{\mathrm{pk}}]=\frac{f[T_{p1},T_{p2},···T_{p,k-1}]-f[T_{p2},T_{p3},···,T_{\mathrm{pk}}]}{T_{p1}-T_{\mathrm{pk}}},$为k阶差商；

(2)利用非接触式测温装置测量得到当前环境下运动中的退火金属 丝的测量温度T_测量；

(3)根据牛顿插值算法，得到改变其中一个参数所引起的误差，分别 获取改变测量距离l引起的误差修正值ΔT_l、改变背景温度引起的误差修正值 ΔT_u、改变发射率引起的误差修正值ΔT_λ和改变目标偏移量引起的误差修正 值ΔT_p。

根据牛顿插值算法，得到改变测量距离引起的误差修正模型为：

ΔT_m＝ΔT_m1+f[T_m1，T_m2](T_测量-T_m1)+f[T_m1，T_m2，T_m3](T_测量-T_m1)(T_测量-T_m2)+… +f[T_m1，T_m2，…，T_mn](T_测量-T_m1)(T_测量-T_m2)…(T_测量-T_m，n-1)，

其中，$f[T_{\mathrm{mi}},T_{\mathrm{mj}}]=\frac{{\mathrm{\Delta T}}_{\mathrm{mi}}-{\mathrm{\Delta T}}_{\mathrm{mj}}}{T_{\mathrm{mi}}-T_{\mathrm{mj}}},$

$f[T_{m1},T_{m2},···,T_{\mathrm{mk}}]=\frac{f[T_{m1},T_{m2},···T_{m,k-1}]-f[T_{m2},T_{m3},···,T_{\mathrm{mk}}]}{T_{m1}-T_{\mathrm{mk}}}$

通过牛顿插值算法进行曲线拟合，可以得到所需的ΔT_m，m分别表示为 l、u、λ和p。

第4步获取测量距离、背景温度、目标偏移量和发射率4种影响因子 导致退火温度测量值产生的综合偏差：

一方面，为了使模型的计算结果更加准确，需要进行很多实验测量， 得到实际数据，以得到合适的模型。另一方面，为了得到更加有利于工程 计算的模型，除了对一些影响因素进行近似的估算以外，还需要从其他方 面如装置硬件方面进行配合达到误差最小化。并设置不同因子在模型中的 影响程度大小，即误差影响权值，建立金属丝非接触式温度测量综合修正 模型。

对于高速振动的金属丝，其综合修正模型可以用以下公式表示：

ΔT₀＝ω_pΔT_p+ω_uΔT_u+ω_λΔT_λ+ω_lΔT_l

其中；ΔT₀表示非接触式温度测量综合修正值，ω_p，ω_u，ω_λ，ω_l分别为测量 距离、背景温度、发射率和目标偏移4个影响因子的误差影响系数，即不 同条件下的误差影响权值，这也决定了其在计算测量温度误差时各个因素 所占的比重。

${\omega }_p=\frac{\left|{\mathrm{\Delta T}}_p\right|}{\left|{\mathrm{\Delta T}}_p\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_u\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_{\lambda }\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_l\right|},$${\omega }_u=\frac{\left|{\mathrm{\Delta T}}_u\right|}{\left|{\mathrm{\Delta T}}_p\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_u\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_{\lambda }\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_l\right|},$

${\omega }_{\lambda }=\frac{\left|{\mathrm{\Delta T}}_{\lambda }\right|}{\left|{\mathrm{\Delta T}}_p\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_u\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_{\lambda }\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_l\right|},$${\omega }_l=\frac{\left|{\mathrm{\Delta T}}_l\right|}{\left|{\mathrm{\Delta T}}_p\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_u\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_{\lambda }\right|+\left|{\mathrm{\Delta T}}_l\right|}.$

由图7可知，不同条件的变化随温度变化得并不明显，但是可以明显 得出的是目标偏移对于测量误差的影响是最大的，其次是发射率的改变带 来的影响，背景温度和测量距离的改变所带来的误差相对来说比较小，通 过实验结果的综合考虑，得到不同条件对测量误差的影响系数。

第5步利用公式T_真实＝T_测量+ΔT₀，计算得到逼近铜线表面温度真实值的 温度T_真实。

实例：

如表一所示，参考温度为热电偶测得的一段铜线表面的参考温度值， 即表一的第1栏。

当背景温度为20℃，发射率为1，目标偏移为0时，改变测量距离， 红外比色测温仪所测得的数值为表一的第2栏。

由牛顿插值算法，得测量距离对红外比色测温仪测温的影响的修正算 法为：

ΔT_l＝8+0.077(T_测量-323)+2.78×10^-3(T_测量-323)(T_测量-375) -2.61×10^-5(T_测量-323)(T_测量-375)(T_测量-402)

当测量距离为500mm，发射率为1，目标偏移为0时，改变背景温度 温度，红外比色测温仪所测得的数值为表一的第3栏。

由牛顿插值算法，得背景温度对红外比色测温仪测温的影响的修正算 法为：

ΔT_u＝-36+1.8(T_测量-367)-3.21×10^-2(T_测量-367)(T_测量-387) -2.22×10^-4(T_测量-367)(T_测量-387)(T_测量-427)

当测量距离为500mm，背景温度为20℃，目标偏移为0时，改变发射 率，红外比色测温仪所测得的数值为表一的第4栏。

由牛顿插值算法，得发射率对红外比色测温仪测温的影响的修正算法 为：

ΔT_λ＝-25+0.077(T_测量-356)+8.08×10^-3(T_测量-356)(T_测量-408) -7.17×10^-5(T_测量-356)(T_测量-408)(T_测量-429)

当测量距离为500mm，背景温度为20℃，发射率为1时，改变目标偏 移量，红外比色测温仪所测得的数值为表一的第5栏。

由牛顿插值算法，得目标偏移对红外比色测温仪测温的影响的修正算 法为：

ΔT_p＝95-0.33(T_测量-236)-0.037(T_测量-236)(T_测量-320) +8.80×10^-4(T_测量-236)(T_测量-320)(T_测量-299)

表二表示不同条件下误差影响的系数，可得针对高速振动金属丝的辐 射温度测量修正模型中的各项影响因子的权值ω_p＝0.69，ω_u＝0.10，ω_λ＝0.12， ω_l＝0.09，如图8，同时也反应了其对最终误差产生的影响程度。之后将上述 得到的测量值T_测量，修正量ΔT_p，ΔT_u，ΔT_λ，ΔT_l以及对应的附加权值ω_p，ω_u，ω_λ，ω_l代 入下式，即可得到复杂背景下较低温细金属丝非接触式测温值的修正值。

T_真实＝T_测量+ΔT₀＝T_测量+ω_pΔT_p+ω_uΔT_u+ω_λΔT_λ+ω_lΔT_l

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施 例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等 效或修改，都落入本发明保护的范围。

表一

表二