消耗型光纖高溫測量?jì)x的設計

　　1 引言

　　在航天、材料、能源、化工、冶金等領(lǐng)域中，高溫測量占有及其重要的地位。目前，在高溫測量中，根據測量探頭是否與被測對象接觸，測溫儀器分為接觸式和非接觸式兩種。

　　隨著(zhù)光纖技術(shù)的出現，為實(shí)現接觸式測溫提供了條件。接觸式光纖測溫即采用一根長(cháng)的石英光纖作為測溫探頭與傳輸系統，使儀器遠離環(huán)境惡劣的現場(chǎng)，同時(shí)，光纖光路不受環(huán)境氣氛的影響，大大提高了測溫系統的環(huán)境適應能力。但由于探頭采用一般的輻射接收原理，仍難以解決發(fā)射率困擾問(wèn)題。為克服這一難題，提出了灰體測溫原理，采用比色法測溫，能大大降低發(fā)射率對測溫結果的影響，在最佳條件下，該影響可降至零。這樣測溫的好處是測溫響應速度快，響應速度為10s左右[3]。

　　本文開(kāi)發(fā)的消耗型光纖高溫測量?jì)x，克服了上述缺點(diǎn)，是一種全新的測量熔融金屬溫度的方法。其測溫精度與消耗型熱電偶相同，但測溫費用卻大幅度降低，有著(zhù)巨大的經(jīng)濟效益，完全可以取代消耗型熱電偶。

　　2 比色測溫原理

　　比色測溫是通過(guò)測量物體在兩個(gè)不同波長(cháng)處的輻射亮度之比來(lái)確定物體溫度的方法，其特點(diǎn)是可以消除測量路徑上的大氣、煙霧、灰塵、環(huán)境溫度等因素所帶來(lái)的干擾。

　　3 工作波長(cháng)的選擇

　　由式(3)可見(jiàn)，正確選擇波長(cháng) 和是至關(guān)重要的。一般被測對象的光譜輻射亮度與波長(cháng)和溫度都有關(guān)，如圖1所示。圖中的縱坐標表示黑體的輻射亮度，橫坐標表示波長(cháng)，曲線(xiàn)從下至上溫度越來(lái)越高。

　　從圖中曲線(xiàn)可以看出黑體輻射的幾個(gè)特性：(1)總的輻射亮度隨溫度的升高迅速增加，溫度越高光譜輻射亮度越大;(2)當溫度一定時(shí)，光譜輻射亮度隨波長(cháng)的不同按一定規律變化，曲線(xiàn)有一個(gè)極大值，此處的波長(cháng)定義為，當波長(cháng)小于 時(shí)，輻射亮度隨波長(cháng)增加而增加，當波長(cháng)小于時(shí)，變化規律相反;(3)溫度增加時(shí)，光譜輻射亮度的峰值波長(cháng)向短波方向移動(dòng)，物體的輻射亮度增加，發(fā)光顏色也發(fā)生改變。

　　初步將波長(cháng)范圍定在800～1000nm，并且在該范圍波段上不存在水蒸氣的主要吸收帶，可以降低測量誤差。當分別為800nm和1000nm時(shí)，相對靈敏度曲線(xiàn)如圖2所示。圖中曲線(xiàn)1的相對靈敏度較高，由此可知，應選擇在800nm附近。根據光電探測器的光譜響應與溫度的關(guān)系，要求 擁有良好的線(xiàn)性關(guān)系，根據線(xiàn)性關(guān)系，取 在950nm附近為好。

　　經(jīng)過(guò)實(shí)驗，最后選擇 =890nm， =940nm，比色測溫效果較好。

　　圖2 相對靈敏度與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)

4 高溫測量?jì)x的設計

　　高溫測量?jì)x由光學(xué)部分和電路部分組成，如圖3所示，包括高溫探頭、光電轉換部分、信號放大器、信號的處理與顯示輸出等部分。

　　圖3 測溫儀的結構框圖

　　測量時(shí)，要將消耗型光纖高溫測量儀的光纖端頭浸入到被測熔融金屬液中，插入深度約40cm。被測金屬液內部溫度通過(guò)對光纖端面的輻射由光纖傳輸到光電轉換及信號處理系統。由于光纖不宜直接插入到被測對象中，因為在光纖插入到所需深度之前，光纖已經(jīng)被燒壞了，取出的信號就沒(méi)有意義了。為實(shí)現接觸測溫，必須設計一個(gè)光纖的保護設施，這個(gè)設施不僅要耐高溫，還要能透過(guò)紅外線(xiàn)，使光纖可以順利取出光信號。所以在光纖測溫探頭的最前端設置了一段耐高溫導管，這樣既保護了物鏡等監測系統，又能夠保證探頭可以插入到金屬液中，消除了煙氣和熔渣的干擾。一般耐高溫導管可用的耐火料有剛玉、石墨、金屬陶瓷、碳化硅、三氧化二鋁等，最后選取了透紅外陶瓷-鎂鋁尖晶石，其熔點(diǎn)為2080 C，在900～1100nm的紅外透過(guò)率約為79～80%，是一種耐熱沖擊、能長(cháng)期耐雨蝕和耐磨損的高強度紅外窗口材料和整流罩材料[4]。

　　由于是高溫測量，在高溫下，光纖每測量一次就會(huì )損壞一段，因此還要設計一個(gè)合理的光纖導入和切斷系統。

　　光電轉換系統的功能就是將光信號轉換成電信號，然后送到信號處理系統進(jìn)行處理。測量系統使用光纖分叉器，形成兩路光路。輸出的光信號經(jīng)過(guò)兩個(gè)窄帶干涉濾波片得到兩路波長(cháng)分別為和的光信號，最后由硅光電池接收并轉換為電信號。由于在測量現場(chǎng)存在著(zhù)許多的噪聲，這些噪聲對測量系統會(huì )造成很大的影響，因此必須要設計一個(gè)合適的濾波電路來(lái)濾掉這些噪聲。轉換后的電信號經(jīng)過(guò)濾波電路、放大器和信號處理電路按照儀器內部算法校正后轉變?yōu)楸粶y對象的溫度值，最后通過(guò)LED顯示出來(lái)。為了便于保存測量數據，還設計了打印機接口電路，將數據打印出來(lái)進(jìn)行比較、分析和處理。除此之外，信號處理還應考慮被測對象和測溫儀所處的環(huán)境條件對性能指標的影響和修正方法。

　　為了防止控制溫度過(guò)高，還設計了報警電路，當溫度超過(guò)設定值時(shí)，進(jìn)行聲光報警[5]。

　　5 結束語(yǔ)

　　消耗型光纖高溫測量儀安裝方便，其外部結構與熱電偶結構相同，可用于煉鋼爐、鍋爐、鑄造爐等高溫測量領(lǐng)域，具有廣泛的推廣價(jià)值，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。