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[導(dǎo)讀]   1 引言   在航天、材料、能源、化工、冶金等領(lǐng)域中,高溫測(cè)量占有及其重要的地位。目前,在高溫測(cè)量中,根據(jù)測(cè)量探頭是否與被測(cè)對(duì)象接觸,測(cè)溫儀器分為接觸式和非接觸式兩種。   隨著光纖技術(shù)

  1 引言

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

  隨著光纖技術(shù)的出現(xiàn),為實(shí)現(xiàn)接觸式測(cè)溫提供了條件。接觸式光纖測(cè)溫即采用一根長的石英光纖作為測(cè)溫探頭與傳輸系統(tǒng),使儀器遠(yuǎn)離環(huán)境惡劣的現(xiàn)場,同時(shí),光纖光路不受環(huán)境氣氛的影響,大大提高了測(cè)溫系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)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)射率困擾問題。為克服這一難題,提出了灰體測(cè)溫原理,采用比色法測(cè)溫,能大大降低發(fā)射率對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響,在最佳條件下,該影響可降至零。這樣測(cè)溫的好處是測(cè)溫響應(yīng)速度快,響應(yīng)速度為10s左右[3]。

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

  2 比色測(cè)溫原理

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

  

  3 工作波長的選擇

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

  從圖中曲線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(dāng)溫度一定時(shí),光譜輻射亮度隨波長的不同按一定規(guī)律變化,曲線有一個(gè)極大值,此處的波長定義為,當(dāng)波長小于 時(shí),輻射亮度隨波長增加而增加,當(dāng)波長小于時(shí),變化規(guī)律相反;(3)溫度增加時(shí),光譜輻射亮度的峰值波長向短波方向移動(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(cè)量誤差。當(dāng)分別為800nm和1000nm時(shí),相對(duì)靈敏度曲線如圖2所示。圖中曲線1的相對(duì)靈敏度較高,由此可知,應(yīng)選擇在800nm附近。根據(jù)光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)與溫度的關(guān)系,要求 擁有良好的線性關(guān)系,根據(jù)線性關(guān)系,取 在950nm附近為好。

  經(jīng)過實(shí)驗(yàn),最后選擇 =890nm, =940nm,比色測(cè)溫效果較好。

  

  圖2 相對(duì)靈敏度與溫度的關(guān)系曲線

4 高溫測(cè)量儀的設(shè)計(jì)

  高溫測(cè)量儀由光學(xué)部分和電路部分組成,如圖3所示,包括高溫探頭、光電轉(zhuǎn)換部分、信號(hào)放大器、信號(hào)的處理與顯示輸出等部分。

  

  圖3 測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)框圖

  測(cè)量時(shí),要將消耗型光纖高溫測(cè)量儀的光纖端頭浸入到被測(cè)熔融金屬液中,插入深度約40cm。被測(cè)金屬液內(nèi)部溫度通過對(duì)光纖端面的輻射由光纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換及信號(hào)處理系統(tǒng)。由于光纖不宜直接插入到被測(cè)對(duì)象中,因?yàn)樵诠饫w插入到所需深度之前,光纖已經(jīng)被燒壞了,取出的信號(hào)就沒有意義了。為實(shí)現(xiàn)接觸測(cè)溫,必須設(shè)計(jì)一個(gè)光纖的保護(hù)設(shè)施,這個(gè)設(shè)施不僅要耐高溫,還要能透過紅外線,使光纖可以順利取出光信號(hào)。所以在光纖測(cè)溫探頭的最前端設(shè)置了一段耐高溫導(dǎo)管,這樣既保護(hù)了物鏡等監(jiān)測(cè)系統(tǒng),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(dǎo)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的紅外透過率約為79~80%,是一種耐熱沖擊、能長期耐雨蝕和耐磨損的高強(qiáng)度紅外窗口材料和整流罩材料[4]。

  由于是高溫測(cè)量,在高溫下,光纖每測(cè)量一次就會(huì)損壞一段,因此還要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的光纖導(dǎo)入和切斷系統(tǒng)。

  光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),然后送到信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。測(cè)量系統(tǒng)使用光纖分叉器,形成兩路光路。輸出的光信號(hào)經(jīng)過兩個(gè)窄帶干涉濾波片得到兩路波長分別為和的光信號(hào),最后由硅光電池接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于在測(cè)量現(xiàn)場存在著許多的噪聲,這些噪聲對(duì)測(cè)量系統(tǒng)會(huì)造成很大的影響,因此必須要設(shè)計(jì)一個(gè)合適的濾波電路來濾掉這些噪聲。轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過濾波電路、放大器和信號(hào)處理電路按照儀器內(nèi)部算法校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)對(duì)象的溫度值,最后通過LED顯示出來。為了便于保存測(cè)量數(shù)據(jù),還設(shè)計(jì)了打印機(jī)接口電路,將數(shù)據(jù)打印出來進(jìn)行比較、分析和處理。除此之外,信號(hào)處理還應(yīng)考慮被測(cè)對(duì)象和測(cè)溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)性能指標(biāo)的影響和修正方法。

  為了防止控制溫度過高,還設(shè)計(jì)了報(bào)警電路,當(dāng)溫度超過設(shè)定值時(shí),進(jìn)行聲光報(bào)警[5]。

  5 結(jié)束語

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


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