消耗型光纖高溫測量儀的設(shè)計(jì)

　　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(jù)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。

　　隨著光纖技術(shù)的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)接觸式測溫提供了條件。接觸式光纖測溫即采用一根長的石英光纖作為測溫探頭與傳輸系統(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，提出了灰體測溫原理，采用比色法測溫，能大大降低發(fā)射率對測溫結(jié)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(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量儀，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(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 比色測溫原理

　　比色測溫是通過測量物體在兩個(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。一般被測對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，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，可以降低測量誤差。當(dāng)分別為800nm和1000nm時(shí)，相對靈敏度曲線如圖2所示。圖中曲線1的相對靈敏度較高，由此可知，應(yīng)選擇在800nm附近。根據(jù)光電探測器的光譜響應(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，比色測溫效果較好。

　　圖2 相對靈敏度與溫度的關(guān)系曲線

4 高溫測量儀的設(shè)計(jì)

　　高溫測量儀由光學(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、信號放大器、信號的處理與顯示輸出等部分。

　　圖3 測溫儀的結(jié)構(gòu)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(nèi)部溫度通過對光纖端面的輻射由光纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換及信號處理系統(tǒng)。由于光纖不宜直接插入到被測對象中，因?yàn)樵诠饫w插入到所需深度之前，光纖已經(jīng)被燒壞了，取出的信號就沒有意義了。為實(shí)現(xiàn)接觸測溫，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。所以在光纖測溫探頭的最前端設(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]。

　　由于是高溫測量，在高溫下，光纖每測量一次就會損壞一段，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轉(zhuǎn)換成電信號，然后送到信號處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。測量系統(tǒng)使用光纖分叉器，形成兩路光路。輸出的光信號經(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，最后由硅光電池接收并轉(zhuǎn)換為電信號。由于在測量現(xiàn)場存在著許多的噪聲，這些噪聲對測量系統(tǒng)會造成很大的影響，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)換后的電信號經(jīng)過濾波電路、放大器和信號處理電路按照儀器內(nèi)部算法校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y對象的溫度值，最后通過LED顯示出來。為了便于保存測量數(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，信號處理還應(yīng)考慮被測對象和測溫儀所處的環(huán)境條件對性能指標(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、鑄造爐等高溫測量領(lǐng)域，具有廣泛的推廣價(jià)值，經(jīng)濟(jì)效益顯著。