红外空芯光纤辐射温度计的研制及应用

　　温度可以真实地反映出设备的运行状态及整体结构设计是否合理,这项参数的测量对于大型发电机尤为重要.对于发电机定子来说,通常可以采用热电偶等接触式测温方法,但对于转子和轴套来说,却很难实现测温目的[1-3].工作过程中发电机的转子和轴套都要做高速旋转,因此接触式测温方案无法实现;电机内部空间非常狭窄,且存在强电场、强磁场和其它强干扰因素,因此市场上现有的红外测温仪也不适用.为解决这一测量难题,本文设计和研制了两套红外空芯光纤辐射温度计,并对某冲击发电机的轴套温度进行了现场监测,取得了满意结果.

　　1　系统构成

　　红外空芯光纤温度计主要由红外光纤、探测器、前置放大电路和80C552单片机几部分组成[4].电机外部至轴套间狭缝的最大宽度为8 mm、长为1.5 m,只能利用红外空芯光纤对轴套的辐射能进行收集,并传输到红外探测器端.由轴套发出的红外辐射波长对应于常温或热轴初期温度大约为10μm左右,普通的红外光纤已经无能为力,因此本文选用了最近发展起来的一种远红外特殊光纤———红外空芯玻璃光纤.它在8~14μm红外波段的传输率达到83.3%,在10.6μm波长下的传输率高达89.91%,完全符合本文所选的工作波长的要求.探测器选用的是薄膜热电堆———TS-1NAB,该探测器具有成本低、稳定性高、无需调制等优点,7~14μm波长范围内的光导率超过70%.为了对探测器输出信号进行放大,本文设计了以ICL7650为核心的前置放大电路,它具有低失调、低温漂、高增益、共模抑制比及电源电压抑制比高、直流特性接近于“理想”等特点.80C552单片机的主要任务是完成对红外探测器输出信号的采集、数据处理、输出显示、4~20 mA电流输出及与上位计算机的数据通信和报警等功能,温度计的整体框图如图1.

　　在发电机工作过程中,根据工况变化需要对转子施加不同强度的冷却风进行降温,这使得探测器的工作环境温度有很大的波动,对探测器的输出信号也有很大影响[5].本文通过一个用半导体制冷的特制控温箱控制热电堆的工作环境温度,使其只能在一个较小的温度范围(25~60℃)内变化(外界环境温度为25~220℃),然后再通过数据处理的方法消除环境温度对测量结果的影响[6].

　　2　温度测量原理

　　自然界中温度高于绝对零度的一切物体每时每刻都在进行着红外辐射,正是这种载有物体特征信息的辐射能为探测和识别各种目标提供了客观基础[7].史蒂芬-玻尔兹曼定律给出了绝对黑体辐射光谱辐射出度Mb的光谱分布计算公式[8]

　　式(1)中,Mb为绝对黑体的辐射出度; T为热力学温度;σ为史蒂芬-玻尔兹曼常数.