亮度式光纤高温测量仪的研制

　　0　引　言

　　随着科学技术的发展,对温度的测量尤其是高温的检测提出了越来越高的要求。传统的测量方法,如热电偶、辐射式温度计、光学高温计等均不满足在金属加工过程中或具有强腐蚀、强电磁干扰的环境中对高温测量的要求,而光纤测量由于具有体积小、重量轻、可挠、抗电磁干扰、防爆防燃等特点,可满足冶金、化工、电力、建材等诸多领域对温度测量的要求。本文介绍的亮度式光纤高温测量仪测量范围为800℃~2000℃,分辨率为1℃,测量精度为±5‰。

　　1　测量原理

　　物体由于分子热扰动而发生红外辐射,这种扰动随着物体温度的升高而加剧,随着温度降低而减弱。当温度高于绝对温度(T>0 )时,物体向外发出辐射,辐射能力的大小与温度、物体材料的辐射系数有关。根据普朗克定理有:

式中,w0(λ,T)———黑体的辐出度;

　　λ———波长;

　　C1、C2———第一、第二辐射常数;

　　T———黑体温度;

　　w(λ,T)———非黑体的辐出度;

　　ελ———物体材料的辐射系数。

　　由公式(1)、(2)可知,选定某一波长,则被测物体的辐出度是温度的单值函数,只要测出某一波长λ下的辐出度,即可确定该物体的亮度温度T。在低温与短波下,C2/λT 1,则普朗克公式可简化为维恩公式:

式中:T———实际物体的真实温度,单位K;

　　TL———黑体温度,即实际物体的亮度温度,单位K。

　　可见,当物体的光谱发射率ελ已知时,则可通过测量物体的亮度温度TL,由式(5)计算出物体的真实温度T。

　　2　系统组成

　　如图1所示,测温仪系统主要由光纤探头、前置器、信号处理与显示的二次仪表组成。探头、光纤在测温现场,通过长电缆与信号处理显示等二次仪表相连。

　　2.1　光纤探头

　　如图2所示,光纤探头[1]主要由合金铝套筒1、耦合透镜2、光纤3、合金套筒4等组成。光纤与物镜等组成的探头,按一定的视场范围和角度接收被测目标的辐射通量,会聚耦合进入光纤。以感温光纤为主的测量探头是保证仪表性能指标的重要参数,本系统中,采用多组份多模玻璃光纤,数值孔径NA为0.56。

　　2.2　前置器

　　光纤探头收集的热辐射由光纤传输到前置器,前置器由中心波长为0.6μm的窄带干涉滤光片和光探测器组成,实现温度信号的单色测量,并将表示温度的光信号转换为电信号[2]。光探测器采用PIN光电管并与放大器构成为一个组件,具有抗环境温度变化能力强、输出阻抗低、I/V转换线性的特点。