一种新型的双波长光电高温计

　　1　引　言

　　高温测量一般指锑凝固点(630.74℃)以上的温度测量。随着科学技术的发展,高温测量在生产中的应用越来越广泛,人们对测量的要求也越来越高。在金属冶炼部门,温度的测量主要依靠铂、铑等贵重金属制造的热电偶,一个中型的钢铁公司每年就要消耗几百万元的热电偶,造成巨大的浪费[1]。所以,迫切需要研究开发一些专门用于钢铁冶炼温度测量的,价格低廉、性能稳定的光电高温计。

　　双波长光电高温计的光学探头一般可分为两种:黑体腔型接触式光电高温计和透镜型非接触式光电高温计。黑体腔型接触式光纤高温测量的方法最初是由美国国家标准局R.R.Dils提出的[2]。他在蓝宝石光纤的一端溅射一层金属薄膜,以形成黑体腔,另一端和传光光纤相连,在传光光纤的末端接一光敏探测器,测温范围为600℃———2000℃,精度为0.1%,测量的带宽为几十KHz。清华大学在1989年对这一方案进行了改进,研制出两种型号的黑体腔光电高温计: BICROWN-1型,测温范围300℃———1300℃,稳定性1℃,重复性1℃; BI-CROWN-2型,测温范围600℃———2000℃,稳定性0.6℃,重复性1.5℃[3]。但是其造价太高,特别是制作探头用的蓝宝石光纤非常昂贵,而且易断、易折;在蓝宝石光纤上镀氧化锆薄膜而形成的黑体腔,其厚度只有大约0.2mm,在测温过程中容易损坏,这些缺点就阻碍了黑体腔型光电高温计在钢铁生产中的应用。

　　透镜型非接触式光电高温计采用透镜将物体的光辐射汇聚到光纤的端面,经光纤传输到远离温场的光电探测器,通过二次仪表处理显示被测物体的温度。清华大学于1995年研制的透镜型非接触式测温仪的探头由紧紧并在一起的两根光纤和会聚透镜组成[4]。其光学探头结构相对简单,用普通材料就可以制造,成本低。但是其探头容易受环境因素的影响,特别是工业现场的水汽、灰尘以及其他背景干扰都会给测温带来误差,从而无法在生产中得到应用。

　　结合以上两种测温方法的优点,我们研制了一种专门用于钢铁冶炼温度测量的,性能稳定、价格低廉的光电高温计。

　　2　基本原理

　　2.1　黑体辐射原理

　　任何物体只要温度不是绝对零度就必然向周围辐射能量,单位面积物体在半球方向、单位时间内的辐射通量,即物体的单色辐射度可由普朗克公式给出[5]:

　　式中,λ是物体的辐射波长;ε(λ)是物体的表面发射率;T为物体的绝对温度;C1和C2分别称为普朗克第一辐射常数和普朗克第二辐射常数,它们的值分别为:C2=2πhc2=3.7418×10-16W·m2,C2=hc/k =0.014388m·k。当C2/λT =1时,普朗克公式可以用简单的维恩公式代替: