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。接觸式測(cè)溫是感溫元件直接與被測(cè)對(duì)象接觸，感受其溫度，如熱電偶測(cè)溫儀，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫可靠，缺點(diǎn)是采用貴金屬，價(jià)格昂貴，抗氧化、還原能力和抗電磁干擾能力都較差，且壽命較短[1]。非接觸式測(cè)溫不需與被測(cè)對(duì)象直接接觸，通過(guò)接收被測(cè)對(duì)象所輻射的電磁波進(jìn)行測(cè)量，優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、非消耗型，易實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量，但受被測(cè)對(duì)象的發(fā)射率和測(cè)量環(huán)境的因素影響大，抗干擾性差，且其在研制過(guò)程中涉及到非黑體輻射系數(shù)的難題[2]，使其推廣應(yīng)用受到一定的限制。近年來(lái)，又提出了“接觸-非接觸”的測(cè)溫方法，但始終無(wú)法克服輻射系數(shù)的確定這個(gè)難題。

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(zhǎng)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(chǎng)，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(wèn)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(kāi)發(fā)的消耗型光纖高溫測(cè)量?jī)x，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(guò)測(cè)量物體在兩個(gè)不同波長(zhǎng)處的輻射亮度之比來(lái)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(lái)的干擾。

3 工作波長(zhǎng)的選擇

由式（3）可見(jiàn)，正確選擇波長(zhǎng) 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(zhǎng)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(zhǎng)，曲線從下至上溫度越來(lái)越高。

圖1  黑體的光譜輻射亮度與波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系曲線

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(zhǎng)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(zhǎng)定義為，當(dāng)波長(zhǎng)小于 時(shí)，輻射亮度隨波長(zhǎng)增加而增加，當(dāng)波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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?jī)x的設(shè)計(jì)

高溫測(cè)量?jī)x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?jī)x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(guò)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(méi)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(guò)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(guò)率約為79～80％，是一種耐熱沖擊、能長(zhǎng)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(guò)兩個(gè)窄帶干涉濾波片得到兩路波長(zhǎng)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(chǎng)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(lái)濾掉這些噪聲。轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)LED顯示出來(lái)。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(lái)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(guò)高，還設(shè)計(jì)了報(bào)警電路，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警[5]。

5  結(jié)束語(yǔ)

消耗型光纖高溫測(cè)量?jī)x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。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：

1、提出了光纖傳感型的高溫測(cè)量新方法－消耗型光纖輻射測(cè)高溫。

2、對(duì)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，例如工作波長(zhǎng)的選擇、光纖探頭的保護(hù)等進(jìn)行了全面地分析和研究，并給出了解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]  蔡如華等.工業(yè)用熱輻射型光纖高溫傳感器的研究[J].傳感器技術(shù),2005,24(4):34-36。

[2]  孫曉剛等.多光譜輻射測(cè)溫理論綜述[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2002,23(4)248-250。

[3]  李威宣,陳天慧.消耗型光纖比色法鋼水溫度測(cè)量系統(tǒng)[J]. 傳感器技術(shù),2004,23(8):68-70。

[4]  陳天慧.光纖高溫測(cè)量的研究.武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2003:30-36。

[5]  張亮.過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)在本鋼2號(hào)高爐的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,8-1:50-52。