1 引言

在航天、材料、能源、化工、冶金等領域中，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。接觸式測溫是感溫元件直接與被測對象接觸，感受其溫度，如熱電偶測溫儀，優點是測溫可靠，缺點是采用貴金屬，價格昂貴，抗氧化、還原能力和抗電磁干擾能力都較差，且壽命較短[1]。非接觸式測溫不需與被測對象直接接觸，通過接收被測對象所輻射的電磁波進行測量，優點是響應快、壽命長、非消耗型，易實現連續測量，但受被測對象的發射率和測量環境的因素影響大，抗干擾性差，且其在研制過程中涉及到非黑體輻射系數的難題[2]，使其推廣應用受到一定的限制。近年來，又提出了“接觸-非接觸”的測溫方法，但始終無法克服輻射系數的確定這個難題。

隨著光纖技術的出現，為實現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，使儀器遠離環境惡劣的現場，同時，光纖光路不受環境氣氛的影響，大大提高了測溫系統的環境適應能力。但由于探頭采用一般的輻射接收原理，仍難以解決發射率困擾問題。為克服這一難題，提出了灰體測溫原理，采用比色法測溫，能大大降低發射率對測溫結果的影響，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速度快，響應速度為10ｓ左右[3]。

本文開發的消耗型光纖高溫測量儀，克服了上述缺點，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，但測溫費用卻大幅度降低，有著巨大的經濟效益，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，其特點是可以消除測量路徑上的大氣、煙霧、灰塵、環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，如圖1所示。圖中的縱坐標表示黑體的輻射亮度，橫坐標表示波長，曲線從下至上溫度越來越高。

圖1  黑體的光譜輻射亮度與波長和溫度的關系曲線

從圖中曲線可以看出黑體輻射的幾個特性：（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）當溫度一定時，光譜輻射亮度隨波長的不同按一定規律變化，曲線有一個極大值，此處的波長定義為，當波長小于 時，輻射亮度隨波長增加而增加，當波長小于時，變化規律相反；（3）溫度增加時，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，發光顏色也發生改變。

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。當分別為800nm和1000nm時，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，應選擇在800nm附近。根據光電探測器的光譜響應與溫度的關系，要求 擁有良好的線性關系，根據線性關系，取 在950nm附近為好。

經過實驗，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系曲線

4  高溫測量儀的設計

高溫測量儀由光學部分和電路部分組成，如圖3所示，包括高溫探頭、光電轉換部分、信號放大器、信號的處理與顯示輸出等部分。

圖3  測溫儀的結構框圖

測量時，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。被測金屬液內部溫度通過對光纖端面的輻射由光纖傳輸到光電轉換及信號處理系統。由于光纖不宜直接插入到被測對象中，因為在光纖插入到所需深度之前，光纖已經被燒壞了，取出的信號就沒有意義了。為實現接觸測溫，必須設計一個光纖的保護設施，這個設施不僅要耐高溫，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置了一段耐高溫導管，這樣既保護了物鏡等監測系統，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，因此還要設計一個合理的光纖導入和切斷系統。

光電轉換系統的功能就是將光信號轉換成電信號，然后送到信號處理系統進行處理。測量系統使用光纖分叉器，形成兩路光路。輸出的光信號經過兩個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換為電信號。由于在測量現場存在著許多的噪聲，這些噪聲對測量系統會造成很大的影響，因此必須要設計一個合適的濾波電路來濾掉這些噪聲。轉換后的電信號經過濾波電路、放大器和信號處理電路按照儀器內部算法校正后轉變為被測對象的溫度值，最后通過LED顯示出來。為了便于保存測量數據，還設計了打印機接口電路，將數據打印出來進行比較、分析和處理。除此之外，信號處理還應考慮被測對象和測溫儀所處的環境條件對性能指標的影響和修正方法。

為了防止控制溫度過高，還設計了報警電路，當溫度超過設定值時，進行聲光報警[5]。

5  結束語

消耗型光纖高溫測量儀安裝方便，其外部結構與熱電偶結構相同，可用于煉鋼爐、鍋爐、鑄造爐等高溫測量領域，具有廣泛的推廣價值，經濟效益顯著。

本文作者創新點：

1、提出了光纖傳感型的高溫測量新方法－消耗型光纖輻射測高溫。

2、對設計中的關鍵問題，例如工作波長的選擇、光纖探頭的保護等進行了全面地分析和研究，并給出了解決方案。

參考文獻：

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

[2]  孫曉剛等.多光譜輻射測溫理論綜述[J].計量學報,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量系統[J]. 傳感器技術,2004,23(8):68-70。

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

[5]  張亮.過程監控系統在本鋼2號高爐的應用[J].微計算機信息,2006,8-1:50-52。