消耗型光纖高溫測量儀的研究

　　1 引言

　　在航天、材料、能源、化工、冶金等領(lǐng)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(jù)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(yōu)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(yōu)點是響應(yīng)快、壽命長、非消耗型，易實現(xiàn)連續(xù)測量，但受被測對象的發(fā)射率和測量環(huán)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(shù)的難題[2]，使其推廣應(yīng)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(shù)的確定這個難題。

　　隨著光纖技術(shù)的出現(xiàn)，為實現(xiàn)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(tǒng)，使儀器遠離環(huán)境惡劣的現(xiàn)場，同時，光纖光路不受環(huán)境氣氛的影響，大大提高了測溫系統(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(fā)射率對測溫結(jié)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(yīng)速度快，響應(yīng)速度為10ｓ左右[3]。

　　本文開發(fā)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(jīng)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(huán)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(guān)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(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，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(guān)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(dāng)溫度一定時，光譜輻射亮度隨波長的不同按一定規(guī)律變化，曲線有一個極大值，此處的波長定義為 ，當(dāng)波長小于 時，輻射亮度隨波長增加而增加，當(dāng)波長小于 時，變化規(guī)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(fā)光顏色也發(fā)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(dāng) 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(yīng)選擇在800nm附近。根據(jù)光電探測器的光譜響應(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(guān)系曲線