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(yu) 被測對象接觸，測溫儀(yi) 器分為(wei) 接觸式和非接觸式兩(liang) 種。接觸式測溫是感溫元件直接與(yu) 被測對象接觸，感受其溫度，如熱電偶測溫儀(yi) ，優(you) 點是測溫可靠，缺點是采用貴金屬，價(jia) 格昂貴，抗氧化、還原能力和抗電磁幹擾能力都較差，且壽命較短[1]。非接觸式測溫不需與(yu) 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(you) 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，抗幹擾性差，且其在研製過程中涉及到非黑體(ti) 輻射係數的難題[2]，使其推廣應用受到一定的限製。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係數的確定這個(ge) 難題。

隨著光纖技術的出現，為(wei) 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(wei) 測溫探頭與(yu) 傳(chuan) 輸係統，使儀(yi) 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，大大提高了測溫係統的環境適應能力。但由於(yu) 探頭采用一般的輻射接收原理，仍難以解決(jue) 發射率困擾問題。為(wei) 克服這一難題，提出了灰體(ti) 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(wei) 10ｓ左右[3]。

本文開發的消耗型光纖高溫測量儀(yi) ，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(yu) 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(ti) 在兩(liang) 個(ge) 不同波長處的輻射亮度之比來確定物體(ti) 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幹擾。

3 工作波長的選擇

由式（3）可見，正確選擇波長 和是至關(guan) 重要的。一般被測對象的光譜輻射亮度與(yu) 波長和溫度都有關(guan) ，如圖1所示。圖中的縱坐標表示黑體(ti) 的輻射亮度，橫坐標表示波長，曲線從(cong) 下至上溫度越來越高。

圖1  黑體(ti) 的光譜輻射亮度與(yu) 波長和溫度的關(guan) 係曲線

從(cong) 圖中曲線可以看出黑體(ti) 輻射的幾個(ge) 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(ge) 極大值，此處的波長定義(yi) 為(wei) ，當波長小於(yu) 時，輻射亮度隨波長增加而增加，當波長小於(yu) 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(ti) 的輻射亮度增加，發光顏色也發生改變。

初步將波長範圍定在800～1000nm，並且在該範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(wei) 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(yu) 溫度的關(guan) 係，要求 擁有良好的線性關(guan) 係，根據線性關(guan) 係，取 在950nm附近為(wei) 好。

經過實驗，最後選擇 ＝890nm， ＝940nm，比色測溫效果較好。

圖2 相對靈敏度與(yu) 溫度的關(guan) 係曲線

4  高溫測量儀(yi) 的設計

高溫測量儀(yi) 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(yu) 顯示輸出等部分。

圖3  測溫儀(yi) 的結構框圖

測量時，要將消耗型光纖高溫測量儀(yi) 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(nei) 部溫度通過對光纖端麵的輻射由光纖傳(chuan) 輸到光電轉換及信號處理係統。由於(yu) 光纖不宜直接插入到被測對象中，因為(wei) 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(yi) 了。為(wei) 實現接觸測溫，必須設計一個(ge) 光纖的保護設施，這個(ge) 設施不僅(jin) 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係統，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幹擾。一般耐高溫導管可用的耐火料有剛玉、石墨、金屬陶瓷、碳化矽、三氧化二鋁等，最後選取了透紅外陶瓷－鎂鋁尖晶石，其熔點為(wei) 2080 C，在900～1100nm的紅外透過率約為(wei) 79～80％，是一種耐熱衝(chong) 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]。

由於(yu) 是高溫測量，在高溫下，光纖每測量一次就會(hui) 損壞一段，因此還要設計一個(ge) 合理的光纖導入和切斷係統。

光電轉換係統的功能就是將光信號轉換成電信號，然後送到信號處理係統進行處理。測量係統使用光纖分叉器，形成兩(liang) 路光路。輸出的光信號經過兩(liang) 個(ge) 窄帶幹涉濾波片得到兩(liang) 路波長分別為(wei) 和的光信號，最後由矽光電池接收並轉換為(wei) 電信號。由於(yu) 在測量現場存在著許多的噪聲，這些噪聲對測量係統會(hui) 造成很大的影響，因此必須要設計一個(ge) 合適的濾波電路來濾掉這些噪聲。轉換後的電信號經過濾波電路、放大器和信號處理電路按照儀(yi) 器內(nei) 部算法校正後轉變為(wei) 被測對象的溫度值，最後通過LED顯示出來。為(wei) 了便於(yu) 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(yi) 所處的環境條件對性能指標的影響和修正方法。

為(wei) 了防止控製溫度過高，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(yi) 安裝方便，其外部結構與(yu) 熱電偶結構相同，可用於(yu) 煉鋼爐、鍋爐、鑄造爐等高溫測量領域，具有廣泛的推廣價(jia) 值，經濟效益顯著。

本文作者創新點：

1、提出了光纖傳(chuan) 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(guan) 鍵問題，例如工作波長的選擇、光纖探頭的保護等進行了全麵地分析和研究，並給出了解決(jue) 方案。

參考文獻：

[1]  蔡如華等.工業(ye) 用熱輻射型光纖高溫傳(chuan) 感器的研究[J].傳(chuan) 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係統[J]. 傳(chuan) 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.過程監控係統在本鋼2號高爐的應用[J].微計算機信息,2006,8-1:50-52。