接觸式光電溫度傳感器原理及前景

　　摘要：本文主要介紹—種以黑體輻射理論為基礎的HXW新型高溫傳感器，該傳感器是由探測管和探測器兩部分組成,兼有接觸式和非接觸式測溫兩類方法的長處。測量方法是用耐高溫和耐侵蝕的材料制成人工黑體與被測對象接觸，加熱至被測溫度，用光電探測器接收亮度信號，可用來測量各類高溫爐和熔液內部的實際溫度。
　　
　　一、引言
　　
　　在工業高溫領域中，溫度測量的準確性對窯爐的壽命、產品的質量、能耗的降低有著重要的意義。目前，國內外常用的測量方法有兩大類，即接觸法和非接觸法。接觸法主要使用鉑銠熱電偶，這種方法的突出缺點是在高溫、高壓和有害介質條件下工作，偶絲很快會變脆、損壞，要消耗大量的電偶絲，使用成本很高。在許多高溫爐中，使用壽命約為兩個月左右。在這一點上非接觸式測量具有很大的吸引力。但是工業現場環境往往很惡劣，被測對象發射率的不確定、光路中存在著許多煙霧水汽等情況直接影響測量的完成，另外熔融狀態下的液態物質表面往往浮著沉渣，帶來不可克服的誤差影響。非接觸測溫準確度遠不如熱電偶，所以在工業現場一般做監視用。
　　
　　由于鉑銠絲價格昂貴，我國的鉑資源又缺乏，需要大量進口，加之近幾年市場價格連續上漲，大大提高了企業的生產成本。為了降低生產成本，許多企業盡量減少測溫點，只在關鍵的幾個測溫點選用鉑銠熱電偶，有的個體企業甚至靠工人的經驗判斷，這樣就會出現耗能增加、產品質量下降等問題。因此研制一種能替代鉑銠熱電偶的新型高溫傳感器是符合我國國情的。
　　
　　二、原理
　　
　　19世紀末，物理學家對黑體腔發射出來的輻射能進行了大量的實際測量，發現了輻射功率按波長分布是穩定的，且僅與腔體溫度有關，而與腔體材料無關。直到1900年，普朗克根據量子統計理論推導出與實驗*相符的公式，即普朗克定律：單位面積黑體在半球方向發射的輻射通量E（即輻射功率）是波長和黑體溫度的函數，即：
　　
　　式中：C1—*輻射常數，C1=3.743´108Wmm4/m2;
　　
　　C2—第二輻射常數，C2=1.4388´104mmK;
　　
　　l—波長，mm
　　
　　T—黑體熱力學溫度，K；
　　
　　我們就是根據普朗克定律，研制出采用綜合型測溫方法的接觸式光電溫度傳感器。
　　
　　綜合型測溫方法兼有接觸式和非接觸式測溫兩類方法的長處。它是由探測管和探測器兩部分組成,可用來測量各類高溫爐和熔液內部的實際溫度，而不受環境污染以及目標黑度系數的影響。
　　
　　接觸式光電溫度傳感器它是由探測管、連接固定件、物鏡、光電轉化元件組成。探測管是一根用耐高溫材料制成的細長盲管，其長度與內徑之比大于10。探測管可視為一個人工黑體，當有一束射線從管的一端射入管內，由于管子細長，射線在管內要經過多次反射才能從原入射管口反射出來。射線的大部分能量被留在管內，故其吸收率接近1，在工業上可以視為黑體。這就為傳感器測量的準確性、探測管的互換性奠定了理論基礎。連接固定件的作用是用鎖緊螺母把探測器鎖緊在探測管上。物鏡用來聚光。光電轉化元件可根據實際情況選用各種紅外敏感器件。
　　
　　三、測溫系統組成及技術指標
　　
　　zui簡單的測溫系統由探測管、防輻射擋板、探測器、信號傳輸線、二次儀表組成，如圖2所示。探測管要根據被測對象的實際情況，選用耐高溫或耐腐蝕等技術指標的探測管。在選擇測溫點時，要考慮到既可以正確反映爐內的溫度，又要延長探測管的使用壽命。無論垂直還是水平安裝，探測管的頂端與爐內壁齊平。水平安裝時，探測管一定要放在一個平面上，否則在高溫下容易彎曲，影響到測溫的準確性。HXW溫度傳感器的技術指標如下：
　　
　　1、測溫范圍標準型（1000~1600）°C、（1000~1800）°C；
　　
　　2、基本誤差：（1000~1800）°C之間DT≤±（0.2~1.0）%t℃
　　
　　3、環境溫度：20~80°C，20~100°C
　　
　　4、探測管規格：長750~1800mm，外徑f12~f27mm，也可按用戶需要選擇長度和外徑；
　　
　　5、傳感器輸出：標準0~70mV（接配套數字儀表或微機）。
　　
　　四、性能特點
　　
　　HXW型溫度傳感器有以下特點：
　　
　　1、不受被測物體黑度系數的影響，測溫準確度高；
　　
　　2、價格低、壽命長（長達10年），使用成本少（只消耗少量的探測管）；
　　
　　3、用耐高溫性能好的探測管、測溫上限可達2000℃；
　　
　　4、統一分度，互換性好，響應時間快，溫度分辨率高；
　　
　　5、使用方便，插入測溫孔即可；
　　
　　6、對惡劣環境的適應能力和抗*力都比較強，一般不需要附設風冷水冷系統；能避免粉塵、煙、水汽等對光路的污染；不需要補償導線。
　　
　　五、比較優勢
　　
　　工業窯爐中的使用條件往往很惡劣，高溫高腐蝕性介質對熱偶保護管的損害性很大。有些行業中熱偶保護管的使用壽命只有短短的半個月、一個月。熱偶保護管一旦破損，偶絲馬上就被燒斷。因此,有許多廠家為了降低生產成本，用K偶代替S偶，用S偶代替B偶。這種做法短時間可行，但是熱電偶較長時間在極限溫度中使用，其熱電特性會發生變化，誤差很大。
　　　　
　　有廠家做過實驗，對長時間在極限溫度中用過的K偶進行檢定，發現其誤差一般多達20~40°C。這么大的測量誤差會對產品質量產生影響。使用HXW光電溫度傳感器就可以避免以上的損失。其探測管與探測器是通過連接件固定的，如果探測管損壞，只需換一根價格百元左右的管子就行。測溫系統的長期消耗性成本可以大幅度降低。表1是三種測溫方法主要優缺點的比較。
　　
　　六、結論及發展前景
　　
　　我們在實驗室檢定爐及工業窯爐中用HXW溫度傳感器同傳統的熱電偶作過對比性試驗。在試驗過程中，該溫度傳感器測量的準確度、重復性平均達到或接近熱電偶的技術水平。另外，該傳感器的安裝、測量方式與熱電偶*相同，使用中不需維護，易被操作工人接受。HXW溫度傳感器在碳素、鋼鐵、鎂、玻璃、陶瓷、耐火材料、高溫熱處理許多行業中都有使用，其測量的準確度、超常的壽命已為許多廠家所認可。大部分使用長達5、6年后仍然正常工作，其超常使用壽命可為生產廠家大大降低生產成本，提高經濟效益。
　　
　　寬量程光電溫度傳感器（200~1600℃）已在實驗室試制成功,其測溫范圍寬，在工業領域中可以廣泛取代鉑銠熱電偶。但高成本是其進入市場的障礙。光電溫度傳感器的標準型（800~1800℃）由于具有技術成熟性、價格便宜等優點，因此，在1000℃以上的工業測溫領域，*可以取代貴金屬熱電偶，將成為貴金屬熱電偶的理想替代產品。