摘 要:基于黑体辐射原理,设计了一种可用于金属冶炼测温的双波长光电高温计。该高温计利用和钢水达到热平衡的石英玻璃窗作为发光体,实现浸入式测温,减少了环境干扰(如灰尘、水汽等)带来的误差。通过透镜、二向分光镜、窄带滤光片、光电转换器件实现了两路光信号的传输采集和转换。设计了以ADuC812为核心进行数据采集信号处理、温度显示的二次仪表电路。实验给出了该高温计的稳定度,验证了该检测方法的可行性。
1 引 言
高温测量一般指锑凝固点(630.74℃)以上的温度测量。随着科学技术的发展,高温测量在生产中的应用越来越广泛,人们对测量的要求也越来越高。在金属冶炼部门,温度的测量主要依靠铂、铑等贵重金属制造的热电偶,一个中型的钢铁公司每年就要消耗几百万元的热电偶,造成巨大的浪费[1]。所以,迫切需要研究开发一些专门用于钢铁冶炼温度测量的,价格低廉、性能稳定的光电高温计。
双波长光电高温计的光学探头一般可分为两种:黑体腔型接触式光电高温计和透镜型非接触式光电高温计。黑体腔型接触式光纤高温测量的方法最初是由美国国家标准局R.R.Dils提出的[2]。他在蓝宝石光纤的一端溅射一层金属薄膜,以形成黑体腔,另一端和传光光纤相连,在传光光纤的末端接一光敏探测器,测温范围为600℃———2000℃,精度为0.1%,测量的带宽为几十KHz。清华大学在1989年对这一方案进行了改进,研制出两种型号的黑体腔光电高温计: BICROWN-1型,测温范围300℃———1300℃,稳定性1℃,重复性1℃; BI-CROWN-2型,测温范围600℃———2000℃,稳定性0.6℃,重复性1.5℃[3]。但是其造价太高,特别是制作探头用的蓝宝石光纤非常昂贵,而且易断、易折;在蓝宝石光纤上镀氧化锆薄膜而形成的黑体腔,其厚度只有大约0.2mm,在测温过程中容易损坏,这些缺点就阻碍了黑体腔型光电高温计在钢铁生产中的应用。
透镜型非接触式光电高温计采用透镜将物体的光辐射汇聚到光纤的端面,经光纤传输到远离温场的光电探测器,通过二次仪表处理显示被测物体的温度。清华大学于1995年研制的透镜型非接触式测温仪的探头由紧紧并在一起的两根光纤和会聚透镜组成[4]。其光学探头结构相对简单,用普通材料就可以制造,成本低。但是其探头容易受环境因素的影响,特别是工业现场的水汽、灰尘以及其他背景干扰都会给测温带来误差,从而无法在生产中得到应用。
结合以上两种测温方法的优点,我们研制了一种专门用于钢铁冶炼温度测量的,性能稳定、价格低廉的光电高温计。
2 基本原理
2.1 黑体辐射原理
任何物体只要温度不是绝对零度就必然向周围辐射能量,单位面积物体在半球方向、单位时间内的辐射通量,即物体的单色辐射度可由普朗克公式给出[5]:
式中,λ是物体的辐射波长;ε(λ)是物体的表面发射率;T为物体的绝对温度;C1和C2分别称为普朗克第一辐射常数和普朗克第二辐射常数,它们的值分别为:C2=2πhc2=3.7418×10-16W·m2,C2=hc/k =0.014388m·k。当C2/λT =1时,普朗克公式可以用简单的维恩公式代替:
2.2 波长λ1和λ2的选择
由于滤光片是有一定带宽的,并非单一波长,那么R(T)就是两个波段上的辐射功率之比,即
式中,λ1,δλ1以及λ2,δλ2分别为两个测量点处的波长和带宽。τ1(λ)、τ2(λ)为滤光片的光谱透过率,K1(λ),K2(λ)为光电探测器的光谱响应,M(λ,T)为单色辐射度。在1300℃—1600℃测温范围内,从测温曲线的动态范围、相对灵敏度、线性以及探测器光谱响应等方面考虑,确定出两个波长λ1和λ2的最佳范围[6]。经过计算优化,我们选取的窄带滤波片的中心波长和带宽分别为λ1=800nm,λ2=950nm,δλ1=δλ2=10nm。
3 系统结构设计
3.1 系统光学探头设计
结合黑体腔型接触式光电高温计和透镜型非接触式光电高温计两种方法的优点,我们设计出了一套既能满足测温精度要求,又可以做到性能稳定、价格低廉的方案,其整体结构如图1(a)所示。
该光电高温计主要由测温枪头和数据处理及显示系统两部分组成。测温枪头由光学探头6,探头安装室7,与安装室相连接的通光管9,设置在通光管顶端的石英玻璃窗12以及设置在通光管外部的保护管10组成。光学探头6由进行光信号采集的透镜4、5,入射角为45度的二向分光镜13,分别设置在二向分光镜的反射光路和透射光路上的第一窄带滤光片14和第二窄带滤光片15以及光电转换器件2,3组成。
图1(b)为光学探头的具体结构示意图,二向分光镜13位于立方体的对角面上,第一窄带滤光片14和第二窄带滤光片15位于立方体的两个内表面上。石英玻璃窗12发出的光,经过透镜4,5后得到平行光,再通过二向分光镜13(入射角为45度,分光比在600nm~1000nm内为1:1)进行分光,得到的两束光再分别通过第一窄带滤光片14和第二窄带滤光片15进行窄带滤光,最终成像在光电转换器2,3的光敏面上,分别得到中心波长为800nm带宽10nm的光信号λ1和中心波长为950nm带宽10nm的光信号λ2。
该光电高温计光学探头利用石英玻璃窗实现了浸入式测温,即利用和钢水达到热平衡的石英玻璃窗作为发光体,消除了因钢水的发射率变化带来的影响,减少了环境干扰如灰尘、水汽对测温的影响,提高了测温的精度(尽管石英玻璃窗的ε(λ1)和ε(λ2)不相等,但是二者差别很小,在双波长测温中,温度的标定采取一点标定法,所有的误差都可以在标定的时候得到修正)。保护管和石英玻璃窗通过耐高温粘贴材料连接而成为一个整体,位于测温仪枪头的最顶端,在使用过程中可以方便地更换。而且由于保护管的作用,此高温计测温枪内部温度在测温过程中保持100℃以下,这就允许使用普通材料制作透镜、二向分光镜和窄带滤光片,降低了仪器的成本。
3.2 系统电路设计
考虑到我们研制的光电高温计是专门用于钢铁冶炼生产的,在1300℃—1600℃的范围内要求高精度,而且要求性能稳定、价格低廉。所以,我们的二次仪表电路采用以ADuC812为核心的数据处理系统[7],系统框图如图2所示。
首先,光信号经过光电探测器转换成电信号,然后进入由精密运放OP07构成的信号放大电路和二阶有源滤波电路,电路的截止频率为100HZ,可以满足快速测温的要求。接着将经过滤波的电信号送入ADuC812中进行A/D转换和处理,最后由A-DuC812输出控制信号及温度值[8]。
ADuC812是高度集成的高精度12位数据采集系统,该芯片内不仅集成了可重新编程非易失性闪速/电擦除程序存储器的高性能8位(与8051兼容)MCU[9]。ADuC812内集成的ADC转换模块,包含了8通道、12位、单电源A/D转换器,这些A/D转换器是由基于电容DAC的常规逐次逼近转换器组成的,接收的模拟输入范围为0至+2.5V。在本系统的设计中晶振频率为12MHz,采样速率为20kHz。
4 实 验
将我们设计制作的光电高温计在钢厂的炼钢炉中进行了稳定性实验。待测钢水处于保温状态,其温度值由热电偶给出。首先,将单路信号输入计算机,实时显示信号的变化,并记录信号达到稳定的时间。由于选用的石英玻璃窗具有很高的一致性,所以达到热平衡的时间相差无几。选取这些时间中的最大值,并将此值输入ADuC812的定时器。然后将光电高温计的测温枪头插入钢水中,深入表面以下30cm处,定时器定时时间到,即石英玻璃窗和钢水达到热平衡,仪器发出报警信号,得到两路光信号λ1和λ2,经过光电转换器件和二次仪表的处理,得到温度的测量值,实验数据如表1所示。由热电偶测出的钢水温度为1445℃,光电高温计测出的温度平均值为1446.9℃,二者的误差为1.9℃;光电高温计的测量标准差为5.24℃,得到该光电高温计的测量稳定度为+0.6%。
5 结 论
以黑体辐射理论为基础,设计了一种可用于金属冶炼测温,特别是钢铁冶炼测温的双波长光电高温计。该光电高温计利用石英玻璃窗作为发光体,实现了浸入式测温;其光学探头采取模块化设计,具有体积小、精度高、易于安装调试的特点。初步的稳定性实验结果表明其稳定度在+0.6%以内,能够满足钢铁冶炼行业现场测温的要求,且价格低廉。
参考文献:
[1]赵愚,陈华荣. GW系列光纤高温计的工作原理及其特点[J].仪器仪表与应用, 2002,(1).
[2] Dils R R. High temperature optical thermometer[J]. J Appl Phys,54:1198-1983.
[3]王志海.快速响应光纤高温传感器的理论与实验研究[J].清华大学学报,1988,28.
[4]王勇.双波长光纤高温计的研究[D].北京:清华大学, 1995.24—30.
[5]朱麟章.高温测量原理与应用[M].北京:科学出版社,1991.390—396.
[6]辛军.高精度双波长非接触光纤高温计的波长最优设计[J].中国激光, 1999, 26(2).
[7]胡汉才.单片机原理及系统设计[M].北京:清华大学出版社,2002.120—125.
[8]电路设计完全手册[M].北京:中国电力出版社, 2001.256—260.
[9]刘书明,冯小平.数据采集系统芯片ADuC812原理与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2000.2—10.
作者简介:孙超(1981-),男,山东省人,清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室硕士研究生,主要从事光电高温计的研究。
E-mail:sun-c03@mails.tsinghua.edu.cn
