高温、强浸蚀介质、强热震性的温度测量在冶金、石油化工、建材、武器研制等工程技术领域中十分常见,但对于变化的高温数据很难通过传统的热响应速率较慢的热电偶得到。随着科学技术的发展,辐射测温技术有了显著突破,但大部分传感器测温范围低,响应速度慢,不能满足瞬态温度测量的要求。
由于工业生产、科学研究与开发和生物学等领域对温度测量设备日益增长的需求,温度测试技术的革新和研究与开发活动从未停止[1-2]。目前,美国、英国、法国、德国、日本等发达国家对光纤高温传感器都做了大量的研究,并在不同程度上进入了实用化阶段。美国目前已有Accufiber、Allison、Lux-tron及Savannah River等多家公司生产工业及军用光纤高温传感器。国内清华大学、浙江大学及西安电子科技大学等高校也开展了光纤高温传感器方面的研究,但较之国外产品仍有较大差距[3-6]。
因此,研究一种能在恶劣环境下实现瞬态高温测试的系统对提高产品质量,减少废品率,节约能源和原材料,降低成本,提高劳动生产率等方面具有重要的研究意义和经济效益。
1 测温原理
辐射测温理论是基于黑体辐射的普朗克定理。当黑体腔与待测高温区热平衡时,黑体腔按照黑体辐射定律发射与待测温度相对应的电磁辐射,其谱功率密度出射率可用Plank公式表示
式中 C1=3.741 8×10-16W·m3是第一普朗克常数;C2=1.438 79×10-2m·K是第二普朗克常数;λ为滤波器波长;T为被测温度。
设光纤探头的耦合效率为η(λ),光纤光栅窄带滤波器的光谱响应函数为R(λ),中心波长为λB,带宽为2Δλ,光电探测器(Si-PIN管)的光谱响应函数为D(λ),则辐射光信号经硅光电探测器后的输出电压为
由式(2)可知,η(λ)、R(λ)和D(λ)与λ有关,与T无关。当设计完成滤波器后,经标定,η(λ)、R(λ)和D(λ)均为常数。因此,输出电压可直接反映被测体的温度大小。
2 系统设计
2.1 系统结构
复合式光纤高温测量系统采用“接触-非接触”测量技术,兼有接触式测温的直接、准确的特点和非接触式测温的耐腐蚀、耐高温等优点。系统如图1所示,主要由黑体腔探头、透镜组、光纤准直器、传输光纤、光纤环行器、光纤光栅滤波器、光电探测器、信号放大电路、数据采集系统和计算机构成。
测量时,将耐高温的黑体腔直接接触被测高温源,黑体腔受热发出的黑体辐射通过一个密闭空间传递到不与高温源直接接触的光纤探头,光纤探头由透镜组和光纤准直器构成,可将辐射光耦合入传输光纤;信号光经传输光纤从测量现场传至光纤环行器端口1,由端口2输出的光经光纤光栅滤波器后返回端口2,由端口3输出的信号光经光电探测器后转变为电压信号,最后经信号放大和数据采集由计算机进行数据处理和显示。
2.2 黑体腔
从传感器的工作原理可知,其准确度主要取决于传感器所形成的实际黑体空腔的积分发射率。由于传感器几何结构特点、温度分布、材料发射率、腔口与探测器间的距离以及腔外环境温度等因素的影响,复合测温传感器所形成的实际黑体空腔具有“不等温”和“非密闭”的特点,其积分发射率不能简单看作1,而且具有不确定性,因此需要分析各因素的影响以设计最优化的参数。图2为黑体空腔的模型。
图中,r、x、z分别为黑体空腔靶底、圆筒壁和盖的坐标轴;L1为圆锥部分轴线长度;L2为圆筒壁部分轴线长度;θ为靶底锥度;R0为开孔半径;R1为圆筒半径。
腔体的有效发射率
εa=Ea/Eb (3)
式中 Ea为有效辐射出射度;Eb为黑体腔参考温度为T时的黑体辐射。
有效发射率的计算方法可分为积分方程法、多重反射法和蒙特卡洛法[7]。我们采用基于积分方程理论的矩形区域近似法[8],其基本假定条件为构成黑体空腔壁面的材料是漫射体的近似体。由此可得,圆筒壁的有效发射率为
式中 ε为腔体材料发射率;εc为开孔处等效空气发射率;T0为靶面温度; TC为环境温度;Tx0为x0处筒壁温度;Tz0为z0处盖面温度;Nx为筒壁的等分点数;Nr为靶底的等分点数;Nz为盖面的等分点数;dFx0,x为x0处微圆环对x处同轴圆盘的角系数,有
式中 x0和x分别为微圆环和同轴圆盘所在的轴线坐标;r1和r2分别为微圆环和同轴圆盘的半径;θ为微圆环的切线与腔体轴线的夹角(即靶底锥度);h=x0-x为微圆环和同轴圆盘的距离。
根据上述模型分析各参数对积分发射率的影响如下:
(1)几何特性 长径比L/R1越大,靶底锥度θ对积分发射率影响越小;开孔直径与筒径比R0/R1越小,腔体密闭性越好,积分发射率越大。
(2)温度分布 单位轴向长度的温降ΔT/ΔL相同时,L/R1越大,积分发射率越小;L/R1相同时,ΔT/ΔL越大,积分发射率越小。
(3)材料发射率 积分发射率随ε的增大而增大,且与L/R1有关。
(4)环境温度 TC对积分发射率影响相对较小,且与R0、R0/R1有关,R0/R1越大,TC对积分发射率的影响也越大。
综合考虑各因素的影响得出,黑体腔的优化设
2.3 探测器与光学滤波
由于光纤布喇格光栅具有可精密控制中心反射波长,任意选择小的反射带宽,反射率可达100%,且与普通光纤连接简便,所以我们采用光纤布喇格光栅作滤波器,可对光纤透射频谱中的任一波长进行窄带滤出。器件的性能由光纤布喇格光栅光谱特性决定,通过选择合适的中心波长和带宽,可有效减小背景光的影响;通过与环形器连接,具有很好的波长隔离度和回波损耗[9]。
光电探测器采用Si-PIN光电管,其特点是抗环境温度变化能力强,输出阻抗低。经试验测得探测器输出信号电压与被测温度关系,如图3所示。由图可见,通过信号处理可部分校正成线性,然后可进行数字处理和显示。
2.4 实验结果
通过实验测试,其主要性能指标为:
(1)测温范围 800~2 000℃。
(2)响应时间 用PHILIPAPM9080记忆存储示波器测得其响应时间小于120 ms,可对瞬态变化过程进行测试。
(3)稳定性 将被测温度设定在1 200℃,在6 h内监测仪表的显示值,其最大偏差为3℃。
(4)重复性 对相同测点进行测量,最大差值<4℃。
(5)抗电磁干扰性 将探头靠近4 kHz、1 kW高频发生器旁,示值不变。
3 结束语
光纤高温测量系统采用“接触-非接触式”测量方法克服了单一的“接触式”测量的动态特性差和“非接触式”测量的可靠性、抗干扰性不高的弊端;透镜-光纤准直器组合系统实现了信号光有效耦合入光纤,提高了黑体辐射进入光纤的效率,避免了光能量的损失过大;基于光纤光栅的窄带滤波器,减小了背景光的影响,保证了仪表的稳定性、重复性,提高了温度测量的准确度。
此测量系统具有响应快,稳定性高,重复性好,抗电磁干扰性能强等优点,能进行特殊环境下的瞬态高温测试。在冶金、建材、机械、化工等行业的被测体温度的测量与在线控制中有广泛应用前景,对产品的质量保证与控制有重要意义,尤其对军工领域具有特殊应用。
参考文献:
[1] URIBE J C. Experimental results of the performanceof a laser fiber as a remote sensor of temperature[J].Optics and Lasers in Engineering, 2005, 43(6): 633-644.
[2] CHILDS P R N, GREENWOOD J R, LONG C A.Review of temperature measurement[J]. Review ofScientific Instrument, 2000, 71(8): 2959-2969.
[3] YE Linhua, SHEN Yonghang, ZHAO Weizhong. Sap-phire fiber thermometers based on fluorescence lifetimemeasurement[J]. Journal of OptoelectroNIcs, Laser,2002, 20(1): 83-87.
[4]沈永行.从室温到1 800℃全程测温的蓝宝石单晶光纤温度传感器[J].光学学报, 2000, 20(1): 84-87.SHENG Yonghang. Sapphire fiber thermometer ran-ging from the room temperature to 1 800℃[J]. AC-TA Optica Sinica, 2000, 20(1): 84-87.
[5] ZHOU Bingkun. Fiber blackbody temperature sensor[P]. China Patent: CN2046210U, 1989.
[6] YE Linhua, SHEN Yonghang. Development of a sap-phire fiber thermometer[J]. Journal of Infrared andMillimeter Waves, 1997, 16(6): 437-442.
[7]黄东涛,陆家钦,段宇宁,等.黑体空腔发射率计算的蒙特卡罗模型[J].清华大学学报, 1997, 37(2):28-31.HUANG Dongtao, LU Jiaqin, DUAN Yuning, et al.Monte-Carlo model for calculaton of cavity effective emissivities.[J]. Journal of Tsinghua University, 1997,37(2): 28-31.
[8]谢 植,高魁明.工业辐射温度测量[M].沈阳:东北大学出版社, 1993: 113-129.
[9]涂勤昌,张伟刚,刘 波,等.光纤光栅带宽可控调谐装置的研制[J].压电与声光, 2006, 28(5): 517-519.TU Qinchang, ZHANG Weigang, LIU Bo, et al. De-velopment of a device with controllably tuning band-width of fiber Bragg grating [J]. Piezoelectrics &Acoustooptics, 2006, 28(5): 517-519.
本文作者：王玉田 杨丽丽 鲁信琼
