CN1687722A - 基于黑体辐射的双波长光电测温仪 - Google Patents

Abstract

基于黑体辐射的双波长光电测温仪，属于光电检测技术领域。本发明利用石英玻璃窗以实现浸入式测温，即利用和钢水达到热平衡的石英玻璃窗作为发光体，通过透镜、二向分光滤光片、窄带滤光片、光电转换器件以实现两路光信号的传输采集和转换。本发明结合黑体腔型接触式测温和透镜型非接触式测温的优点，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，提高了测温精度，避免了使用光纤传输光信号所面临的几何对中问题。本发明既能满足测温精度要求，又价格低廉、性能稳定，在金属冶炼测温领域有着广阔的应用前景。

Description

基于黑体辐射的双波长光电测温仪

技术领域

本发明涉及一种光学测温装置，特别涉及一种可在冶金行业中应用的光学测温仪。

背景技术

目前在金属冶炼部门，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。所以，迫切需要开发一种专门用于金属冶炼温度测量的，价格低廉、性能稳定的光学测温仪。

最初研究并投入使用的基于黑体辐射的测温仪采用单波长测温法，但是单波长测温法容易受被测物体发射率、周围环境、器件老化等因素的影响，测量结果误差将会很大，无法满足测量的精度要求。为了减小误差、提高精度，就采用了双波长测温的方法。按照光学探头的不同可以分为黑体腔型接触式光纤测温仪和透镜型非接触式光纤测温仪。

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。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。装置如图1所示，其中1是黑体腔，2是蓝宝石光纤，3是石英光纤，4是透镜，5是窄带滤波片，6是光电二极管。测温范围为600℃～2000℃，精度为1％，测量的带宽为几十KHz。国外以Orbis Technologies Ltd公司为代表，其产品为luxtron系列测温仪。

透镜型非接触式光纤测温仪采用透镜接收物体的光辐射，汇聚到光纤的端面，经光纤传输到远离温场的光电转换器件，通过数据处理系统处理，显示被测物体的温度。这里采用的透镜是普通的玻璃透镜，传光光纤是普通石英光纤，探头所处的环境温度比较低，相对黑体腔型光纤测温仪来说，比较容易制造，成本也较低。清华大学于1995年研制的透镜型非接触式测温仪的探头如图2所示，通过透镜4进行光的收集，两根石英光纤3紧紧地并在一起。对探头结构的理论分析表明，在一定的范围内测量的结果与测量距离无关，因此可以用于运动物体的温度测量。

但是上述两种方法目前都无法应用到冶金行业的高温测量中。黑体腔型接触式光纤测温仪的分辨率很高，可以达到0.01℃，测温精度也很高，达到0.2％@1000℃，稳定性也很好。但是其造价高，特别是制作探头用的蓝宝石光纤价格昂贵，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，在测温过程容易损坏，这些缺点就阻碍了黑体腔型光纤测温仪在钢铁生产中的应用。而透镜型非接触式光纤测温仪的光学探头结构相对简单，用普通材料就可以制造，也比较容易更换，在实验室的良好环境下精度也可以满足要求。但是其测温容易受环境因素及被测物体的影响，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，因此也无法在钢铁生产中应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于黑体辐射的新型双波长光电测温仪，该光电测温仪既能满足冶金行业中测温精度的要求，又可以做到价格低廉。

本发明的技术方案如下：

一种基于黑体辐射的新型双波长光电测温仪，包括测温枪头，数据处理和显示系统，其特征在于：所述的测温枪头包括光学探头，用于安装光学探头的安装室，与安装室相连接的通光管，设置在通光管顶端的石英玻璃窗以及设置在通光管外部的保护管；所述的光学探头由进行光信号采集的透镜，入射角为45度的二向分光滤光片，分别设置在二向分光滤光片的反射光路和透射光路上的第一窄带滤光片和第二窄带滤光片以及光电转换器组成；将光电转换器得到的两路电信号通过传输线路与所述的数据处理和显示系统相连接。

本发明的技术特征还在于：所述的二向分光滤光片在带宽600nm～1000nm内其分光比为1∶1；所述的第一窄带滤光片其中心波长为800nm，带宽为10nm；所述的第二窄带滤光片其中心波长为950nm，带宽为10nm。所述的二向分光滤光片、第一窄带滤光片和第二窄带滤光片集成在一个立方体内，所述的二向分光滤光片位于立方体的对角面上，所述的第一窄带滤光片和第二窄带滤光片分别位于立方体的两个内表面上。

为了更换和插接方便，本发明所述的石英玻璃窗和保护管可通过耐高温粘贴材料连接成一个可更换的整体。

本发明结合黑体腔型接触式测温和透镜型非接触式测温的优点，利用石英玻璃窗以实现浸入式测温，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。而且由于保护管的作用，此测温仪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、二向分光滤光片和窄带滤光片，降低了仪器的成本。整个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。本发明既能满足测温精度要求，又具有价格低廉、性能稳定的优点，在冶金测温领域有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为现有技术中黑体腔型接触式光纤测温仪原理示意图。

图2为现有技术中透镜型非接触式测温仪原理示意图。

图3为本发明的提供的基于黑体辐射的双波长光电测温仪实施例的整体结构示意图。

图4为光学探头的具体结构示意图。

图5为数据处理和显示系统框图。

其中：1-黑体腔；2-蓝宝石光纤；3-石英光纤；4-透镜；5-窄带滤波片；6-光电探测器；7-光学探头安装室；8-法兰盘；9-通光管；10-保护管；11-耐高温粘贴材料；12-石英玻璃窗；13-二向分光滤光片；14-第一窄带滤光片；15-第二窄带滤光片；16-光电转换器；17-光学探头；18-数据处理及显示系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体结构和工作过程作进一步的说明。

图3为本发明提供的基于黑体辐射的双波长光电测温仪实施例整体结构示意图。该光电测温仪主要由测温枪头和数据处理及显示系统两部分组成，所述的测温枪头由光学探头17，光学探头安装室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17由进行光信号采集的透镜4，入射角为45度的二向分光滤光片13，分别设置在二向分光滤光片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16组成。首先将光学探头安装室7和通光管9焊接，然后通过法兰盘8将光学探头17安装在光学探头安装室7内，并将通过光电池16得到的两路电信号接入后续的数据处理系统18中。图4为光学探头的具体结构示意图，将二向分光滤光片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。保护管10和石英玻璃窗12通过耐高温粘贴材料11连接成为一个整体，位于测温仪枪头的最顶端，在使用过程中可方便地进行更换；保护管10一般采用纸管，可以保证通光管内保持比较低的温度。

进行温度测量时，将光电测温仪的枪头插入钢水中，大约深入表面以下30cm，停留大约2～3秒钟，石英玻璃窗12和钢水达到热平衡，仪器发出警报。石英玻璃窗12发出的光，经过透镜4进行会聚后，再通过二向分光滤光片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16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950nm带宽10nm的光信号λ₂。根据黑体辐射定律，由维恩公式，取波长λ₁和波长λ₂处的辐射功率的比值R(T)，即 $R\left(T\right)=\frac{M({\mathrm{\λ}}_1,T)d{\mathrm{\λ}}_1}{M({\mathrm{\λ}}_2,T)d{\mathrm{\λ}}_2}=\frac{\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)d{\mathrm{\λ}}_1}{\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)d{\mathrm{\λ}}_2}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}\right)}^5\exp \left[\frac{C_2}{T}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})\right],$ 假设两波长处的带宽相等，就可以得到测量的温度值 $T=\frac{C_2(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})}{\ln R\left(T\right)-5\ln \frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}-\ln \frac{\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}}.$

将得到的中心波长为800nm带宽10nm的光信号λ₁和中心波长950nm带宽10nm的光信号λ₂，经过光电转换器转换后得到相应的电信号。将所得的电信号送入以ADuC812为核心的数据处理与显示系统，系统框图如图5所示。首先，电信号经精密运放OP07构成的信号放大电路进行放大，接着送入ADuC812中进行A/D转换和信号处理，最后由ADuC812输出控制信号及温度值，完成一次温度的测量，将测温枪头拔出。

Claims (4)

1.一种基于黑体辐射的新型双波长光电测温仪，包括测温枪头，数据处理及显示系统，其特征在于：所述的测温枪头包括光学探头(17)，光学探头安装室(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)；所述的光学探头由进行光信号采集的透镜(4)，入射角为45度的二向分光滤光片(13)，分别设置在二向分光滤光片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(16)组成；将光电转换器得到的两路电信号通过传输线路与所述的数据处理和显示系统相连接。

2.根据权利1所述的光电测温仪，其特征在于：所述的二向分光滤光片在带宽600nm～1000nm内其分光比为1∶1；所述的第一窄带滤光片(14)其中心波长为800nm，带宽为10nm；所述的第二窄带滤光片(15)其中心波长为950nm，带宽为10nm。

3.根据权利1所述的光电测温仪，其特征在于：所述的二向分光滤光片，第一窄带滤光片和第二窄带滤光片集成在一个立方体内，所述的二向分光滤光片(13)位于立方体的对角面上，所述的第一窄带滤光片和第二窄带滤光片分别位于立方体的两个内表面上。

4.根据权利1所述的光电测温仪，其特征在于：所述的石英玻璃窗(12)和保护管(10)通过耐高温粘贴材料(11)连接成一个可更换的整体。

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