CN204556134U - 接触式热辐射光纤三色高温计 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了接触式热辐射光纤三色高温计,包括内管、外管、平凸透镜、光探测器,所述内管、外管的同一端头呈圆头状封闭,另一端为敞开的开口端,内管、外管之间的夹层为避光层,封闭端的内管、外管与所夹的避光层形成一个置于被测温点的黑体腔;平凸透镜设置在内管的开口端,平凸透镜的凸端与内管的圆头封闭端相对应;光探测器通过光纤束与平凸透镜耦合,光探测器与信号放大处理显示及远传模块电连接;所述避光层内填充的材料为石墨、硅碳和硅钼粉;所述材料的质量比为石墨:硅碳:硅钼粉=1:1:1。本实用新型能够替代铂-铑热电偶和热辐射式高温计等传统温度测量仪在高温领域中的应用,使高温计真正成为低成本、高精度、长寿命的高温温度测量仪器。<b/>
Description
技术领域
本实用新型涉及高温温度测量领域,特别涉及接触式热辐射测温和光纤三色传感领域,具体是一种接触式热辐射光纤三色高温计。
背景技术
传统的温度测量仪表主要为热电阻与半导体电阻温度计、热电偶式温度计、热辐射式高温计。热电阻是根据导体(半导体)的电阻值随温度变化而变化的性质来作为测温元件的。热电偶式温度计是利用热电现象测量的,即将两根不同导体的两端接成闭合回路,由于两端温度不等,因而在回路中形成热电势,这就是热电现象。热辐射式高温计是利用热辐射现象测温的,即物体由于受热后,有一部分热能转变成辐射能,以电磁波的形式向四周辐射,利用辐射换热在高温环境下测量温度。
前两种均需用到铂、铑、钨、铼、铱等贵稀金属,这些贵稀金属资源稀缺(我国需求较大且主要靠进口供应),价格昂贵、提炼和回收时易造成环境污染,且热电阻式温度计测量范围一般为800K以下,不满足高温(800~2000K)测量需求。而热辐射式高温计在使用中存在以下问题:
(1)被测物体辐射率一般是不稳定的;
(2)光传输的空间不稳定;
(3)背景光的影响;
(4)开放式光学表头易受污染;
(5)难以实现信号的远程传输。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服热辐射式高温计的不足,寻找能够代替贵稀金属铂铑而进行高温测量的产品,而提供一种接触式热辐射光纤三色高温计。
本实用新型的目的是通过下述技术方案实现的:
接触式热辐射光纤三色高温计,包括
内管、外管,所述内管、外管的同一端头呈圆头状封闭,另一端为敞开的开口端,内管、外管之间的夹层为避光层,封闭端的内管、外管与所夹的避光层形成一个置于被测温点的黑体腔;
平凸透镜,其设置在内管的开口端,平凸透镜的凸端与内管的圆头封闭端相对应;
光探测器,其通过光纤束与平凸透镜耦合,光探测器与信号放大处理显示及远传模块电连接。
所述避光层内填充的材料为石墨、硅碳和硅钼粉。
所述材料的质量比为石墨:硅碳:硅钼粉=1:1:1。
所述光探测器为红绿蓝3通道Si光电二极管探测器。
所述光纤束为无序排列,长度为1-10米。
所述光纤束长度为3米。
所述信号放大处理显示及远传模块中,预存有由以下公式(1)定义的温-色参数β(T)与温度关系的校准时测量数据:
式中,iR、iG、iB分别为三色光探测器红、绿、蓝光输出光电流的大小,RG为三色光探测器绿光输出端的取样负载电阻值,kR、kB分别为三色光探测器红、蓝光输出端的取样负载电阻值与绿光输出端的负载电阻值之比,调整kR和kB的值可以改变β(T)的线性度与分辨率特性。
本实用新型基于接触式热辐射测温理论,利用三色光探测器输出量与温度的关系,并通过光纤传感技术准确测量高温温度,温度测量范围设定在800℃~1800℃。
本实用新型的有益效果是:
高温(1000-1800℃)测量,目前主要是用接触式的铂-铑热电偶和非接触式的光学高温计。前者系贵稀金属、资源贫乏、价格昂贵、信号微弱、易受强电干挠;后者因被测物体辐射率不稳定、光传输的空间易波动、易受背景光的影响、开放式光学镜头易受污染、难以实现信号的远程传输等等,其测量精度很有限。本项实用新型正好可以克服二者的缺点,可望成为高温测量领域的新一代主流产品而受广泛应用。具体讲,本实用新型可获效益主要有以下几点:
(1)可以替代铂-铑热电偶,节约大量贵稀金属物资;
(2)抗强电磁干扰,易于多点组网实现大型设备或多点的温度集中监控;
(3)测量范围宽、线性度好、精度高;
(4)成本低、应用范围广、市场容量大。
本实用新型在热辐射式测量高温的基础上引入接触测量方式、三色测温原理、光纤传感技术提出了接触式热辐射光纤三色高温计,能够替代铂-铑热电偶和热辐射式高温计等传统温度测量仪在高温领域中的应用,使高温计真正成为低成本、高精度、长寿命的高温温度测量仪器。
附图说明
图1为实施例的结构示意图;
图2为实施例中色-温参数β(T)与温度T的关系曲线图。
图中,1.外管 2.内管 3.避光层 4.平凸透镜 5.粘胶 6.连接件 7.光纤束 8.光探测器 9.信号放大处理显示及远传模块。
具体实施方式
为了更好地理解本实用新型的技术方案,下面结合附图及实施例对本实用新型内容作进一步详细描述,但不是对本实用新型的限定。
实施例:
参照图1,接触式热辐射光纤三色高温计,包括
内管2、外管1,所述内管2、外管1的同一端头呈圆头状封闭,另一端为敞开的开口端,内管2、外管1之间的夹层为避光层3,封闭端的内管2、外管1与所夹的避光层3形成一个置于被测温点的黑体腔;
平凸透镜4,其设置在内管2的开口端,平凸透镜4的凸端与内管2的圆头封闭端相对应;
光探测器8,其通过光纤束7与平凸透镜4耦合,光探测器8与信号放大处理显示及远传模块9电连接。
避光层3内填充的材料为石墨、硅碳和硅钼粉,所述材料的质量比为石墨:硅碳:硅钼粉=1:1:1。
由于内管2、外管1双层管构成的高温传感探头不用贵稀金属,节约了大量贵稀金属物资,也降低了成本。
所述光探测器8为红绿蓝3通道Si光电二极管探测器。
所述光纤束7为无序排列,长度为1-10米,本实施例优选为3米。
具体地,内管2、外管1为刚玉管;光纤束7为玻璃光纤束,对红、绿、蓝光损耗相同,光纤抗电磁干挠能力强;外管1、内管2、平凸透镜4、光纤束7和连接件6通过粘胶5粘接固定在一起,粘胶5为耐高温粘胶,连接件6为金属材质,主要用于固定光纤束7。光纤束7与光探测器8管心对准相连粘稳。平凸透镜4其凸端置于内管2内,平端露在内管2外,透镜平端直径与内管2内直径相同。
内管2圆形封闭端头A区域在高温下发出的光,经平凸透镜4汇聚进光纤束7传送到光探测器8上,光探测器8输出的三路光电流经信号放大处理显示及远传模块9后,显示被测温度,并可按需要将温度信息远传到其他地方。
首先,所述内管2、外管1之间填充的避光层3材料为石墨、硅碳和硅钼粉,避光层3与内管2构成类似黑体,测温时,将刚玉管伸入温度场,两层刚玉管内外达到热平衡状态时,上述的类似黑体辐射有效区域为内刚玉管2圆型封闭端头区域,由高温引起该区域辐射光聚集到平凸透镜4的平端未端,所述平凸透镜4为专用平凸透镜,其凸端置于刚玉管2内,平端露在刚玉管2外,透镜平端直径与刚玉管2内直径相同。由于刚玉管具有一定空间,利用空间滤波效应,使平凸透镜的输出光全部为该区域热辐射光。
然后,平凸透镜4输出连接玻璃光纤束7,玻璃光纤束7对红、绿、蓝光损耗相同,玻璃光纤束7输出连接三色光探测器8,三色光探测器8采用Hamamatsu公司的S9032-02型3通道(RGB)Si光电二极管,这样,玻璃光纤束隔离了高温区,使三色光探测器8能够处于常温环境下工作,提高其使用寿命。
最后,三色光探测器8接收玻璃光纤束7的输出,一方面对其起到滤波作用,只响应红、绿、蓝光三种可见光,另一方面三色光探测器8测量的是红、绿、蓝的组成成分,而不是测量其功率大小,使得三色光探测器8的输出能够真实反映辐射光所对应的高温温度。三色光探测器8的输出由信号放大处理显示及远传模块9处理,在模块9中预存有公式(1),三色光探测器8输出红、绿、蓝三个分量的光电流大小,通过模块9获取三个光电流的大小,由公式(1)得出β值的大小,根据图2所示的β(T)与温度T的特性曲线可得所求温度的大小。
iR、iG、iB分别为三色光探测器红、绿、蓝光输出端电流的大小,RG为三色光探测器绿光输出端的负载阻值,kR、kB分别为三色光探测器红、蓝光输出端的负载阻值与绿光输出端的负载阻值的比例大小,调整kR、kB的值可以改变β(T)的线性度与分辨率。
公式(1)中的iR、iG、iB大小由公式(2)决定:
为三色光探测器红、绿、蓝三个通道的光谱响应特性函数,E(λ,T)为普朗克辐射定律,如公式(3)所示。
其中,C1为普朗克第一辐射常数,大小为3.742×10-4W·μm2,C2为普朗克第二辐射常数,大小为1.439×104μm·K。
采用接触式热辐射方式、基于光纤传感技术与三色测温原理,本实用新型的高温计与传统的铂铑热电偶式高温计相比,本实用新型不需要使用贵稀金属,结构也更简洁,使产品成本大大降低;传统的铂铑热电偶式高温计用到了两层刚玉管,起到保护与固定铂铑电极的作用,已经长期应用于高温温度测量,本实用新型应用双层刚玉管保证了高温计的使用寿命;本实用新型用到三色光探测器,其接收玻璃光纤束的输出,一方面对其起到滤波作用,只响应红、绿、蓝光三种可见光,另一方面三色光探测器测量的是红、绿、蓝的组成,而不是测量其功率大小,使得三色光探测器的输出能够更真实反映辐射光所对应的高温温度。因此,本高温计使得高温温度真正实现了低成本、长寿命、高准确度的测量。
Claims (6)
1.接触式热辐射光纤三色高温计,其特征在于:包括
内管、外管,所述内管、外管的同一端头呈圆头状封闭,另一端为敞开的开口端,内管、外管之间的夹层为避光层,封闭端的内管、外管与所夹的避光层形成一个置于被测温点的黑体腔;
平凸透镜,其设置在内管的开口端,平凸透镜的凸端与内管的圆头封闭端相对应;
光探测器,其通过光纤束与平凸透镜耦合,光探测器与信号放大处理显示及远传模块电连接。
2.根据权利要求1所述的接触式热辐射光纤三色高温计,其特征在于:所述避光层内填充的材料为石墨、硅碳和硅钼粉。
3.根据权利要求2所述的接触式热辐射光纤三色高温计,其特征在于:所述材料的质量比为石墨:硅碳:硅钼粉=1:1:1。
4.根据权利要求1所述的接触式热辐射光纤三色高温计,其特征在于:所述光探测器为红绿蓝3通道Si光电二极管探测器。
5.根据权利要求1所述的接触式热辐射光纤三色高温计,其特征在于:所述光纤束为无序排列,长度为1-10米。
6.根据权利要求5所述的接触式热辐射光纤三色高温计,其特征在于:所述的光纤束长度为3米。
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