CN2220636Y - 接触式光纤测温头 - Google Patents

Abstract

一种根据黑体辐射与温度关系原理的接触式温度测量头，由辐射头和光纤传感头组成，辐射头发出的与待测温度相应的热辐射经光纤、光电元件及前放电路转换成电信号，输出至二次仪表对温度进行接触式测量。

Description

接触式光纤测温头

本实用新型涉及一种接触式温度测量探头。

目前公知的接触式高温测量探头多是用铂铑热电偶、钨铼热电偶等，其结构是：在耐高温材料护套中放入热电偶丝，用导线将热电势传给二次仪表进行温度测量。

但是，热电偶丝很细，在高温下会因溅射而使用寿命不长；在有强电磁场的环境下工作容易受干扰；在用金属护套情况下，易产生电气短路故障。

本实用新型的目的是提供一种测量精度高、寿命长、抗电磁干扰且不存在电气短路问题的接触式光纤测温头。

本实用新型的原理是根据黑体热辐射与温度的关系，利用光纤和光电转换元件作传感器来实现温度测量，从而提供一种接触式光纤测温头。

本实用新型是这样实现的：该测温头由辐射头和传感头组成，辐射头是一个端头封闭的管状腔体，该腔体的开口端与传感头轴向连接，传感头至少包括光栏管、光纤、光纤套、支承套、红外滤光片和光电转换元件，其中光栏管的一端开口，另一端有一个位于光栏管轴心上的锐边园孔，作为辐射头黑体腔的热辐射输出口，光纤通过光纤套和支承套设置在光栏管的轴线上，光纤的一端与位于光栏管的轴心的光栏孔轴向相隔一定距离，光纤的另一端与红外滤光片也轴向相隔一定距离。红外滤光片的作用是滤除热辐射中的可见光，免除可能出现的光干扰，此滤光片紧贴于光电转换元件的光敏面上，且滤光片、光电转换元件的中心位于上述光栏孔、光纤形成的光轴上，光电转换元件通过上述设置获取信号并通过其输出端输出电信号。

上述测温头获取的电信号可进一步送入前放电路放大并传送到二次仪表进行显示和控制。

上述测温头中光纤靠近滤光片一端与滤光片的距离，等于或略小于光电转换元件的光敏面直径，以便能充分吸收光纤传送的热辐射信号。

在制造和装配上述的接触式光纤测温头时，最好辐射头与光栏管同轴连接。

上述测温头的辐射头通过与其套接的一端具有外螺纹的腔套和具有内螺纹的锁紧轮以及光栏管上的一个凸缘与光栏管连接。

在上述的接触式光纤测温头中，腔套是用高温胶粘在辐射头的开口端，且腔套与辐射头同轴。

在上述的接触式光纤测温头中，光纤可插入光纤套并在它们之间用胶粘结，以便保护光纤及加工光纤端面。

在上述的接触式光纤测温头中，光纤套与支承套之间也可用胶粘接连接，以便固定支承光纤。

为了保证光纤的集光能力，光纤的垂直于光纤光轴的两个端面需要与光纤套的两端齐平，并进行光学抛光。

本实用新型的辐射头，也可以直接与光栏管连接，其具体做法是：在辐射头的开头端和光栏管的光栏孔端依次分别加工出相配的内螺纹和外螺纹，将辐射头与光栏管直接用螺纹旋接。

在上述的接触式光纤测温头中，支承套的中心孔固定装配光纤套，并且该支撑套的前端插入光栏管的开口端，其后端插入一个用于设置前放电路板的前放套，该支承套与光栏管和前放套的内径紧密配合。

支承套可采用如环氧树脂玻璃纤维棒、布胶棒、陶瓷、耐高温塑料等隔热材料，以便于高温情况下使用，该支承套也可以采用金属材料。

另外，上述的接触式光纤测温头的传感器还可与前放套进一步连接，以便于对本实用新型的测温头进一步与一个前级放大电路进行电气连接，其连接方法是：传感器的后端通过连接套与前放套连接，其中，在光栏管的后端管壁上，以及前放套的前端管壁上分别开有通孔，在相应于这些通孔的位置上支承套开有螺孔，以便螺钉穿过连接套上的通孔进行连接。

上述用来放置前放电路的前放套后端装一个端盖，端盖上开孔插入和固定航空插座以便通过电缆与二次仪表连接。

为了增加前放电路的稳定可靠在完成前放电路板与光电转换元件及航空插座的电气连接之后，用绝缘树脂灌填并固化前放电路板与前放套之间的空隙。

由于采用本实用新型的上述方案，在测量高温时避免使用铂铑等稀贵金属。因为所测热辐射是在密闭的黑体腔中传送的，不会受到被测温场与测温头之间环境污染的干扰，这保证了测量的准确可靠。而且，由于热辐射是与温度的4次方成正比的，因此，所测温度越高，信号就越强，测量精度就能更高，因此只要辐射头能够承受的温度本实用新型都能测出，于是测温上限就可以大大超过铂铑热电偶的测量极限，扩大了应用范围。

铂铑热电偶是用很细的丝状物构成的结点测温。在高温时，金属都有溅射，因此铂铑热电偶在高温下通常寿命都较短，而本实用新型没有这样的问题，因而寿命很长。

由于光纤不受电磁场干扰，因此在有强电磁场存在的环境中，本实用新型的测量结果不受影响。

本实用新型的测温头在用于高温测量，尤其是1000℃以上的高温测量时，特别能显示出极大的优越性，但本实用新型的测温头在常温和低温测量时也具有其优越性。

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的纵剖面构图。

图2是图1的1-1剖视图。

图3是辐射头的剖面图。

图4是传感头与前放部分的连接图。

图5是传感头剖面图。

图6是辐射头与传感头连接处的放大图。

图7是本实用新型的辐射头与传感头的另一种连接方式的示意图。

图中，1、辐射头2、腔套3、光栏孔4、光纤套5、光纤6、凸缘7、锁紧轮8、光栏管9、支承套10、连接套11、前放套12、滤光片13、光电转换元件14、盖板15、前放电路板16、端盖17、航空插座

如图1所示的本实用新型完全实施后，由辐射头和传感头两个部件组成，辐射头1是一个一端封闭另一端开口的管状腔体，其尺寸和材料由待测温场的要求确定。

腔套2是用高温胶粘牢或螺旋连接在辐射头1的开口端，并且要求它们的管轴重合。

传感头包括光栏管8、光纤5、光纤套4、支承套9、红外滤光片12、光电元件13和盖板14。光栏管8的一端有直径为1毫米或比1毫米更小的锐边园孔，即光栏孔3，光栏孔3的中心位于光栏管8的管轴上。光纤5插入光纤套4并两端露头，用胶粘住后磨至与光纤套4的两端齐平并进行光学抛光，再用胶将光纤套4与支承套9粘牢。

当辐射头1的开口端可以加工出内螺纹时，光栏管8有光栏孔3的一端可以加工出外螺纹以便辐射头1可以与光栏管8直接旋接。

支承套9后端的滤光片12是红外滤光片，园形，两面光学抛光。光电转换元件13可以用硅光电池，PIN光电二极管或其它类型的光敏三极管等光电元件，其光敏面紧贴滤光片12，然后用盖板14压紧在支承套9上。光纤5的尾端至滤光片12的距离等于或略小于光电转换元件13的光敏面直径。制造和安装时要求保证光纤5的光轴与辐射头1的轴线重合。

支承套9的形状是这样设计的，其前端要紧密地插入光栏管8，其后端要插入前放套11。在高温下使用时，支承套9用隔热材料制成，以阻止外界热量传入，减少光电转换元件13的温度漂移，保证温度测量的稳定性，这在进行高温测量时尤其重要。

辐射头1与传感头之间用一个锁紧轮7连接，以便能方便地更换辐射头1。锁紧轮7对辐射头1和传感头的连接是这样来实现的：锁紧轮7从光栏管8的开口端套入至光栏管8的限位凸缘6处，锁紧轮7的内螺纹与腔套2的尾端上的外螺纹扣合，并使腔套2的尾端靠至光栏管8的限位凸缘6处。

传感器的后端通过一连接套10与一个用于设置前放电路板15的前放套11连接，此连接是这样来实现的：连接套10上有三排通孔，每排都有120度均布的三个孔，光栏管8的后端有两排通孔，每排都有120度均布的三个孔，其位置与连接套10上的前两排孔相对应，前放套11的前端也有一排120度均布的三个通孔与连接套10的后排通孔相对应。支承套9的后端有三排螺孔，其位置与支承套9上的三排通孔相对应，螺钉穿过连接套10、光栏管8以及前放套11上的相对应的通孔插入支承套9的螺孔中，将传感头与前放套11牢固地连接在一起。

前放电路板15置于前放套11中，前放电路板15的输入端用导线与光电转换元件13的输出端连接，前放电路板15的输出端和电源端与航空插座17用导线连接，前放套11的尾端装有一个端盖16。端盖16上开有与航空插座17相匹配的通孔及螺孔，使航空插座17能方便地固定在它的上面。端盖16的侧面有120度均布的三个螺孔，螺钉穿过前放套11后端120度均布的三个通孔将端盖16固定在前放套11上。在前放电路板15与光电转换元件13和航空插座17完成电气连接之后，用绝缘树脂灌填并固化前放电路板15与前放套11之间的空隙，然后固定上端盖16，这样可以使前放电路不受环境高温的影响，保证测量结果稳定可靠。

用本实用新型制成的接触式光纤测温头如图1所示。使用时，将辐射头1插入待测温区，辐射头1的长度应选择为能使传感头处于100℃以内的环境内。在辐射头1的温度与待测温区的温度平衡后，辐射头1的封闭端发射出与该处温度相应的热辐射，此热辐射通过光栏孔3被光纤5收集传送并经过红外滤光片12到达光电转换元件13的光敏面上，光电转换元件13将此热辐射信号转换成电信号输入前放电路板14，经放大处理后的电信号通过航空插座传输给二次仪表进行温度显示或控制。

Claims (13)

1、一种接触式光纤测温头，其特征在于，该测温头由辐射头(1)和传感头组成，辐射头(1)是一个端头封闭的管状腔体，该腔体的开口端与传感头轴向连接，传感头至少包括光栏管(8)、光纤(5)、光纤套(4)、支承套(9)、红外滤光片(12)和光电转换元件(13)，其中，光纤(5)通过光纤套(4)和支承套(9)设置在光栏管(8)的轴线上，光纤(5)的一端与位于光栏管(8)的轴心的光栏孔(3)轴向相隔一定距离，光纤(5)的另一端与红外滤光片(12)也轴向相隔一定距离，滤光片(12)紧贴于光电转换元件(13)的光敏面上，且滤光片(12)、光电转换元件(13)的中心位于上述光栏孔(3)、光纤(5)形成的光轴上，光电转换元件(13)通过上述的设置获取信号并通过其输出端输出电信号。

2、根据权利要求1所述的接触式光纤测温头，其特征在于，光纤(5)靠近滤光片(12)一端与滤光片(12)的距离，等于或略小于光电转换元件(13)的光敏面直径。

3、根据权利要求1或2所述的接触式光纤测温头，其特征在于，辐射头(1)与光栏管(8)同轴连接。

4、根据权利要求3所述的接触式光纤测温头，其特征在于，辐射头(1)通过与其套接的一端具有外螺纹的腔套(2)和具有内螺纹的锁紧轮(7)以及光栏管(8)上的一个凸缘(6)与光栏管(8)连接。

5、根据权利要求4所述的接触式光纤测温头，其特征在于，腔套(2)是用高温胶粘在辐射头(1)的开口端，且腔套(2)与辐射头(1)同轴。

6、根据权利要求1所述的接触式光纤测温头，其特征在于，光纤(5)与光纤套(4)为粘结连接。

7、根据权利要求6所述的接触式光纤测温头，其特征在于，上述的光纤套(4)与支承套(9)为粘接连接。

8、根据权利要求6所述的接触式光纤测温头，其特征在于，光纤(5)的两端与光纤套(4)的两端齐平，并进行光学抛光。

9、根据权利要求3所述的接触式光纤测温头，其特征在于，辐射头(1)也可以通过其腔体的开口端的螺纹与光栏管(8)在光栏孔(3)一端的螺纹旋接。

10、根据权利要求3所述的接触式光纤测温头，其特征在于，所述的支承套(9)的中心孔固定装配光纤套(4)，并且该支撑套的前端插入光栏管(8)的开口端，其后端插入一个用于设置前放电路板(15)的前放套(11)，该支承套(9)与光栏管(8)和前放套(11)的内径紧密配合。

11、根据权利要求10所述的接触式光纤测温头，其特征在于，传感器的后端通过一连接套(10)与前放套(11)连接，其中，在光栏管(8)的后端管壁上，以及前放套(11)的前端管壁上分别开有通孔，在相应于这些通孔的位置上支承套(9)开有螺孔，以便螺钉穿过连接套(10)上的通孔进行连接。

12、根据权利要求11所述的接触式光纤测温头，其特征在于，在前放套(11)的后端装一个端盖(16)，端盖(16)上开孔以便插入航空插座(17)。

13、根据权利要求12所述的接触式光纤测温头，其特征在于，在完成前放电路板(15)与光电转换元件(13)及航空插座(17)的电气连接之后，用绝缘树脂灌填并固化前放电路板(15)与前放套(11)之间的空隙。

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