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2 仪器结构与测温原理
2·1 测量原理
如图1所示,反射镜与探测器对称地置于待测表面法线的两侧。当反射镜不起作用时,探测器接收到的辐射能P1为
式中:D为光瞳口径,f′为光学接收系统的焦距,τ0为大气的传播系数,A为探测器的灵敏元面积,η为调制盘的调制系数,ελ为温度为T的待测目标在波长λ处的发射率,Lλ为温度为T的黑体在波长λ处的辐射出射度,τλ为光学系统对波长为λ的光的总透过率。
当反射镜起作用时,反射镜将红外辐射反射回待测区域的单色辐射能为
并结合式(1)或式(2),即可求出待测表面的温度。式(6)中,h为Planck常数,k为Boltzmann常数,c为光速。
2·2 仪器结构
该仪器主要由光学接收系统、号放大与处理系统及显示系统三部分组成。工作时,接收镜头接收到的光号(P1、P2),经窄带干涉滤光片滤光后,再经由PIN硅光电二极管构成的光电转换系统转换成电号。该号经前置放大、选频放大、脉宽压缩、模-数转换后送入8031单片机系统进行数据处理,计算出待测表面的发射率及温度。
电路中所需的各种触发与同步号,均由同步光电系统产生:透过调制盘上镶嵌的同步滤光片的光号,先经光电转换系统转变成电号,再经整形放大后送入8031单片机,适当延时后分别去触发、同步各个需要触发和同步的号。
调制盘的结构简图见图2。其中1、2、4号窗口贴的是波长为0·80μm的窄带干涉滤光片(带宽20nm)。3号窗口贴的是波长为1·00μm的滤光片,带宽约0·1μm(无严格要求)。5、6号窗口贴的是波长为1·00μm的滤光片(带宽也无严格要求)。调制盘的转速为1 200 r/min。
调制盘的具体调制情况如下:(1)当待测表面的光辐射透过3号窗口到达反射镜、并由反射镜反射后再次穿过3号滤光片回到待测区域时,1号窗口正对探测器。对于这种情况,反射镜不起作用。这是因为透过3号滤光片后又回到待测区域的光的中心波长为1·00μm,带宽约0·1μm。而1号窗口只能通过中心波长为0·80μm、带宽仅20 nm的光,因此探测器接收到的仅是“直射”能(P1);此时,由5号窗口透过的光辐射形成触发、同步号;(2)当待测表面的光辐射透过4号窗口到达反射镜、并由反射镜反射后再次穿过4号窗口回到待测区域时,2号窗口正对探测器。对于这种情况,反射镜起作用。探测器接收到的是“直射”能与“反射”能之和(P2);此时,由6号窗口透过的光辐射形成触发、同步号;(3)当待测表面的光辐射透过1号窗口到达反射镜时,3号窗口正对探测器。情况与(1)类似,不同的只是探测器接收到的是波长为1·00μm的光辐射。后续电路虽对该号进行放大处理,但因模-数转换电路没有触发号和同步号,因此不对其进行模-数转换;(4)当待测表面的光辐射透过2号窗口到达反射镜时,4号窗口正对探测器。情况与(3)类似,不同的只是探测器接收到的是波长为0·80μm的光辐射。后续电路虽对该号进行放大处理,但同样因模-数转换电路没有触发号和同步号,故不对其进行模-数转换。
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适宜在还原性或中性介质中使用，其热电势比较大，灵敏度高，线性度非常好，价格便宜，缺点是测温上限不高。
在进行热电偶的选型时，除要注意上述热电偶的使用环境、测量范围、测量精度、灵敏度和响应速度之外，还要注意热电偶保护套管的结构、材料、耐压强度及保护套管的插入深度等。对于精度要求较高，响应速度和灵敏度要求较高的工艺测量点，必须选用较贵重的S型热电偶;对于温度较高，响应速度和灵敏度要求不很高的工艺测量点，选用B型热电偶：一般的工艺参数测量，我们选用经济实用的K型或E型热电偶。例如：我公司窑尾烟室和分解炉的温度测量，我们多选用S型或K型热电偶。因为这两处为动态温度场，其温度随喷煤量的变化而变化，要准确、快速地检测此两处的温度，则热电偶必须有较高的灵敏度和热响应速度。我公司窑头和三次风管(入窑尾烟室处)的温度测量多选用B型热电偶;而一、二、三级预热器出口处的温度测量多选用K型热电偶;旋风分离器出口、烘干破碎机出口、窑尾电除尘器出入口的温度测量多选用E型热电偶。
2. 热电偶的冷端温度补偿
在生产实际中，由于热电偶的工作端(测量端)与冷端(参比端)离得很近，而且冷端又暴露在工作环境之中，因而容易受到周围工作环境温度波动的影响，所以冷端温度难以保持恒定，造成测量不准。实际应用是用专用补偿导线，将热电偶的冷端延伸至温度较低和比较稳定的地方。
在使用补偿导线时，要注意两个问题。其一，补偿导线的型号要与热电偶的型号相配。其二，热电偶与补偿导线连接端所处的温度不超过100℃，否则补偿导线所产生的金属导体的温差电势不能忽略。
3. 热电偶的安装
(1)热电偶的安装应尽可能保持垂直，以防止保护套管在高温下产生变形，但在有流速的情况下，则必须迎着被测介质的流向插入，以保证测温元件与流体的充分接触。
(2)热电偶应安装在有保护层的管道内，以防止热量散失。
(3)热电偶安装在负压管道中时，必须保证测量处的密封性，以防止外界冷空气进入，使读数偏低。
(4)热电偶的接线盒面盖应向上，入线口应向下，以避免雨水或灰尘进入接线盒，影响测量精度。
介绍了一种实用化实时测温系统。该系统采用了PIN硅光电二极管作光接收器件,由光学接收系统、号放大与处理系统及显示系统三部分组成。从系统的相对测温灵敏度及探测器的温度分辨率与波长间的关系出发,结合大气对红外辐射的透射特性,确定了系统的工作波长;从系统的抗反射辐射能力出发,并结合探测器的小可探测光功率要求,确定了系统的波长带宽。从辐射能P1、P2的测量不确定度出发,讨论了待测目标的发射率及温度的测量精度。结果表明,当λ=0·80μm、Δλ=20 nm时,在测温范围600~2 500℃内,系统的测温不确定度
1 引 言
辐射测温法分为主动式辐射测温法和被动式辐射测温法两类[1,2]。在主动式辐射测温法中,由于使用了激光源或红外源作为辅助测量光源[3~5],因而都能实时测出待测目标的温度,且都具有较高的精度。被动式辐射测温法又可分为单波长、双波长及多波长辐射测温法三种[6,7]。由于目前的单波长或双波长辐射测温法不能测出待测目标的发射率,因而往往都有较大的测温误差。本文所述的测温仪器采用了PIN硅光电二极管作光电转换器件。由于使用了反射镜与之配合,因而可以“被动地”同时实现发射率及温度的测量,且具有较高的测量精度。
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