接触式热辐射光纤三色高温计

摘要

本发明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。本发明能够替代铂-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。

说明书

技术领域

本发明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。

发明内容

本发明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。

本发明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：

$\beta \left(T\right)=\frac{i_G·R_G}{i_R·k_R·R_G+i_B·k_B·R_G}=\frac{i_G}{k_R·i_R+k_B·i_B}---\left(1\right)$

式中，i_R、i_G、i_B分别为三色光探测器红、绿、蓝光输出光电流的大小，R_G为三色光探 测器绿光输出端的取样负载电阻值，k_R、k_B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k_R和k_B的值可以改变β(T)的线性度与分辨率 特性。

本发明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℃。

本发明的有益效果是：

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。本项发明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，本发明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。

本发明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

为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明内容作进一步详细 描述，但不是对本发明的限定。

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。

$\beta \left(T\right)=\frac{i_G·R_G}{i_R·k_R·R_G+i_B·k_B·R_G}=\frac{i_G}{k_R·i_R+k_B·i_B}---\left(1\right)$

i_R、i_G、i_B分别为三色光探测器红、绿、蓝光输出端电流的大小，R_G为三色光探测器绿光输 出端的负载阻值，k_R、k_B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k_R、k_B的值可以改变β(T)的线性度与分辨率。

公式(1)中的i_R、i_G、i_B大小由公式(2)决定：

$\left(\begin{array}{c}{i}_R=\int \bar{r}·E(\lambda ,T)\mathrm{d\lambda }\\ i_G=\int \bar{g}·E(\lambda ,T)\mathrm{d\lambda }\\ i_B=\int \bar{b}·E(\lambda ,T)\mathrm{d\lambda }\end{array}\right)---\left(2\right)$

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。

$E_b(\lambda ,T)=\frac{C_1}{{\lambda }^5[e^{\frac{C_2}{\mathrm{\lambda T}}}-1]}---\left(3\right)$

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，本发明的高温计与传统的 铂铑热电偶式高温计相比，本发明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，本发明应用双层刚玉管保证了高温计的使用寿命；本发明用到三 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。