[發(fā)明專利]便攜式光纖輻射測(cè)溫儀及其測(cè)量方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310593874.8
• 申請(qǐng)日: 2013-11-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103616080A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王鳴;夏偉科;郭余慶;王凱;胡章中;黃浩斐
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京師范大學(xué)
• 主分類號(hào): G01J5/20
• 分類號(hào): G01J5/20
• 代理公司: 南京知識(shí)律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 李媛媛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及晶體爐熱場(chǎng)測(cè)量?jī)x器，具體地涉及一種測(cè)量晶體爐熱場(chǎng)的便攜式光纖型輻射測(cè)溫儀及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)

輻射測(cè)溫儀經(jīng)常應(yīng)用于化工、能源、冶金和科學(xué)研究等領(lǐng)域的高溫測(cè)量。對(duì)于1800℃以上測(cè)量范圍，輻射測(cè)溫儀憑借非接觸測(cè)量紅外熱輻射的能量來(lái)推算相應(yīng)的溫度，測(cè)量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對(duì)最高可測(cè)溫度原則上沒(méi)有限制，所以在工業(yè)領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。由于輻射測(cè)溫儀的分辨率高，測(cè)溫精度高，重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在高溫測(cè)量中得到普及應(yīng)用。比如德國(guó)賽騰的MS/MI系列紅外測(cè)溫儀，在1500℃到2500℃的范圍內(nèi)的系統(tǒng)精度達(dá)到0.5%測(cè)量值，重復(fù)精度為0.1%測(cè)溫值+1K，溫度分辨率為0.1℃。以此類為代表的高精度的紅外測(cè)溫儀是基于黑體輻射的基本定律，測(cè)得特定波段的輻射能量與相應(yīng)溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并對(duì)相應(yīng)材料的發(fā)射率進(jìn)行修正，從而推算出相應(yīng)的溫度。但是這些儀器需要精密的光學(xué)鏡頭以及復(fù)雜的光信號(hào)處理裝置，因而難以做成結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉的測(cè)量?jī)x器。

傳統(tǒng)的輻射測(cè)溫儀結(jié)構(gòu)普遍龐大，光路復(fù)雜，對(duì)壞境影響敏感，而且價(jià)格昂貴，因此迫切需要更加簡(jiǎn)單、緊湊、穩(wěn)定的測(cè)溫系統(tǒng)。另外，大多數(shù)的輻射測(cè)溫儀是一種基于光電精密測(cè)溫的技術(shù)，所以光電探測(cè)器是精密測(cè)溫技術(shù)中的關(guān)鍵元件。最早期的光電元件多為光電倍增管和光電管，這類電真空器件應(yīng)用中要求幾百伏至幾千伏的高壓，而且光譜響應(yīng)都在可見(jiàn)光至近紅外范圍內(nèi)。后來(lái)，重量輕、體積小的光電探測(cè)器陸續(xù)出現(xiàn)。而且在穩(wěn)定性、靈敏度、光譜響應(yīng)范圍、通帶寬度等方面都有很大的提高和改善，并很快在工程應(yīng)用中占據(jù)了不可替代的位置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供便攜式光纖輻射測(cè)溫儀，該儀器是一種能夠檢測(cè)超高溫的測(cè)量?jī)x器。本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種利用該便攜式光纖輻射測(cè)溫儀進(jìn)行溫度測(cè)量的方法。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

便攜式光纖輻射測(cè)溫儀，由光學(xué)系統(tǒng)和電路系統(tǒng)組成，其特征在于：所述光學(xué)系統(tǒng)由大功率光纖耦合器連接傳能光纖組成；所述電路系統(tǒng)包括光電探測(cè)器、前置放大器、AD采樣模塊、信號(hào)處理模塊、顯示模塊、按鍵輸入、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和電流環(huán)，其中，所述光電探測(cè)器、前置放大器、AD采樣模塊和信號(hào)處理模塊依次連接，所述顯示模塊、按鍵輸入和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊分別與所述信號(hào)處理模塊連接，所述電流環(huán)與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊連接；所述傳能光纖的輸出端與光電探測(cè)器的輸入端相連。

其中，所述電流環(huán)采用4-20mA電流環(huán)。光電探測(cè)器采用標(biāo)準(zhǔn)FC/PC封裝的InGaAs光電二極管。前置放大器采用對(duì)數(shù)放大器。AD采樣模塊采用的是24位高精度的采樣芯片。

為了利用上述的便攜式光纖輻射測(cè)溫儀測(cè)量晶體爐的溫度，本發(fā)明的測(cè)量法方法包括以下步驟：首先把大功率光纖耦合器安裝到晶體爐的觀察孔上，打開(kāi)觀察孔上的開(kāi)關(guān)，那么爐內(nèi)的熱輻射能量就通過(guò)大功率光纖耦合器匯聚到傳能光纖的端面上；能量再通過(guò)傳能光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器上，然后輻射能量由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)；電流信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大模塊進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換以及放大，得到的電壓信號(hào)由AD采樣模塊進(jìn)行高精度地采樣；模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，經(jīng)信號(hào)處理模塊通過(guò)曲線擬合的算法分析得到的采樣信號(hào)，最后通過(guò)標(biāo)定計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度值并通過(guò)顯示模塊輸出；數(shù)字信號(hào)也可以數(shù)模轉(zhuǎn)后通過(guò)4-20mA電流環(huán)的方式傳輸?shù)诫娔X上通過(guò)虛擬儀器Labview進(jìn)行處理；在測(cè)試不同溫度范圍時(shí)，可以通過(guò)按鍵輸入對(duì)信號(hào)處理模塊內(nèi)的算法參數(shù)進(jìn)行修改，方便適應(yīng)不同溫度段的精確測(cè)量。

本發(fā)明具有以下有益效果：（1）采用的大功率光纖耦合器耦合波長(zhǎng)范圍超寬，在0.4μm～2.5μm的范圍內(nèi)都有極高的耦合效率，可以直接插撥，重復(fù)性和互換性非常好；（2）采用纖芯為600μm的傳能光纖，能量傳輸損耗極低。在光纖外皮里面有一層金屬鎧，使里面纖芯受到保護(hù)，有抗強(qiáng)壓抗拉伸功能。利用光纖來(lái)傳輸能量可以減少測(cè)溫儀的安裝與保護(hù)的困難，并使測(cè)溫儀具有撓性和小型化；（3）本發(fā)明的光電探測(cè)器采用標(biāo)準(zhǔn)FC/PC封裝的InGaAs光電二極管與傳能光纖連接十分方便，光纖的使用可以不受電磁干擾的影響，而使光電探測(cè)器遠(yuǎn)離高溫物體，保證了長(zhǎng)期在線工作的穩(wěn)定性。（4）高度集成的電路系統(tǒng)非常方便安裝在晶體爐控制臺(tái)上面，利于操作者觀察；（5）本發(fā)明采用精密的對(duì)數(shù)放大器對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，以及24位的采樣芯片進(jìn)行采樣，保證了整個(gè)儀器的測(cè)量性能：測(cè)量范圍為800-2200℃，測(cè)量精度為±0.2%，分辨率為1℃，響應(yīng)速度小于1ms。

附圖說(shuō)明