便携式高温辐射测温仪的研制

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辐射测温是非接触式测温方法之-l]，相对其他测温方法 ，非接触式测温具有诸多优点，如测温时响应速度快、温度传感器不直接接触被测物体、不影响被测温度场以及理论上无测量上限等.辐射测温在理论上以黑体辐射定律、普朗克定律、维恩位移定律、斯特藩～玻尔兹曼定律为基础 ，主要有亮度测温法 、全辐射测温法和颜色测温法 ].辐射测温仪的性能十分优越，应用范围也很广泛 ，例如在冶金和材料加工中用 于测量金属液体表面温度及铸造件、热冷轧件和热处理件的温度；在石油化工中用于检测传输管道、蒸汽井的温度 。

目前，全国有几百座炼铁高炉，每座高炉每次出铁时都要进行铁水温度检测，而大多数高炉还采用-次性热电偶间断测量温度 ].每座高炉每天上百次的测温，使得热电偶的消耗量极大，不但企业生产成本高，而且消耗大量贵金属，不利于可持续发展.本文以黑体空腔辐射理论为基础，研制了-种用于高炉铁沟铁水测温的便携式高温辐射测温仪.经过反复实验测试，该测温仪能够在线连续测量铁水温度，测量结果与热电偶测温结果相吻合，具有抗热震性能好、测温速度快、测量数值稳定和无耗材、无污染、可以重复使用等优点。

1 仪器设计1.1 辐射测温的理论依据高温辐射测温仪的核心技术是设计-种新型密闭空腔式辐射温度传感器，其理论依据是黑体辐射理论。

自然界中的物体在任何温度下都会不断地向四周辐射波长不同的电磁波，这就是热辐射.在给定温度和波长的情况下，黑体的热辐射服从普朗克辐射定律 ：W - Cl其中 ：C1(C2)为普朗克第 1(第 2)常数 ，C -3.74 215×1O 。Mw ·m。，C -1.438 7×10 m·K；W 为黑体的单色辐射本领；T为黑体的热力学温度； 为黑体的辐射波长。

1.2 测温仪的设计与制作因为测温仪 中的红外传感器探头在线测量时距离铁水很近，所 以制作保护套及前端与铁水接触 的部件时，要求所用的材料耐高温、抗热震性能好、使用寿命长，并且要求所用的部件结构简单、体积孝替换方便。

设计满足这些要求的测温仪是研制工作的难点，其中涉及温度传感原理、空腔材料的选择和试验、空腔结构设计方案以及高温环境工作方式和便携式结构等因素。

收稿 日期；2012 11-06基金项 目：内蒙古高等学衅学研究项目(NJ09087)；内蒙古科技厅科技计划项目；内蒙古科技大学产学研合作项 目(PY-201214)作者简介：赵存虎(1958～)，男，内蒙古包头市人，内蒙古科技大学副教授，主要从事物理教学和红外测温技术研究，E mail：zhaocunhu###163.com。

第 4期 赵存虎 等：便携式高温辐射测温仪的研制便携式高温辐射测温仪的结构如图 1所示，其前端部分为耐高温陶瓷管和杯状耐高温玻璃管堵头，使用时将玻璃管堵头伸入铁水中；探头保护套内的传感器探头用来采集铁水的红外辐射，通过光纤将信号送人设置在控制器内的光信号处理器。

图 1 便携式高温辐射测 温仪 的结 构Fig.1 Structure of portable high-temperature radiation thermometer由于测温仪前端在使用时需浸入铁水中，我们起初选择了铝-碳合金作为耐高温陶瓷材料，经反复调整配比进行试验，最终确定的陶瓷材料可耐 2 000℃高温，抗热震性能良好.用这种材料加工制作成通透式和-端封闭式两种圆筒形腔体，在包钢炼铁厂四号高炉分别用两种腔体作为前端部件进行了测温试验.比对发现，两种腔体设计各有优缺点.将陶瓷管伸人铁水-定深度时，通透式腔体测温迅速，但腔内的传感器极易受铁水上方烟尘的影响，测量数据波动很大，后又加装高压空气吹除装置吹扫腔内的烟尘，效果也不明显，吹起的烟尘运动速度快，非均匀附着在传感器探头的透镜上，使测量结果不稳定；使用-端封闭式陶瓷管，将其封闭端浸入铁水中测温时，虽然数据较为稳定，但由于腔体浸入铁水中约 5 min后才能得到稳定数据，由于时间太长，腔体内的传感器探头及光纤所能耐受的温度超限，出现数据紊乱现象，并大大缩短了仪器的使用寿命.为此，我们改进了设计，在通透式陶瓷管前端嵌接了-种无色透明杯状玻璃管堵头(图 1)，这种玻璃具有抗热震性能好、可耐 1700℃高温、不沾铁水等优点.测温试验时，将玻璃管堵头封闭端浸入铁水中 3 s左右，温度数据迅速接近热电偶测得的温度，且仪器显示数据稳定，未出现紊乱现象，这表明腔体内的传感器探头温度未超过其耐受温度。

1.3 测温仪中传感器的测温标定测温仪中的光纤温度传感器配有模数转换的数字显示仪表 ，并配有 R485通讯接 口.传感器与仪表接插式连接设计，使仪器使用及部件替换过程更加便捷.测温仪中的温度传感器的实验室标定如图 2所示。

在温度传感器标定过程 中，将加热炉(马弗炉)缓慢升温至 1 280℃，并在多个采 温点维持炉膛恒温.表 1为标定过程 中的-组实验数据 ，由数据可见，被测物处于某-温度时，传感器测得的温度 与传感 器探 头 到加热 炉 的距 离有关 ，通过 对图 2 温度传感器的实验室标定Fig.2 Laboratory demarcation of temperature sensor820℃、940℃、980℃、1 280℃等几个不同的温度进行标定，发现传感器探头离加热炉越近，传感器显示的温度越接近标准温度。

1.4 测温仪中传感器的光电-体化设计考虑到实用性，传感器的感光探头和模-数-模”转换电路采用光电-体化设计，-并封闭在陶瓷腔体内.由理论分析可知，当热辐射温度在 3 000 K以下时，可根据维恩位移定律 -6(6-2.898×10～m·K，为黑体辐射本领峰值所对应的波长)确定感光器件 ].若考虑铁水辐射的波长范围，其峰值波长 在1.7 gm左右.由于硫化铅在1.O～2.8 m的工作波长范围内具有较高的感光灵敏度，而且其工作峰值位于红外光区域，与铁水的红外辐射区域接近，所以可用作铁水温度(1 000 oC～1 600℃)测量的感光传感器件6].测内蒙古师范大学学报 (自然科学汉文版) 第 42卷量温度时，玻璃空腔管伸人铁水中接收辐射，探头获取的感光信号经光电转换器直接放大、滤波后，传输至传感器的电缆接插件端口，这可降低光缆长距离传输信号的损失，也可避免较长光缆的损坏.在传感器感光测量实验中，3 s内可获得稳定的数据，测温迅速、准确.考虑到传感器电源输入和通讯的需要，所选用的电缆接插件既可以向数字电路输入模拟信号，也可以直接配置二次仪表显示测温数据。

表 1 温度传感器标定实验数据Tab.1 Experimental data of temperature sensor calibration加热炉显 传感器显 探头到被测 加热炉显 传感器显 探头到被测示温度/℃ 示温度/'C 物距离/mm 示温度/C 示温度/℃ 物距离/ram820 729 360 980 927 725820 700 385 1 280 1 290 525940 890 360 1 280 1 250 575940 87I 385 1 280 I 222 625980 950 6752 试验分析2.1 测温方式及数据研制便携式红外辐射测温仪过程中，多次在包钢四号高炉进行铁沟铁水测温试验，并采用两种测温方式进行比对试验.在高炉出铁 10 min后，先用快速热电偶插入挡渣墙后挟上溢的铁水 中测量铁水温度 ，然后先用测温仪按第 1种方式(前端不入铁水)测温，测温仪前端玻璃管与铁水表面相距约 5 cm，再用第 2种方式(前端伸入铁水)测温，测温仪前端玻璃管浸入铁水内约 5 cm.表 2给出测温仪采用两种方式测得的数据和用快速热电偶测得的数据，测温数据显示，热电衰 2 测温仪和热电偶测得的温度对比Tab.2 Comparison of thermometer and thermo-couple measured temperatures测温仪/℃- - 热电偶/℃第 1种方式 第 2种方式偶测得的温度基本稳定，但测温仪测得的温度与测温方式有关，且测温仪前端插入铁水测得的温度与热电偶测得的温度有约 100℃的差别.测温结果的不确定性主要由以下几种原因造成。

2.1.1 传感器探头与铁水表面间距离及中间介质的影响 高炉出铁时，挡渣墙后挟中铁水上方的烟尘主要成分是 CO、FeO和 Fez0。.按第 1种方式测温时，铁水上方烟尘中的这些化合物对红外线有强烈吸收和散射 ，且由于烟尘温度高 、热运动速度快、附着力强 ，部分会粘附在玻璃管堵头上 ，降低了进入传感器探头的红外辐射能量密度.另外，由于光波在空中传播时，光强随传播距离的平方衰减，因而传感器探头与铁水表面间的距离也会影响测温结果.以上两种因素都会使仪器所测温度低于铁水的实际温度。

按第 2种方式测温时，尽管仪器前端的玻璃管堵头伸入铁水过程中也会粘附上粉尘，但进入铁水后在流动铁水的冲刷下，粉尘基本被清除.所以应将传感器探头到铁水的距离控制在适当的范围内，既要保证探头免受高温的伤害，也要保证测量结果的准确度旧能高.考虑以上影响因素后，用软件对测温仪测得的温度数据加以修正即可得到铁水的实际温度。

2.1.2 偏 向角对测温结果的影响 在图 2所示，对测温传感器进行温度标定实验中发现，当传感器探头在受限的陶瓷管中做微小的偏动时，所测得的温度与探头垂直正对辐射源表面时测得的温度有约 200℃的偏差.表 3是其中-次实验的数据，其中测温探头距离被测物表面 360 mrn。

表 3 测温探 头偏转 不同角度 时的测温 结果Tab.3 The measured temperature at temperatureprobe different deflection angle第 4期 赵存虎 等：便携式高温辐射测温仪的研制设探头正对的被测物表面三为模拟的无限大铁水表面，根据菲涅尔原理，被测物微元面积 在感温探头处引起 的辐射振幅为dE - K (O)E。cos( - ) ，其中：K(0)为倾斜因子，是随倾斜角e缓慢减小的函数；r是被测点到探头的距离；E。是比例系数.类比普通光源可知，铁水各处热辐射出的光子是间歇 的、随机的、独立的，故感温探头处的光振动应该是 三面上所有面积微元 的光振动在该点的非相干叠加 ，所以感温探头处光强应该为，- ( E。) dY，. 、- - ，所以感温探头处的光强为-盯( ) 妻i 。

又因探头角度的微小变化几乎不会改变探头到被测点 的距离 r，所以不改变积分项∑idY，·而要使得这-积分在无限大的面上仍然收敛 ，只能是0从 0递增到 丌或 -7l"时K(e)的收敛很迅速.所以探头接受到的辐射能量几乎是垂直于铁水表面的很 窄的△0角度内的所有辐射光波贡献 的总和.因此 ，探头相对铁水表面的偏向角是在线测量过程中造成数据不稳定和各种测量结果不精确的重要原因之-r7]。

总之，仪器安装时，务必使传感器探头方向与陶瓷管轴向平行，在线测温时最好采用第 2种测温方式.如果在支铁沟中采用第 1种测温方式(支铁沟内无烟尘)，应使传感器探头方向旧能垂直于铁水表面，并多次测量取平均值，以便减小偏向角对测量结果的影响。

3 测温仪样机使用情况包钢炼铁厂4号高炉约 30 min出-炉铁，当铁沟内铁水流动稳定后 ，现臣术人员用-次性热 电偶测量铁水温度，测量时间约 1 rain，之后每隔 3 min重复测量-次，共测 6次左右，这样每天要使用 130多个的热电偶 ，消耗非常大。

便携式高温辐射测温仪样机通过试验标定后，在包钢炼铁厂 4号高炉进行 了试用.将测温仪安置在铁表 4 测温仪与热电偶测温结果对比Tab.4 Comparison of the thermometer and thermo-couple temperature measurement沟上方 ，高炉出铁时 ，待铁沟内铁水流动稳定后 ，将测温仪插入铁水 中不间断地连续测量 15min，测量数据相对稳定.表 4是任取其 中-组热 电偶测得 的数据与同时间段测温仪测得的数据的对 比结果 ，由表 4可见，测温仪测得的温度偏低，其主要原因是测温仪浸入铁水时，前端玻璃筒吸附了粉尘，使进入传感器探头的辐射能量略有减弱.这-偏差可通过软件修正，不影响测量的准确性。

4 结语为了解决高炉测温过程 中热 电偶 的大量消耗造成 的成本增加问题，根据黑体空腔辐射测温原理 ，研制了- 种便携式高温辐射测温仪来替代热电偶测量铁水的温度.经过对测温仪样机进行测温标定和光电-体化设计后，在包头钢铁集团公司炼铁厂 4号高炉进行了测温试验，经过反复修正后，测得的数据与热电偶测得的数据基本吻合，最大误差为 0.5 .与热电偶相比，该测温仪具有耐热性能好、测温速度快、测温数据连续稳定 ，以及制造成本适中、使用寿命长、操作简单、维护方便等优点。

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