智能光學測溫系統的研究與應用

徐曉鶴（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司自動化部,山東 萊蕪 271104）

智能光學測溫系統的研究與應用

徐曉鶴
（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司自動化部,山東 萊蕪 271104）

在工業應用中,高溫測量技術最常見的方式是鉑銠熱電偶、鎢錸熱電偶等,它們都是稀貴金屬,價格昂貴,其抗氧化、還原能力和抗電磁干擾能力都較差,且壽命較短。由光學測溫傳感器和智能測溫儀組成測溫系統，可適用于700～1900℃各種工業窯爐的在線測溫控溫，通過與常用的鉑銠熱電偶相比較，本系統具有測溫直接、準確、壽命長、耐腐蝕、不受惡劣環境的影響等特點。

光學測溫系統；高溫測量技術；抗電磁干擾能力

0 引言

智能光學測溫系統旨在研究開發出一種代替熱電偶測溫的新型技術，可適用于700～1900℃各種工業窯爐的在線測溫控溫。該系統利用光學測溫原理，光學傳感器通過測量物體表面輻射的能量來確定物體的表面溫度，智能測溫儀接收傳感器輸出電壓進行高精度非線性校正并實時用LED顯示測量溫度。該系統可廣泛使用于鋼鐵、有色金屬、粉末冶金、焦碳、耐火材料、玻璃、陶瓷、水泥、化工等領域的在線高溫測量和控制。具有測溫精度高、工作穩定可靠，便于安裝維護，使用壽命長等特點。是替代熱電偶測溫的理想高溫測量技術。

1 智能光學測溫系統的構成和工作原理

當感溫管受熱溫度升高,管腔端部產生輻射光,輻射光經高溫玻璃后，經透鏡聚焦進入采光孔,經采光孔進入光敏元件。光敏元件輸出的電壓信號輸入至光學測溫儀，顯示出相應的溫度。由于感溫管與光電轉換器結構件構成封閉腔體，輻射光在腔體中傳播，避免了水汽、粉塵等干擾。傳感器的溫度——電壓對照表是決定測溫是否準確地重要依據，實際標定溫度——電壓對照表時采用電腦控溫的熱電偶檢定爐，控溫精度±0.2℃，標準器采用一等標準熱電偶及光電高溫計。經過試驗測溫誤差≤0.5%。

作為前端設備感溫管由固定裝置固定在被測物體的外壁上，固定裝置的重要組成部分為可調節張力的異徑管，即：外徑上下一樣，內徑上下各異、套在感溫管上的筒狀物。

感溫管通過固定套和壓緊螺帽進行定位后，在中間的腔體中澆筑快干水泥進行密封固定。

入射光線經過透鏡入射光孔后由平透鏡進行聚焦。

溫度補償電路。測溫傳感器采用的光敏元件——硅光電二極管，其電壓輸出受使用環境溫度的影響而變化，如果不進行溫度補償，將帶來較大的測量誤差。考慮到現場的使用環境較為惡劣，溫度補償應盡量采用無源方式，并減少現場布線。通過考察環境溫度傳感器輸出電壓的影響，采用負溫度系數的熱敏電阻構成溫度補償電路。熱敏電阻的溫度特性曲線如圖3所示，補償前后實際測溫比對結果如圖4所示。現場實際運行，與熱電偶測溫進行比對，測溫偏差＜0.5%。

2 智能光學測溫系統的特點

光學傳感器的性能特點如下：

（1）測溫準確度高，溫度響應快；

（2）價格低、壽命長（大于3年），使用成本少(只消耗少量的探測管)；

（3）采用耐高溫性能好的測溫管,測溫上限可達1900℃；

（4）統一分度，互換性好；

（5）使用方便，插入測溫孔即可；

（6）對惡劣環境的適應能力和抗干擾能力都比較強，一般不需要附設風冷水冷系統；能避免粉塵、煙、水汽等對光路的污染；不需要補償導線。

（7）為滿足不同用戶的在線測溫要求，設計產生了兩種不同種類的測溫傳感器，分別為直接式和間接式測溫傳感器。光學傳感器技術指標如下：

（1）測溫范圍：（700—1900）℃ ；

（2）基本誤差：△T≤±（0.5%*t+d）（℃），其中，t為儀表顯示溫度，d為儀表分辨力；

（3）使用環境溫度：-55℃-125℃；

（4）剛玉管規格：長度 600 mm-2000 mm；外徑φ20mm –φ30mm；可按用戶需要定制。測溫管管材選型如下所示：

測溫范圍：700℃—1300℃：感溫管材：剛玉、不銹鋼；

測溫范圍：700℃—1600℃：感溫管材：高剛玉、特殊材料；

測溫范圍：700℃—1900℃：感溫管材：碳化硅、特殊材料；

（5）傳感器輸出：標準0 mv-200mv信號。

3 總體性能比較和技術創新點

該自主研發的智能測溫儀系統在現場運行2年多來，整體工作穩定，可靠性高，計量準確，壽命明顯長于國內同類產品。并且系統的安裝不需要另外開孔，直接利用原熱電偶的開孔進行安裝，使用方便。該系統的主要技術創新點：

（1）相比于傳統的用熱電偶進行高溫測量的方式，測溫準確度高，響應速度快。直接和間接兩種測溫方式使其適用于許多熱電偶難以應用的場合：強腐蝕介質，帶電物體，強電磁場，高溫動態測量等。該測量方式為工業高溫測溫提供了一種切實可行的新方法，并且成本低，壽命長，精度高，不受惡劣環境影響，便于安裝維護，系統投入生產后會為企業節約巨大的經濟效益，是替代熱電偶測溫的理想高溫測量技術。

（2）與傳感器配套的智能測溫儀表，在開發過程中采用了突破于以往溫度測量儀表常用的模擬工作方式，采用了軟件處理的方法完成更多所需功能，提高儀表工作可靠性。如內置高精度非線性轉換軟件模塊，高精度全量程對傳感器輸出的非線性信號進行線性校正，非線性轉換一次完成，無需硬件處理，提高了轉換的可靠性。儀表采用智能化微機技術, 提出了全新的全量程輸入免標定概念，采用自校零、自校準智能化技術，獲得高精度的測量結果。儀表自帶的RS-485通訊輸出方式也為以后的系統聯網提供可能。

（3）在高溫測溫場合替代熱電偶，節約貴金屬材料。

4 結論

總的來說，光學測溫系統成本低，壽命長，便于安裝維護，該系統還可以推廣至有色金屬、粉末冶金、焦碳、耐火材料、玻璃、陶瓷、水泥、化工等領域的在線高溫測量和控制，是替代熱電偶測溫的理想高溫測量產品。推廣開來將為企業節約巨大的經濟效益。

徐曉鶴（1983-），男,山東濟南人,本科,工程師,研究方向：工業自動化控制軟件工程。