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　　摘要：本文主要介紹—種以黑體輻射理論為基礎(chǔ)的HXW新型高溫傳感器，該傳感器是由探測(cè)管和探測(cè)器兩部分組成,兼有接觸式和非接觸式測(cè)溫兩類方法的長(zhǎng)處。測(cè)量方法是用耐高溫和耐侵蝕的材料制成人工黑體與被測(cè)對(duì)象接觸，加熱至被測(cè)溫度，用光電探測(cè)器接收亮度信號(hào)，可用來(lái)測(cè)量各類高溫爐和熔液內(nèi)部的實(shí)際溫度。
　　
　　一、引言
　　
　　在工業(yè)高溫領(lǐng)域中，溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)窯爐的壽命、產(chǎn)品的質(zhì)量、能耗的降低有著重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外常用的測(cè)量方法有兩大類，即接觸法和非接觸法。接觸法主要使用鉑銠熱電偶，這種方法的突出缺點(diǎn)是在高溫、高壓和有害介質(zhì)條件下工作，偶絲很快會(huì)變脆、損壞，要消耗大量的電偶絲，使用成本很高。在許多高溫爐中，使用壽命約為兩個(gè)月左右。在這一點(diǎn)上非接觸式測(cè)量具有很大的吸引力。但是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境往往很惡劣，被測(cè)對(duì)象發(fā)射率的不確定、光路中存在著許多煙霧水汽等情況直接影響測(cè)量的完成，另外熔融狀態(tài)下的液態(tài)物質(zhì)表面往往浮著沉渣，帶來(lái)不可克服的誤差影響。非接觸測(cè)溫準(zhǔn)確度遠(yuǎn)不如熱電偶，所以在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般做監(jiān)視用。
　　
　　由于鉑銠絲價(jià)格昂貴，我國(guó)的鉑資源又缺乏，需要大量進(jìn)口，加之近幾年市場(chǎng)價(jià)格連續(xù)上漲，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)成本。為了降低生產(chǎn)成本，許多企業(yè)盡量減少測(cè)溫點(diǎn)，只在關(guān)鍵的幾個(gè)測(cè)溫點(diǎn)選用鉑銠熱電偶，有的個(gè)體企業(yè)甚至靠工人的經(jīng)驗(yàn)判斷，這樣就會(huì)出現(xiàn)耗能增加、產(chǎn)品質(zhì)量下降等問(wèn)題。因此研制一種能替代鉑銠熱電偶的新型高溫傳感器是符合我國(guó)國(guó)情的。
　　
　　二、原理
　　
　　19世紀(jì)末，物理學(xué)家對(duì)黑體腔發(fā)射出來(lái)的輻射能進(jìn)行了大量的實(shí)際測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了輻射功率按波長(zhǎng)分布是穩(wěn)定的，且僅與腔體溫度有關(guān)，而與腔體材料無(wú)關(guān)。直到1900年，普朗克根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論推導(dǎo)出與實(shí)驗(yàn)*相符的公式，即普朗克定律：?jiǎn)挝幻娣e黑體在半球方向發(fā)射的輻射通量E（即輻射功率）是波長(zhǎng)和黑體溫度的函數(shù)，即：
　　
　　式中：C1—*輻射常數(shù)，C1=3.743´108Wmm4/m2;
　　
　　C2—第二輻射常數(shù)，C2=1.4388´104mmK;
　　
　　l—波長(zhǎng)，mm
　　
　　T—黑體熱力學(xué)溫度，K；
　　
　　我們就是根據(jù)普朗克定律，研制出采用綜合型測(cè)溫方法的接觸式光電溫度傳感器。
　　
　　綜合型測(cè)溫方法兼有接觸式和非接觸式測(cè)溫兩類方法的長(zhǎng)處。它是由探測(cè)管和探測(cè)器兩部分組成,可用來(lái)測(cè)量各類高溫爐和熔液內(nèi)部的實(shí)際溫度，而不受環(huán)境污染以及目標(biāo)黑度系數(shù)的影響。
　　
　　接觸式光電溫度傳感器它是由探測(cè)管、連接固定件、物鏡、光電轉(zhuǎn)化元件組成。探測(cè)管是一根用耐高溫材料制成的細(xì)長(zhǎng)盲管，其長(zhǎng)度與內(nèi)徑之比大于10。探測(cè)管可視為一個(gè)人工黑體，當(dāng)有一束射線從管的一端射入管內(nèi)，由于管子細(xì)長(zhǎng)，射線在管內(nèi)要經(jīng)過(guò)多次反射才能從原入射管口反射出來(lái)。射線的大部分能量被留在管內(nèi)，故其吸收率接近1，在工業(yè)上可以視為黑體。這就為傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性、探測(cè)管的互換性奠定了理論基礎(chǔ)。連接固定件的作用是用鎖緊螺母把探測(cè)器鎖緊在探測(cè)管上。物鏡用來(lái)聚光。光電轉(zhuǎn)化元件可根據(jù)實(shí)際情況選用各種紅外敏感器件。
　　
　　三、測(cè)溫系統(tǒng)組成及技術(shù)指標(biāo)
　　
　　zui簡(jiǎn)單的測(cè)溫系統(tǒng)由探測(cè)管、防輻射擋板、探測(cè)器、信號(hào)傳輸線、二次儀表組成，如圖2所示。探測(cè)管要根據(jù)被測(cè)對(duì)象的實(shí)際情況，選用耐高溫或耐腐蝕等技術(shù)指標(biāo)的探測(cè)管。在選擇測(cè)溫點(diǎn)時(shí)，要考慮到既可以正確反映爐內(nèi)的溫度，又要延長(zhǎng)探測(cè)管的使用壽命。無(wú)論垂直還是水平安裝，探測(cè)管的頂端與爐內(nèi)壁齊平。水平安裝時(shí)，探測(cè)管一定要放在一個(gè)平面上，否則在高溫下容易彎曲，影響到測(cè)溫的準(zhǔn)確性。HXW溫度傳感器的技術(shù)指標(biāo)如下：
　　
　　1、測(cè)溫范圍標(biāo)準(zhǔn)型（1000~1600）°C、（1000~1800）°C；
　　
　　2、基本誤差：（1000~1800）°C之間DT≤±（0.2~1.0）%t℃
　　
　　3、環(huán)境溫度：20~80°C，20~100°C
　　
　　4、探測(cè)管規(guī)格：長(zhǎng)750~1800mm，外徑f12~f27mm，也可按用戶需要選擇長(zhǎng)度和外徑；
　　
　　5、傳感器輸出：標(biāo)準(zhǔn)0~70mV（接配套數(shù)字儀表或微機(jī)）。
　　
　　四、性能特點(diǎn)
　　
　　HXW型溫度傳感器有以下特點(diǎn)：
　　
　　1、不受被測(cè)物體黑度系數(shù)的影響，測(cè)溫準(zhǔn)確度高；
　　
　　2、價(jià)格低、壽命長(zhǎng)（長(zhǎng)達(dá)10年），使用成本少（只消耗少量的探測(cè)管）；
　　
　　3、用耐高溫性能好的探測(cè)管、測(cè)溫上限可達(dá)2000℃；
　　
　　4、統(tǒng)一分度，互換性好，響應(yīng)時(shí)間快，溫度分辨率高；
　　
　　5、使用方便，插入測(cè)溫孔即可；
　　
　　6、對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力和抗*力都比較強(qiáng)，一般不需要附設(shè)風(fēng)冷水冷系統(tǒng)；能避免粉塵、煙、水汽等對(duì)光路的污染；不需要補(bǔ)償導(dǎo)線。
　　
　　五、比較優(yōu)勢(shì)
　　
　　工業(yè)窯爐中的使用條件往往很惡劣，高溫高腐蝕性介質(zhì)對(duì)熱偶保護(hù)管的損害性很大。有些行業(yè)中熱偶保護(hù)管的使用壽命只有短短的半個(gè)月、一個(gè)月。熱偶保護(hù)管一旦破損，偶絲馬上就被燒斷。因此,有許多廠家為了降低生產(chǎn)成本，用K偶代替S偶，用S偶代替B偶。這種做法短時(shí)間可行，但是熱電偶較長(zhǎng)時(shí)間在極限溫度中使用，其熱電特性會(huì)發(fā)生變化，誤差很大。
　　　　
　　有廠家做過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間在極限溫度中用過(guò)的K偶進(jìn)行檢定，發(fā)現(xiàn)其誤差一般多達(dá)20~40°C。這么大的測(cè)量誤差會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響。使用HXW光電溫度傳感器就可以避免以上的損失。其探測(cè)管與探測(cè)器是通過(guò)連接件固定的，如果探測(cè)管損壞，只需換一根價(jià)格百元左右的管子就行。測(cè)溫系統(tǒng)的長(zhǎng)期消耗性成本可以大幅度降低。表1是三種測(cè)溫方法主要優(yōu)缺點(diǎn)的比較。
　　
　　六、結(jié)論及發(fā)展前景
　　
　　我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室檢定爐及工業(yè)窯爐中用HXW溫度傳感器同傳統(tǒng)的熱電偶作過(guò)對(duì)比性試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，該溫度傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確度、重復(fù)性平均達(dá)到或接近熱電偶的技術(shù)水平。另外，該傳感器的安裝、測(cè)量方式與熱電偶*相同，使用中不需維護(hù)，易被操作工人接受。HXW溫度傳感器在碳素、鋼鐵、鎂、玻璃、陶瓷、耐火材料、高溫?zé)崽幚碓S多行業(yè)中都有使用，其測(cè)量的準(zhǔn)確度、超常的壽命已為許多廠家所認(rèn)可。大部分使用長(zhǎng)達(dá)5、6年后仍然正常工作，其超常使用壽命可為生產(chǎn)廠家大大降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。
　　
　　寬量程光電溫度傳感器（200~1600℃）已在實(shí)驗(yàn)室試制成功,其測(cè)溫范圍寬，在工業(yè)領(lǐng)域中可以廣泛取代鉑銠熱電偶。但高成本是其進(jìn)入市場(chǎng)的障礙。光電溫度傳感器的標(biāo)準(zhǔn)型（800~1800℃）由于具有技術(shù)成熟性、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因此，在1000℃以上的工業(yè)測(cè)溫領(lǐng)域，*可以取代貴金屬熱電偶，將成為貴金屬熱電偶的理想替代產(chǎn)品。