你好,欢迎访问 中国计量测控网(http://www.jlck.cn/) | 登录 | 注册

红外热电偶的原理与应用

2014/11/13 22:59:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  摘 要:介绍了一种把接触式测温和非接触式测温技术结合起来的新型测温产品,由红外温度计和形成黑体腔的热电偶保护套管构成。该产品有统一的分度表,具有互换性。其使用方法与铂铑热电偶相同,但不使用贵重金属,价格低、寿命长,且不需使用补偿导线。在冶金、建材等高温测量场合的使用,取得了良好的效果。

  0 引言

  温度是工业生产中过程测量和控制的重要参数之一。传统的测温方式有接触式和非接触式两种。接触式测温主要用来测量介质内部的温度。热电偶是工业生产中应用最广泛的接触式测温仪表之一,在高温测量中铂铑热电偶占有重要的地位,但热电偶是一种不可修复的消耗性产品,受测量现场气氛的污染会引起很大的测量误差,并很容易损坏。近年来贵金属材料的价格猛涨,使测温费用迅速攀高,已成为企业的一个沉重负担。

  辐射温度计是传统的非接触式测温仪表,它不用贵金属材料,但只能测量物体的表面温度,不能测量介质内部的温度。在线式辐射温度计(连续测温)有结构复杂的冷却装置,价格也很高。同时它受辐射源发射率的影响很大,所以必须加以修正,但由于没有针对每一个具体测量对象的修正表,因而修正往往是靠经验,所以测量准确度较低。

  SDB21型红外热电偶把接触式测温技术和非接触式测温技术结合起来,扬长避短,形成了一种新型的测温产品,它结构简单、统一分度、具有互换性,使用方便、质量可靠、价格低廉,已获国家专利。在很多场合,可以替代铂铑热电偶。

  1 测温基本原理

  接触式测温是以热传导使测量元件与被测介质达到热平衡(即测温元件的温度与被测介质的温度差异可以忽略不计)的情况下,利用测温元件本身的物理特性(即某个物理参数与温度的函数关系)将温度转换成其他物理量(如电量、机械量等),从而指示出温度值。

  非接触式测温基于温度辐射的理论。凡是高于热力学温度零度(-273℃)的物体,由于分子的运动,都会发射各种波长的电磁辐射。对于理想的辐射源———黑体而言,其辐射的能量与温度和波长的关系符合普朗克辐射定律:

  式中:Mλ为黑体单位面积在温度T时,在λ波长处的辐射功率;λ为波长;T为热力学温度;c1,c2为常数。

  黑体是一种完全的温度辐射体,其辐射能力仅与温度有关,而且它是一种完全的余弦辐射体,它在各个方向上辐射亮度都相同;而非黑体的辐射能力不仅与温度有关,而且与其表面材料的性质有关,它的辐射通量小于相同温度的黑体。通常用发射率来表示温度辐射体的辐射通量密度(辐射度)。发射率(ε)用辐射源的辐射度与同温度黑体的辐射度之比来表示,一般都小于1,而黑体的发射率定义为1。同时,处于热平衡状态的黑体其吸收率也等于1。

  红外热电偶的探测管(热电偶保护管)是插在被测介质中的,当它与被测介质之间达到热平衡时,它的底部温度与介质温度相同,这部分属于接触式测温。同时探测管内部形成一个具有高发射率(黑度系数ε≈1)的黑体辐射源,其辐射能量以红外线的形式通过管口传出,通过透镜照射在红外探测器上。红外探测器把辐射的能量转化成电信号,经处理后以符合分度表的电信号输出。这种接受温度辐射的元件与被测的物体不接触,因此这种测温方式叫做非接触式测温。因为不受发射率的影响,所以其测温准确度高。

  2 产品结构

  红外热电偶主要有探测管、透镜、滤光镜、反光镜、观察口、红外探测器、信号处理电路、防辐射板和接线装置等部分构成,其结构如图1所示。

  

  探测管是一个类似于热电偶保护管的封闭管,它用以插入窑炉(或熔液)内部。其长度可以像热电偶一样,根据实际需要选定,但它是可拆卸的,当探测管损坏后,可以方便地更换;透镜、滤光镜、反光镜和观察口构成光学系统,用以处理红外线信号;红外探测器用以将红外光信号转换成电信号;信号处理电路用以将电信号变为标准输出信号。

  3 产品设计

  3.1 光学系统设计

  光学系统起到收集红外辐射并将其聚焦到红外探测器上的作用。由于探测管底部空腔靶面较小,红外信号相对来说比较微弱,并受探测管内壁的限制,因此,要实现精确测温必须设计一个光路简单、光学分辨率高、红外辐射损失小的光学系统。光谱响应波长的正确选择至关重要,并为此设计了专用的镜片。光学系统的制造和安装,要十分牢固可靠,并要达到较高的精度。

  3.2 信号检测和处理电路的设计

  由于作为辐射源的探测管底部面积小,红外线信号很弱,所以红外探测器、信号处理电路的设计十分重要。同时要选用可靠性好、温度系数小、互换性好的元器件、并注意环境温度的影响。

  3.3 探测管的设计

  探测管要根据使用温度插入深度、安装方式、使用环境等因素进行设计,同时要考虑可拆卸性,便于用户更换并保证测温精度。目前,探测管材料可根据用户需要进行选择,其长度可在0.80~1.75m之间任意选择。

  4 配套仪表

  分度表是经过多次试验、计算和反复验证制定的,其数据是红外热电偶度都能满足的。根据专用的分度表,制作了专用的智能型显示仪表、变送器等二次仪表,这些仪表除了采用专用的分度表以外,其它功能与热电偶所配的仪表完全相同,用户无需做更多的学习和探讨。

  5 应用效果

  SDB21型红外热电偶已应用于隧道窑高温区窑顶测温(1 750℃)、氧化铝厂焙烧炉测温(1 200℃)、陶瓷厂窑炉炉壁测温(1 600℃)、碳素厂焙烧测温(1 400℃)、玻璃窑碹顶测温(1 600℃)、耐火材料厂窑炉炉壁测温、石灰窑高温区测温(1 600℃),实际效果很好,受到用户的好评。

  红外热电偶的安装方式和使用方法与传统热电偶相同,所以一般不用改造设备即可代替传统热电偶。但在探测管损坏时,可及时更换,不会引起整机报废,因此是一种可修复产品。实践证明,其使用寿命是传统贵金属热电偶的数倍乃至数十倍。

  由于不使用贵金属,所以红外热电偶的价格远低于传统的贵金属热电偶,仅相当于其1/3左右。红外热电偶不用补偿导线,只使用普通的铜导线即可,这也可以为用户节省大量资金。

  红外热电偶的热响应时间比传统热电偶短,因而其反应速度快。

  6 结束语

  SDB21型红外热电偶的研制成功,使接触式测温技术和非接触式测温技术结合变为现实。由于对两种方法扬长避短,所以在保证测温精度的前提下,可以大幅度地降低测温费用,为国家节省贵重金属。它的推广应用,正在产生巨大的经济效益和社会效益。

  参考文献

  1 高魁明,谢 植.红外辐射测温原理理论与技术[M].沈阳:东北工学院出版社,1989.

  2 谢 植,高魁明.计算黑体空腔有效发射率分布的矩形区域近似法[J].东北工学院学报,1988, (2).

  3 林钧挺,董培芝,张清俊,等.中国红外产品指南[M].北京电子工业出版社,1994.

  4 李景镇,苏世学,赵俊民,等.光学手册[M].西安:陕西科学技术出版社,1986.

  第一作者:田士翔,男,1954年生,1982年毕业于河南广播电视大学电子专业,工程师;主要从事红外测温的研究。

【免责声明】本文仅代表作者个人观点,与中国计量测控网无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本站证实,对本文以 及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺,请读者仅作参考,并请自行核实相关内容。

计测微信
前沿的计量测试资讯海量呈现,高端的计量测试技术权威发布。
service@jlck.cn
计测客户端下载
这里有计量领域最大的社交圈子,您可以在这里交流互动、拓展人脉、施展才华。iPhone
这里有计量领域最大的社交圈子,您可以在这里交流互动、拓展人脉、施展才华。Android

共有0参与评论,查看评论

用户名: 密码:


关于我们 | 广告业务 | 网站地图 | 网站导航 | 服务条款 | 版权所有 | 设为首页 | 加入收藏
Copyright © 2009 jlck.cn. All Rights Reserved 中国计量测控网 版权所有    
京ICP备09069416号-1   京公网安备110401021000079号   计测网客服:010-62453984
  邮编:100095   邮箱:liwei@jlck.cn   广告业务QQ:1329516046  客服QQ:568796035   投稿QQ:1606741657