智能光学测温系统的研究与应用

徐晓鹤（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司自动化部,山东 莱芜 271104）

智能光学测温系统的研究与应用

徐晓鹤
（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司自动化部,山东 莱芜 271104）

在工业应用中,高温测量技术最常见的方式是铂铑热电偶、钨铼热电偶等,它们都是稀贵金属,价格昂贵,其抗氧化、还原能力和抗电磁干扰能力都较差,且寿命较短。由光学测温传感器和智能测温仪组成测温系统，可适用于700～1900℃各种工业窑炉的在线测温控温，通过与常用的铂铑热电偶相比较，本系统具有测温直接、准确、寿命长、耐腐蚀、不受恶劣环境的影响等特点。

光学测温系统；高温测量技术；抗电磁干扰能力

0 引言

智能光学测温系统旨在研究开发出一种代替热电偶测温的新型技术，可适用于700～1900℃各种工业窑炉的在线测温控温。该系统利用光学测温原理，光学传感器通过测量物体表面辐射的能量来确定物体的表面温度，智能测温仪接收传感器输出电压进行高精度非线性校正并实时用LED显示测量温度。该系统可广泛使用于钢铁、有色金属、粉末冶金、焦碳、耐火材料、玻璃、陶瓷、水泥、化工等领域的在线高温测量和控制。具有测温精度高、工作稳定可靠，便于安装维护，使用寿命长等特点。是替代热电偶测温的理想高温测量技术。

1 智能光学测温系统的构成和工作原理

当感温管受热温度升高,管腔端部产生辐射光,辐射光经高温玻璃后，经透镜聚焦进入采光孔,经采光孔进入光敏元件。光敏元件输出的电压信号输入至光学测温仪，显示出相应的温度。由于感温管与光电转换器结构件构成封闭腔体，辐射光在腔体中传播，避免了水汽、粉尘等干扰。传感器的温度——电压对照表是决定测温是否准确地重要依据，实际标定温度——电压对照表时采用电脑控温的热电偶检定炉，控温精度±0.2℃，标准器采用一等标准热电偶及光电高温计。经过试验测温误差≤0.5%。

作为前端设备感温管由固定装置固定在被测物体的外壁上，固定装置的重要组成部分为可调节张力的异径管，即：外径上下一样，内径上下各异、套在感温管上的筒状物。

感温管通过固定套和压紧螺帽进行定位后，在中间的腔体中浇筑快干水泥进行密封固定。

入射光线经过透镜入射光孔后由平透镜进行聚焦。

温度补偿电路。测温传感器采用的光敏元件——硅光电二极管，其电压输出受使用环境温度的影响而变化，如果不进行温度补偿，将带来较大的测量误差。考虑到现场的使用环境较为恶劣，温度补偿应尽量采用无源方式，并减少现场布线。通过考察环境温度传感器输出电压的影响，采用负温度系数的热敏电阻构成温度补偿电路。热敏电阻的温度特性曲线如图3所示，补偿前后实际测温比对结果如图4所示。现场实际运行，与热电偶测温进行比对，测温偏差＜0.5%。

2 智能光学测温系统的特点

光学传感器的性能特点如下：

（1）测温准确度高，温度响应快；

（2）价格低、寿命长（大于3年），使用成本少(只消耗少量的探测管)；

（3）采用耐高温性能好的测温管,测温上限可达1900℃；

（4）统一分度，互换性好；

（5）使用方便，插入测温孔即可；

（6）对恶劣环境的适应能力和抗干扰能力都比较强，一般不需要附设风冷水冷系统；能避免粉尘、烟、水汽等对光路的污染；不需要补偿导线。

（7）为满足不同用户的在线测温要求，设计产生了两种不同种类的测温传感器，分别为直接式和间接式测温传感器。光学传感器技术指标如下：

（1）测温范围：（700—1900）℃ ；

（2）基本误差：△T≤±（0.5%*t+d）（℃），其中，t为仪表显示温度，d为仪表分辨力；

（3）使用环境温度：-55℃-125℃；

（4）刚玉管规格：长度 600 mm-2000 mm；外径φ20mm –φ30mm；可按用户需要定制。测温管管材选型如下所示：

测温范围：700℃—1300℃：感温管材：刚玉、不锈钢；

测温范围：700℃—1600℃：感温管材：高刚玉、特殊材料；

测温范围：700℃—1900℃：感温管材：碳化硅、特殊材料；

（5）传感器输出：标准0 mv-200mv信号。

3 总体性能比较和技术创新点

该自主研发的智能测温仪系统在现场运行2年多来，整体工作稳定，可靠性高，计量准确，寿命明显长于国内同类产品。并且系统的安装不需要另外开孔，直接利用原热电偶的开孔进行安装，使用方便。该系统的主要技术创新点：

（1）相比于传统的用热电偶进行高温测量的方式，测温准确度高，响应速度快。直接和间接两种测温方式使其适用于许多热电偶难以应用的场合：强腐蚀介质，带电物体，强电磁场，高温动态测量等。该测量方式为工业高温测温提供了一种切实可行的新方法，并且成本低，寿命长，精度高，不受恶劣环境影响，便于安装维护，系统投入生产后会为企业节约巨大的经济效益，是替代热电偶测温的理想高温测量技术。

（2）与传感器配套的智能测温仪表，在开发过程中采用了突破于以往温度测量仪表常用的模拟工作方式，采用了软件处理的方法完成更多所需功能，提高仪表工作可靠性。如内置高精度非线性转换软件模块，高精度全量程对传感器输出的非线性信号进行线性校正，非线性转换一次完成，无需硬件处理，提高了转换的可靠性。仪表采用智能化微机技术, 提出了全新的全量程输入免标定概念，采用自校零、自校准智能化技术，获得高精度的测量结果。仪表自带的RS-485通讯输出方式也为以后的系统联网提供可能。

（3）在高温测温场合替代热电偶，节约贵金属材料。

4 结论

总的来说，光学测温系统成本低，寿命长，便于安装维护，该系统还可以推广至有色金属、粉末冶金、焦碳、耐火材料、玻璃、陶瓷、水泥、化工等领域的在线高温测量和控制，是替代热电偶测温的理想高温测量产品。推广开来将为企业节约巨大的经济效益。

徐晓鹤（1983-），男,山东济南人,本科,工程师,研究方向：工业自动化控制软件工程。