光电高温计的理论基础与工作过程
仪器网 · 2012-07-14 23:41 · 46473 次点击
光电高温计也是亮度法测温仪表,其理论基础和工作过程与光学高温计完全相同。
所不同的是:(1)光电高温计是用光电元件代替肉眼作敏感元件,因而避免了肉眼判断的主观误差,可以实现自动测量。
(2)不受肉眼光谱敏感范围限制,可以扩展测温范围。
(3)与滤光片配合,可以优选测温波段。
光电高温计按探测头结构可分成直接式、调制式、辐射平衡式、恒温式和环境温度补偿式等,这主要是由光电元件特性决定。
光电高温计按敏感元件不同可分为:用PbS光敏电阻作敏感元件的WDH型光电高温计、用硅光电池作敏感元件的WDI,型光电高温1"十、用于检定工作用辐射温度计的标准光电高温计和作为辐射高温计最高标准的直流光电比较仪等。硅光电池,或称硅光电管,是应用最广泛的光电探测器之一,尤其适合于700℃以上的高温范围。
硅光电池光电高温计的优点
(1)灵敏度高。硅光电池光电高温计对目标辐射取一个很窄的波段,其有效波长约为15m,因此透镜聚焦产生的色差小,视场光阑可以取得很小。由于硅光电池本身灵敏度高,故硅光电池光电高温计的灵敏度比同温度范围内的以热电堆为探测器的全辐射高温计高许多,如表2-24所示。因此可用WUL型光电高温计测址小目标或测量较远目标的温度。.
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(2)光谱发射率变化产生的误差小。由式(2-105)可得亮度温度计由于光谱发射率变化引起的亮度误差为
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由式(2-117)可见,具有大n值的亮度温度计,由于发射率变化引起的亮度温度误差小。硅光电池光电温度计有效波长在I5m左右,其n值较大。。值与仪表有效波长及测温范围之间关系如图2-51所示。
(3)使用波长范围宽。光电高温计的关键是采用尽可能理想的敏感元件来代替肉眼进行工作,元件的敏感性一般可用元件的探测率来表示。
元件的探测率D’是指在1个接收面积为1cm2的元件上有1W的人射功率时,元件的输出信号噪声比(此时规定测量噪声电路的频带宽为川:)。它是表征敏感元件将辐射能转换成电信号能力的特征参数。
图2-52给出了某些敏感元件的探测率D’与波长^的关系。由图中可见,肉眼只能感受可
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见光,而硅光电池的光谱响应波段为0.4-1.2um,PbS光敏电阻等敏感元件则主要对入>0.8um以上的红外光及远红外光敏感。使用敏感元件后,使用波长范围不像光学高温计受肉眼光谱敏感度的限制,而是可见光和红外光范围均可使用,其测址下限可向低温扩展。
(4)响应速度快。硅光电池的响应时间为微秒级,变送器的响应时间可在毫秒以下,整机的响应时间取决于信号处理单元的响应时间。表2-25列出了由各种探测器组成的变送器的响应速度。从中可见,硅光电池比其他光敏感元件的响应速度高很多倍,所以更适合于温度的动态测量,如热连轧钢板的表面温度测量。
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(5)受水蒸气吸收影响小。很多工业生产线上,水蒸气较多,并且有的工件上有时还存在水膜。如热轧厂轧制线上的水蒸气就较多,且带钢表面上还存在水膜。为减小水蒸气对测最的影响,应选择硅光电池,它的响应率群(探测器输出电压与输人辐射功率之比)和水蒸气吸收峰“如图2-53所示。由图可见.采用工作波长在I5m以下的硅光电池高温计,不仅叮以躲过水蒸气的几个主要吸收带,而且水膜对I5n,以下波段的辐射透过率较高,因此可减少测址误差。
(6)准确度高。光电高温计克服了光学高温计靠肉眼判断亮度平衡,易造成主观误差的缺点,具有较高准确度。例如在测量140090温度时,光学高温计的亮度误差为土50C,而标准光电高温计在此范围内的综合误差仅为土1.1℃。
(7)测温范围宽。光学高温计的测温下限为700C,而光电高温计的测量下限可达低温段。
(8)易于形成温度的闭环控制。光电高温计不仅可实现温度的自动测t,若附加调节器,它可与被测对象一起形成闭环控制系统,实现温度的自动调节。
b结构
WDL型光电高温计,如图2-54所示,被测物体发射的辐射能由物镜聚焦,通过光阑和遮光板上的窗口,透过装于遮光板内的红色滤光片(图中未画出)射至光电探测器,即硅光电池上。被测物体发出的光束必须盖满孔,这可用瞄准系统进行观察、调节。瞄准系统是由瞄准透镜、反射镜和观察孔组成。从标准灯发出的辐射能通过遮光板上的窗口,透过上述的红色滤光片也投射到硅光电池上。在遮光板前面放置光调制器,如图2-54(b)所示。光调制器的激磁绕组通以50H:的交流电,所产生的交变磁场与永久磁钢相互作用使调制片产生50Hz的机械振动,交替地打开和遮住窗口13和15,使被测物体和标准灯泡的光谱辐射亮度气:和红:交替地投射到硅光电池上,并在硅光电他上叠加。由于L入1和L入2呈180的相位差,因此在硅光电池上产生一个频率与光调制器相同,幅值与△L=L入1-L入2成比例的交流信号么u(了),光电流I再送至前里放大器和主放大器依次放大。主放大器由倒相器、差动相敏放大器和功率放大器组成,功放输出的直流电流I流过标准灯,标准灯的亮度取决于I值。电子电位差计用来自动指示和记录I的数值,刻度为温度值,经光谱发射率修正后即可获得被测物体的真实温度。
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工作原理
为了减少硅光电池性能参数的变化及电源电压波动对测量结果的影响,WDL型光电高温计采用负反馈原理进行工作。首先利用硅光电池将被测对象与标准灯泡的亮度分别转换为电信号,再经放大或送往检测系统进行测量、比较。当两个电信号之差等于零,即说明被测对象与标准灯泡的光谱辐射亮度LA.和乓2相等.则标准灯泡的亮度温度即为被测对象的亮度温度。此时了I=0时,I稳定不变,且与被测物体的光谱辐射亮度LA:对应。当两光谱辐射亮度LA。和几2不相等时,I不等于0,1将根据L入1的变化趋势而变化,直至1重新为零,I又稳定在一个与新的LA,相应的数值上。
由于采用了光电负反馈,仪表的稳定性能主要取决于标准灯的“电流一光谱辐射亮度”特性关系的稳定程度。
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