接触式光电温度传感器在工业中的应用

  Aluz ·  2011-12-22 23:02  ·  8788 次点击
一、引言
在工业高温领域中,温度测量的准确性对窑炉的寿命、产品的质量、能耗的降低有着重要的意义。目前,国内外常用的测量方法有两大类,即接触法和非接触法。接触法主要使用铂铑热电偶,这种方法的突出缺点是在高温、高压和有害介质条件下工作,偶丝很快会变脆、损坏,要消耗大量的电偶丝,使用成本很高。在许多高温炉中,使用寿命约为两个月左右。在这一点上非接触式测量具有很大的吸引力。但是工业现场环境往往很恶劣,被测对象发射率的不确定、光路中存在着许多烟雾水汽等情况直接影响测量的完成,另外熔融状态下的液态物质表面往往浮着沉渣,带来不可克服的误差影响。非接触测温准确度远不如热电偶,所以在工业现场一般做监视用。
由于铂铑丝价格昂贵,我国的铂资源又缺乏,需要大量进口,加之近几年国际市场价格连续上涨,大大提高了企业的生产成本。为了降低生产成本,许多企业尽量减少测温点,只在关键的几个测温点选用铂铑热电偶,有的个体企业甚至靠工人的经验判断,这样就会出现耗能增加、产品质量下降等问题。因此研制一种能替代铂铑热电偶的新型高温传感器是符合我国国情的。
二、原理
19世纪末,物理学家对黑体腔发射出来的辐射能进行了大量的实际测量,发现了辐射功率按波长分布是稳定的,且仅与腔体温度有关,而与腔体材料无关。直到1900年,普朗克根据量子统计理论推导出与实验完全相符的公式,即普朗克定律:单位面积黑体在半球方向发射的辐射通量E(即辐射功率)是波长和黑体温度的函数,即:
式中:C1—第一辐射常数,C1=3.743´108Wmm4/m2;
C2—第二辐射常数,C2=1.4388´104mmK;
l—波长,mm
T—黑体热力学温度,K;
我们就是根据普朗克定律,研制出采用综合型测温方法的接触式光电温度传感器。
综合型测温方法兼有接触式和非接触式测温两类方法的长处。它是由探测管和探测器两部分组成,可用来测量各类高温炉和熔液内部的实际温度,而不受环境污染以及目标黑度系数的影响。
接触式光电温度传感器是由探测管、连接固定件、物镜、光电转化元件组成。探测管是一根用耐高温材料制成的细长盲管,其长度与内径之比大于10。探测管可视为一个人工黑体,当有一束射线从管的一端射入管内,由于管子细长,射线在管内要经过多次反射才能从原入射管口反射出来。射线的大部分能量被留在管内,故其吸收率接近1,在工业上可以视为黑体。这就为传感器测量的准确性、探测管的互换性奠定了理论基础。连接固定件的作用是用锁紧螺母把探测器锁紧在探测管上。物镜用来聚光。光电转化元件可根据实际情况选用各种红外敏感器件。
三、测温系统组成及技术指标
最简单的测温系统由探测管、防辐射挡板、探测器、信号传输线、二次仪表组成。探测管要根据被测对象的实际情况,选用耐高温或耐腐蚀等技术指标的探测管。在选择测温点时,要考虑到既可以正确反映炉内的温度,又要延长探测管的使用寿命。无论垂直还是水平安装,探测管的顶端最好与炉内壁齐平。水平安装时,探测管一定要放在一个平面上,否则在高温下容易弯曲,影响到测温的准确性。HXW温度传感器的技术指标如下:
1、测温范围标准型(1000~1600)°C、(1000~1800)°C;
2、基本误差:(1000~1800)°C之间DT≤±(0.2~1.0)%t℃
3、环境温度:20~80°C,20~100°C
4、探测管规格:长750~1800mm,外径f12~f27mm,也可按用户需要选择长度和外径;
5、传感器输出:标准0~70mV(接配套数字仪表或微机)。
四、性能特点
HXW型温度传感器有以下特点:
1、不受被测物体黑度系数的影响,测温准确度高;
2、价格低、寿命长(长达10年),使用成本少(只消耗少量的探测管);
3、用耐高温性能好的探测管、测温上限可达2000℃;
4、统一分度,互换性好,响应时间快,温度分辨率高;
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。
五、比较优势
工业窑炉中的使用条件往往很恶劣,高温高腐蚀性介质对热偶保护管的损害性很大。有些行业中热偶保护管的使用寿命只有短短的半个月、一个月。热偶保护管一旦破损,偶丝马上就被烧断。因此,有许多厂家为了降低生产成本,用K偶代替S偶,用S偶代替B偶。这种做法短时间可行,但是热电偶较长时间在极限温度中使用,其热电特性会发生变化,误差很大。
有厂家做过实验,对长时间在极限温度中用过的K偶进行检定,发现其误差一般多达20~40°C。这么大的测量误差会对产品质量产生影响。使用HXW光电温度传感器就可以避免以上的损失。其探测管与探测器是通过连接件固定的,如果探测管损坏,只需换一根价格百元左右的管子就行。测温系统的长期消耗性成本可以大幅度降低。表1是三种测温方法主要优缺点的比较。
六、结论及发展前景
我们在实验室检定炉及工业窑炉中用HXW温度传感器同传统的热电偶作过对比性试验。在试验过程中,该温度传感器测量的准确度、重复性平均达到或接近热电偶的技术水平。另外,该传感器的安装、测量方式与热电偶完全相同,使用中不需维护,易被操作工人接受。HXW温度传感器在碳素、钢铁、镁、玻璃、陶瓷、耐火材料、高温热处理许多行业中都有使用,其测量的准确度、超常的寿命已为许多厂家所认可。大部分使用长达5、6年后仍然正常工作,其超常使用寿命可为生产厂家大大降低生产成本,提高经济效益。
宽量程光电温度传感器(200~1600℃)已在实验室试制成功,其测温范围宽,在工业领域中可以广泛取代铂铑热电偶。但高成本是其进入市场的障碍。光电温度传感器的标准型(800~1800℃)由于具有技术成熟性、价格便宜等优点,因此,在1000℃以上的工业测温领域,完全可以取代贵金属热电偶,将成为贵金属热电偶的理想替代产品。

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