光纤温度测量控制系统

光纤温度测量控制系统 毛 现代计量测试 j,扳,悸,静叶’ 1994~4期 光纤温度测量控制系统 , 一 ,前言 近年来,随着光纤技术的进步,光纤在多 种测量仪器中得到应用,在温度计方面也发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 了各种光纤应用方式的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 . 本文将介绍美国Accufiber公司于1985年 首先推出的使用蓝宝石传感器的光纤温度测量 控制系统.它是一种基于新的想法的温度计, 不仅具有完全的抗电磁干扰性能,而且在温度 测量范围,耐高温性,分辨率等方面都具有原 9(1,o 来的热电耦或辐射温度计无法比拟的高性能, 解决了各种领域过去在高温测量及控制方面存 在的问题. 二,原理,结构和性能 该系统由传感器,传输由传感器发出的信 号光的光缆,由信号光算出温度并输出的主机 等3部分组成,其原理如图l所示. 目l光纤温鏖测量系统碾理图 B 出 一.传船部分靠篙鑫,’ 本系统根据被测对象使用黑体传感器(接黑体传感器与光导管传感 器使用表面经充 t警?睦蜀露 来自黑#r佑帮甘一 时光 ——=:==一 鼋星窒磐?聃 磐馨 节阡悯护套 _体?? t,\ ==::了 光耳蕾{穹鼻?. 鼍过空棚内的捌h ,阻辐时率空_lb和 亡====宅善:;t光的蟛响 ===D:适蛊蝽垒属斌 一一 图2本系统使用的传惑器 辐时?度传瘩? 一 45— 分研磨,直径为1.27ram的蓝宝石棒,将传感 器前端发出的信号光由棒的内面进行垒反射来 传输.蓝宝石是氧化铝(A1zOa)的单晶体, 其熔点约为2050~,在化学上稳定,光学上透 旧,是在高温环境下最适用的光导材料之一. 另外,由于其直径粗达1.27ram,即使对热冲 击比较强的燃气轮机燃烧器反复地进行急剧加 热和冷却循环(最高温度1600~,温度变化率 最大约为500~C/8)之下,也不会破损. (1)黑体传感器 通常在依据辐亮度的温度测量中,由于被 测物的辐射率随温度,波长及其它条件而变 化,故难以获知准确之值,成为最大的问题. 为了解决此问题,黑体传感器由其自身形 成黑体部分,通过由此发出的辐射光强度来测 量温度,所以是一种全新概念的接触式传感 器. 在蓝宝石捧的前端,喷镀上2P-m厚的铂铑 合金膜以及铝保护膜,构成黑体部分.此台金 膜呈圆筒空腔形状,其长度与直径之比值越 大,则开口处的有鼓辐射率就越高.黑体传感 器利用了这种现象,实际上可以忽略由温度或 波长引起的辐射率变化而进行吸收.这个黑体 传感器的原理是美国国家标准局的R.R.Dils 于1982年提出的 黑体传惑器最初是为 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 燃气轮机燃烧气 体的温度快速变化而开发的,故特别适用于环 境大气温度的测量.另外,在惰性气体中,能 在1800~C左右的高温下长时间使用如所周 知,热电偶从再结晶温度附近起由于晶粒生长 扩散等原困而产生漂移.但在黑体传感器,由 于旮效辐射率主要是受黑体部分的形状所支 配,故长时间在高温下使用也不易发生漂移. 曾在最高温度为1600~C的电子元器件加热炉连 续使用了两年后,取得漂移不足1?的好成绩. 在响应性方面,黑体传感器的结构是为了检测 其表面上的温度,具有极高速薄膜温度计的功 能,在1okHz频段可得到O.1?以内的分辨 率. (2)光导管传感器 一 46一 光导管传感器是一种非接触式的传感器, 它由蓝宝石棒前端的开口部分吸收被测物的辐 射光,并在蓝宝石棒中进行传输 这种传感器的最大特点是蓝宝石棒的前端 相当于辐射温度计的物镜,所以能够接近高温 被测对象或插入使用.为与一般的非接触式相 区别,称之为”接近式”.接近式传感器与一 般的非接触式辐射温度计相比,具有以下优 点:(i)易于阻断杂散光(ii)在光路中 没有光的吸收}(iii)易于瞄准且高精度准 直. 黑体传感器适用于环境大气的温度测量, 而光导管传感器则适用于固体表面的温度测 量.通常在使用热电偶测量固体的温度时,测 温接点与被测物之间微妙的热接触会对测量精 度造成很大影响,但在光导管传感器的情况, 传感器与被测物的位置关系几乎不产生影响. 另外,光导管传惑器完全是由蓝宝石构成 的,故在各种环境下可用到1900~左右. (3)辐射温度传感器 辐射温度传感器可以看做是将相当于一般 的辐射温度计物镜部分用光纤加以延长的传感 器,它与一般的辐射温度计相比,具有以下优 点: (i)由于传感器部分重量轻,体积小, 故提高了安装的自由度.水冷,保护罩等也能 小型化. (ii)因为是与电子部分相分开的,故不 受高温,电磁干扰等恶劣环境的影响.也容易 采取防爆措施. (jji)使用来自光纤的照明光入射到传 器,照射被测点,能实现高精度的瞄准. 辐射温度传感器与一般的辐射温度计一 样,都具有无法准确知道被测物的辐射率与真 温度的缺点,但在黑体传惑器或光导管传感器 因距离较远而难以适用的情况下,它就成为一 种有效的手段. 2.光缆 用于传输来自传感器的光信号的光缆,按 照使用环境,测量温度范围,可分为标准用, 耐热用,低温用等3类 标准用的是芯径为600gm的单芯石英光 纤.这种光纤在测量所用波长段(主要是950 nm)上,l0m长度的透射率在99%以上,实用 上不存在衰耗问题.但由于其连接部分构造上 的原因,这种光纤的耐热性只能达到65?左右, 使用环境若超过此温度就须采用水冷等冷却措 施. 耐热用的是标准用光纤的改进产品,通过 改进其连接部分及包覆,使耐热性提高到 2000?,但在弯曲特性等方面还有待改善. 低温用的光纤在以低温规格的主机测量低 温的极微弱辐射光时使用,故应用芯径1000gm 的单芯石英光纤,以便传输更多的光. 0.主机 (1)检测部分和电子电路部分 本系统是从辐亮度求温度的,但是其过程 却与一般的辐射温度计有很大差异. 来自传感器的信号光经光缆传输由光电二 极管进行检测.光电二级管按照标准技术条件 是用硅光电二极管,经窄带干涉滤波器分光 后,对得到的波长950nm光进行单色测量,在 500~2000?温度测量范围内可得0.0l?的温 度分辨率.在低温测量技术条件方面是进行全 辐射测量,温度测量范围是300,l200?.另 外,使用InGaAs检测器在200,l000?温度 测量范围的技术条件也已实用化.另一方面, 按高温测量技术条件用滤波器进一步减少光量 在500~3000?进行测量,分辨率可低于0.1? 在一般的辐射温度计中,由于是用经过一 定增益的放大后的线性电路近似地求温度,所 以其测量范围的宽度通常约为4O0,800?,温 度分辨率只能达到1,2?左右. 而在本系统中,通过具有6,7挡自动增益 切换功能的微机控制的放大电路,在极宽的温 度测量范围(按标准技术条件为500,2000?) 光电二极管输出经高分辨率的A/D变换,可 达到0.01?的高分辨率.再者,求温度的计算 也数字化了,考虑预先存贮的传感器特性,光 学系统的光谱特性,温度系数等数值信息以及 普朗克的黑体辐射定律,来进行温度计算.与 此同时,光学系统和放大电路的特性还会经常 被测量和自动修正.由于机内的计算处理完全 是数字化的,所以不仅能考虑到各种参数求出 准确的温度值,而且易于对非线性的辐射率变 化及热传导误差进行修正. (2)输出部分 本系统装备有作为标准的0~10V或4,2O mA输出端子以及R$232C接口.通过RS232C 接口可以连接到主计算机或终端,数据记录器 等.另外若配用选购件PID控制器(内装式), 则容易实现?0.1?以内的温度控制. 三,应嗣例子 本系统主要用于需要进行高温测量及控制 的研究开发领域,要求极精密度控制及监测的 半导体制造工程,特种陶瓷的烧制以及特种合 金的热处理等,下面介绍其中有代表性的两个 领域的应用例子. 1.燃烧 本系统的黑体传感器原来是作为检测燃气 轮机燃烧器高速温度变化的热线流速计而开发 的,最早的用途主要是测量高温的燃烧气体. 现在,这一领域中的主要用途是以燃气轮 机为主的燃烧气体温度测量与活塞式发动机的 燃烧分析.燃气轮机最近正在高温化,其燃烧 器出口处气体温度甚至有超过1700~C的,用铂 系热电偶测量有困难,黑体传感器的耐热性就 引人注目了.另外,活塞式发动机利用有薄膜 传感器功能的黑体传感器特性,来检测高速变 化的气体温度与气体流速,以对发动机作燃烧 分析.据最近的研究表明,它对汽车用汽油发动 机的敲缸也可有效地捡测,开发了又一项用途. 作为特殊应用的例子,将来自非接触式的 光导管传感器或辐射温度传感器的信号光用分 束器分成两束光,同对用独立的光电二极管检 测,对放大后的两个输出波形作比较处理,从 而构成高速双色温度测量.此系统能够测量极 (下转第58页) 一 47— .., ... 尝0 图3BP多相流量计总体积性能 导出K因子曲线而获得简单拟合,这表示所有 状况下流量计特性的相对误差都在?5范围 冉(所有测试流量计所用的K因子是一个恒定 的平均值,它是基于对采用精油的原始重力流 量装置的校准).实际上,流量环路数据包含 了许多个点,这些点受吸收到多相环路部分测 试油(汽油)中的空气的影响.由于被测流量 计参考气体流速不确定度的影响,有可能产生 明显的读数过低现象.在多相流量环路中,公 差是复杂的而且是不确定的,但对获得的过低 读数进行一阶计算后,发现误差明蔓达到一6. 图3的数据对此没有进行修正.毫无疑回,希 望BP刍柑流量计工作特性达到优于?5的相 对误差.按照流最状况调节K因子可使该性能 进一步增加,流量状况根据密度计的瞬时信 号确定. 在单相流体性质的基础上,讨论了校准仪 器混合相_位百分比的必要性.使用相当简单的 和已形成的方法及单相流量方法,在工厂或实 验室能就地对基于BP流量计的组合计量系统 进行校准.实际上,一旦用这种方式校准,就 能制造出尺寸公差范围内特殊尺寸的BP多相 流量计,以保证可重复的性能.这些产品流量 计用计量方法校准跟踪. 与采用相当复杂和昂贵的油,水,气流量 环路校准方法相比,这种方法将是廉价的多相 流量计量方法. 囊风译自”MeasuremeRt4-Control” 1003/04,Ze,No.10,200,297 (上接第47页) 高速的温度变化,而不受被测对象的影响.其 主要用途是测量柴油机的燃烧温度,微粒的燃 烧温度,火焰温度等. 2.半导体 作为在半导体工业中的应用,下面举两个 领域的倒子. (1)晶体生长 在拉引法中有多种应用.作为研究用可由 黑体传感器或光导管传惑器直接测量熔融硅的 温度以及熔液温度变化的频率分析. 在布里奇曼法中,密封容器温度梯度的控 制是一个极重要的因素.通过对各区域的加热 器温度以O.OI~C的分辨率进行测量和控制,能 够提高化合物半导体单晶的质量? (2)cVD装置的温度测量和控制. 对于立式常压CVD装置,可用光导管传 感矗以非接触方式测量晶片或加热台的表面温 度.将传感器弯曲可以测量加热台或晶片的面 内温度分布.如前所述,使用PID控制器容易 实现?o.1?以内的温度控制. 嵩量谭自.计蔫技术”,1998,2l,No. 14,58,5T张置枢控 (上接第44页) 0.0048mm即4.8m相当于在lO00mm长度上 角度值0.O001肘,得到 ?=—=+ :+0oo0口.考, 一 58一一 锥度半角的偏差?/2=+0.O0O0.13 王信化谭自.H3MEP.TEX.1992. N0.9, 鲍建中校 一划唪翟嚣鐾啦