插入式光电温度传感器在炼铁高炉的应用

插入式光电温度传感器在炼铁高炉上的应用

张建林           孙恭良（河北承德钢铁公司） 丁云生（天津大学）田耀宗          刘国献（天津市多泽光电高新技术有限公司）

在许多生产过程中采用铂铑热电偶测温，由于铂铑热电偶在高温、高压和有害介质条件下工作，偶丝很快会变脆、损坏，在炼铁高炉上，使用寿命约为三个月或更短，影响生产的正常进行，同时因铂铑为贵属， 造成相当大的成本消耗。为此，试用天津市多泽光电高新技术公司开发生产的插入式光电温度传感器及配套仪表，取得满意效果。

一、插入式光电温度传感器的基本原理

1、结构原理

插入式光电传感器的结构原理如图1所示。

图1 传感器结构原理示意图

2、感温管

根据使用现场需要，选择适用的感温管，诸如耐高温、高压、防炸、抗腐蚀等技术功能要求，为此可选用刚玉管、金属陶瓷管、耐高温合金管等。

在测温过程中，将感温管的盲端插入被测温介质或热场中，感温盲端被加热至与被测温度同温，称热端。盲端内表面产生的热辐射与温度符合热辐射定律：

E=εδT⁴

式中：δ为斯蒂芬为波尔兹曼常数，其大小为5.67×10^-8W/m²          *k⁴ ；ε为黑度系数。

由于感温管内径远小于管长，可以认为是黑体辐射，ε=1。因此，为感温管的互换奠定了理论基础。

3、光电传感器

光电传感器由物镜、光栏、光电转换器和具有温补特性的负载网络构成。

感温管盲端内表面热辐射光束经物端光栏、物镜汇聚，再经象端光栏照射至光电转换器受光面，产生光电信号输出。光路如图2所示。

图2 光电传感器光路示意图

由光栏与透镜形成一定的视场角，只能采集盲端很小一段内表面的辐射光，因此，传感器盲端插入深浅不会造成测温误差。由于感温管定长，管腔与光电转换器形成密封腔体，又可认为是黑体辐射，所以形成了插入式，使用条件固定，不受环境干扰的辐射测温新方法。光电转换器选用硅光电池，输出电流受环境温度影响严重，因此设计了具有温度补偿功能的电阻网络，           保证在-20--+90℃范围内输出信号电压稳定，极大地减小了附加误差。

象端光栏置于焦点与象面之后，沿光轴调整光栏4，可调整光电转换器受光面接受光通量的多少，对传感器进行校正。

二、插入式光电温度传感器输出特性

插入式光电温度传感器输出电压信号与被测温度成单值函数关系，而且极少受环境条件变化的影响。光电转换器选用硅光电池，性能稳定，使用寿命长，可在高温条件下工作，响应速度快，具有多方面的优性。

被测温度转换热辐射光能量，经光路处理后，转换成光电流和输出电压信号，经大量实验数据归纳出以下的经验公式：

式中：V（t）为传感器输出电压，mv；t为被测温度，℃；0.02 为修正参数

该公式为经验公式，对于天津市多泽光电高新技术有限公司所生产的产品，适用于750--1600℃,测温区间。实际测量的绝对误差小于±5℃。传感器输出特性如图3           所示，系指数曲线。

图3 传感器输出特性曲线

三、插入式光电温度传感器在高炉上应用

炼铁高炉顶燃式热风炉炉顶温度的测量一直采用铂铑热电偶，由于测量温度高，风压大，热电偶极易损坏。其不但材料消耗严重，而且不能保证热风炉炉顶温度长时间稳定测量，影响了生产。为了解决这一技术难题，承钢在炼铁高炉上采用了插入式光电温度传感器和配套的显示仪表替代原有的铂铑热电偶，取得了十分满意的使用效果。

1、使用时间历时17个月，传感器无损坏现象，按目前情况估计已是铂铑热电偶使用寿命的5--6 倍。

2、测量准确度与铂铑热电偶相同，且略优于铂铑热电偶。

3、在环境温度-20-+60℃,范围内，无明显测量误差。

4、响应速度约为1s，有利于自动控制系统提高控温精确度。

5、对多支传感器、多种显示仪表和变换器进行重复试验，该温度计的互换性、重复性良好。

6、该温度计抗干扰能力强。

7、插入式光电温度传感器安装方式与普通铂铑热电偶相同，容易安装，使用方便，且不需补偿导线和温度补偿，降低了材料成本。

经一年多时间的试用，插入式光电温度计为承德钢铁公司炼铁高炉带来了明显的经济效益。目前承钢公司已开始对铂铑热电偶进行全面替换工作，并将该项工作列入重要技改项目。

四、结束语

本文所述插入式光电温度传感器，作为一种实用新型测温技术，经研制、生产，以及在承德钢铁公司炼铁高炉上的成功试用，说明在钢铁生产过程中具有替代铂铑热电偶的可能性。该传感器测温准确度高，具有耐高温、高压，抗腐蚀，使用寿命长，灵敏度高，响应速度快，分辨力强，抗干扰能力强，造价低等点。该技术产品必将给广大热工测量领域带来极大的方便和效益。