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2 儀器結構與測溫原理
2·1 測量原理
如圖1所示,反射鏡與探測器對稱地置于待測表面法線的兩側。當反射鏡不起作用時,探測器接收到的輻射能P1為
式中:D為光瞳口徑,f′為光學接收系統的焦距,τ0為大氣的傳播系數,A為探測器的靈敏元面積,η為調制盤的調制系數,ελ為溫度為T的待測目標在波長λ處的發射率,Lλ為溫度為T的黑體在波長λ處的輻射出射度,τλ為光學系統對波長為λ的光的總透過率。
當反射鏡起作用時,反射鏡將紅外輻射反射回待測區域的單色輻射能為
并結合式(1)或式(2),即可求出待測表面的溫度。式(6)中,h為Planck常數,k為Boltzmann常數,c為光速。
2·2 儀器結構
該儀器主要由光學接收系統、號放大與處理系統及顯示系統三部分組成。工作時,接收鏡頭接收到的光號(P1、P2),經窄帶干涉濾光片濾光后,再經由PIN硅光電二極管構成的光電轉換系統轉換成電號。該號經前置放大、選頻放大、脈寬壓縮、模-數轉換后送入8031單片機系統進行數據處理,計算出待測表面的發射率及溫度。
電路中所需的各種觸發與同步號,均由同步光電系統產生:透過調制盤上鑲嵌的同步濾光片的光號,先經光電轉換系統轉變成電號,再經整形放大后送入8031單片機,適當延時后分別去觸發、同步各個需要觸發和同步的號。
調制盤的結構簡圖見圖2。其中1、2、4號窗口貼的是波長為0·80μm的窄帶干涉濾光片(帶寬20nm)。3號窗口貼的是波長為1·00μm的濾光片,帶寬約0·1μm(無嚴格要求)。5、6號窗口貼的是波長為1·00μm的濾光片(帶寬也無嚴格要求)。調制盤的轉速為1 200 r/min。
調制盤的具體調制情況如下:(1)當待測表面的光輻射透過3號窗口到達反射鏡、并由反射鏡反射后再次穿過3號濾光片回到待測區域時,1號窗口正對探測器。對于這種情況,反射鏡不起作用。這是因為透過3號濾光片后又回到待測區域的光的中心波長為1·00μm,帶寬約0·1μm。而1號窗口只能通過中心波長為0·80μm、帶寬僅20 nm的光,因此探測器接收到的僅是“直射”能(P1);此時,由5號窗口透過的光輻射形成觸發、同步號;(2)當待測表面的光輻射透過4號窗口到達反射鏡、并由反射鏡反射后再次穿過4號窗口回到待測區域時,2號窗口正對探測器。對于這種情況,反射鏡起作用。探測器接收到的是“直射”能與“反射”能之和(P2);此時,由6號窗口透過的光輻射形成觸發、同步號;(3)當待測表面的光輻射透過1號窗口到達反射鏡時,3號窗口正對探測器。情況與(1)類似,不同的只是探測器接收到的是波長為1·00μm的光輻射。后續電路雖對該號進行放大處理,但因模-數轉換電路沒有觸發號和同步號,因此不對其進行模-數轉換;(4)當待測表面的光輻射透過2號窗口到達反射鏡時,4號窗口正對探測器。情況與(3)類似,不同的只是探測器接收到的是波長為0·80μm的光輻射。后續電路雖對該號進行放大處理,但同樣因模-數轉換電路沒有觸發號和同步號,故不對其進行模-數轉換。
我們要考慮的是壓力變送器所測量的介質,一般的壓力變送器的接觸介質部分的材質采用的是316不銹鋼,如果你的介質對316不銹鋼沒有腐蝕性,那么基本上所有的壓力變送器都適合你對介質壓力的測量.
如果你的介質對316不銹鋼有腐蝕性,那么我們就要采用化學密封,這樣不但起到可以測量介質的壓力,也可以有效的阻止介質與壓力變送器的接液部分的接觸,從而起到保護壓力變送器,延長了壓力變送器的壽面.
第二,精度等級
每一種電子式的測量計都會有精度誤差的,但是由于各個所標的精度等級是不一樣的,比如,中國和美國等標的精度是傳感器在線性度好的部分,也就是我們通常所說的測量范圍的10%到90%之間的精度;而歐洲標的精度則是線性度不好的部分,也就是我們通常所說的測量反的0到10%以及90%到之間的精度.如歐洲標的精度為1%,則在中國標的精度就為0.5%.
第三,量程范圍
一般傳感器測量的大范圍為傳感器的滿量程70%是好的,也就是現在要測量70bar的壓力,我們選壓力變送器的量程應該選100bar.
第四,輸出號
目前由于各種采集的需要,現在市場上壓力變送器的輸出號有很多種,主要4...20mA,0...20mA,0...10V,0...5V等等,但是比較常用的是4...20mA和0...10V兩種,在我上面舉的這些輸出號中,只有4...20mA為兩線制(我們所說的輸出為幾線制不包含接地或屏蔽線),其他的均為三線制.
第五,介質溫度
由于壓力變送器的號是通過電子線路部分轉換的,所以一般情況下,壓力變送器的測量介質溫度為-30到+100度,如果溫度過高,我們一般采用的是冷凝彎來冷卻介質,這樣相對讓廠家特地為你生產一個耐高溫的壓力變送器的成本會降低很多.
第六,測量介質
一般我們測量的是相對比較清潔的流體,我們就直接采用標準的壓力變送器就可以了,如果你所測量的介質是易結晶的或粘稠的,我們一般采用的是外置膜片的或和化學密封共同使用,這樣會有效的阻止介質堵住壓力測量孔.
第七,其他
我們確定上面的五個參數之后還要確認你的壓力變送器的過程連接接口以及壓力變送器的供電電壓;如果在特殊的場合下使用還要考慮防爆以及防護等級
對于不同的測量系統或不同的工藝要求，我們可以根據其系統或工藝的測量范圍、測量狀態和介質情況選用不同類型的熱電偶
1. 水泥企業常用熱電偶的選擇
對于不同的測量系統或不同的工藝要求，我們可以根據其系統或工藝的測量范圍、測量狀態和介質情況選用不同類型的熱電偶，工業熱工(如新型干法生產線的窯)常用的熱電偶見表1。
(1)WRR熱電偶
其熱電特性在高溫下為穩定，適宜于在氧化性和中性介質中使用，但其產生的熱電勢小，因而靈敏度低，響應速度慢，而且價格昂貴。由于WRR在低溫時熱電勢極小，因此當熱電偶冷端溫度在40℃以下時，一般不需要進行冷端溫度補償。
(2)WRP熱電偶
適宜于在氧化性或中性介質中使用，耐高溫，不易氧化和腐蝕，有較好的化學穩定性和較高的測量精度，可用于精密溫度測量和作基準熱電偶(校準用熱電偶)。
(3)WRN熱電偶
適宜于在氧化性和中性介質中使用。500℃以下低溫范圍內，也可在還原性介質中進行測量。其突出優點是熱電勢大，靈敏度高，響應速度快，線性度好，測溫范圍較寬，造價低，因而在工礦企業應用廣泛。
(4)WRE熱電偶
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3 討論
3·1 基于探測器的相對測溫靈敏度的考慮
待測溫度每變化1 K時,號電平的變化量(本文即P1或P2的變化量)稱為系統的溫度靈敏度S[8,9]。即
不失一般性,同時也為簡單起見,以反射鏡不起作用時的情況(P1)為例進行討論。此時探測器輸出的電號的強度V(T)可寫成[8,9]
由式(12)作出的Sr~λT曲線如圖3所示。由圖3可以導出,在λT=2 898μm·K附近,系統正好工作在Sr~λT曲線的峰值區域。這就是說,對PIN硅光電二極管而言,只要待測溫度不高于T≈2 898/1·1=2 634 K,探測器的輸出號就處于靈敏區域。亦即,只要被測溫度有小的變動,就能引起Sr較大的變化。顯見,采用PIN硅光電二極管作光接收器件,肯定能滿足測溫范圍的高溫段對測溫靈敏度的要求。
3·2 基于探測器的溫度分辨率的考慮
據式(1),在極窄的波段內,當待測溫度改變ΔT時,容易導出系統接收到的輻射能的變化時,才能引起探測器的響應。式中,VS/VN為噪比,在推算系統的溫度分辨率時,取VS/VN=1;Δf為后續的選頻放大器的帶寬。將式(6)、式(13)、式(14)及式(15)代入式(16)中,并考慮極限情況,可以導出
上式中的ΔT即為探頭的溫度分辨率。
下面進行定量分析。對于實際的測量環境,取大氣的衰減系數τ0=0·85,光學系統對光的總透過率τλ=0·50,調制盤的調制系數η=0·80、PIN光電二極管的探測率D*=5·0×1012cm·Hz1/2·W-1、靈敏元面積A=5 mm×5 mm[10],選頻放大器的帶寬Δf=10Hz,光學系統的焦距f′=15 cm,通光口徑D=10 cm。為分析上的方便,同時也不失一般性,取ελ=0·50、Δλ=20 nm代入計算。在不同的待測溫度下,由式(17)作出的探測器的溫度分辨率隨波長的變化曲線,如圖4所示。
由圖4顯見:(1)探測器的溫度分辨率隨系統工作波長的增加而變高。例如,對于T=773 K而言,λ=0·60μm時,系統的溫度分辨力ΔT=1·662 K,顯然不符合要求。但當λ=0·80μm時,ΔT=0·004 K,顯然符合要求;(2)當待測溫度足夠高時,例如待測溫度T=923 K,λ≥0·70μm的波長都能滿足要求。
3·3 基于抑制光路中選擇性吸收氣體吸收影響的考慮
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