光纤测温技术及其在制硫炉的应用

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1、化工自动化及仪表,2004,31(1):62～63仪器仪表ControlandInstrumentsinChemicalIndustry光纤测温技术及其在制硫炉的应用12李维来,王成林(1.武汉理工大学光纤传感技术研究中心,湖北武汉430070;2.中国石油化工股份有限公司广州分公司仪控中心,广东广州510726)摘要:介绍接触—非接触式光纤双波长高温传感器测温技术的原理和工程化设计,以及它在环境恶劣的制硫炉内长寿命的应用。实际使用表明,它可以替代传统的铂铑热电偶,使光纤传感器本质安全、高精度的优越性得以充分发挥。关键词:光纤;高温计;制硫

2、炉中图分类号:TH811文献标识码:B文章编号:100023932(2004)(01)200622021引言R显然消除了外界的干扰,成为物体温度变化光纤传感技术是一种通过调制、检测光纤中传的单值函数。光纤双波长比色法辐射高温计就是根输的光波特征参量,实现对各种物理量测量的技术。据这一理论公式设计的。具有高精度、现场无电信号、不受电磁干扰、性能可通过试验发现,用比色法测温,即使接收到的光靠、技术含量高、成本低等优点。光通信技术的发展信号强度衰减到只剩下20%,其测量误差也仅有也为光纤传感打下了雄厚的技术基础,它的基础元±5℃,测量精度仍达5‰

3、。对使用三个月以上的光器件大都已商品化,其稳定性和可靠性均能满足光纤温度计送检,精度范围仍能保持不变。该特点是纤传感要求。精确测量硫晶体回收装置主燃烧炉温强度型光学测温计难以达到的。度的光纤测温计,就是光纤传感技术在工业上获得采用比色法需要将光纤中传输的辐射光按特定实际应用的例子之一。的波长分成两路。在实验室里,通常使用两块不同2光纤双波长比色法测温原理波长的干涉滤光片,但干涉滤光片的插入损耗大,经c1Ebλ=λ5(eC2/λT过数值孔径很小的光纤传输回来的辐射光波强度本-1)式中:λ———波长;T———绝对温度;C1、C2———第来就不大

4、,如果再采用干涉滤光片,滤波后的信号将一、第二辐射常数;Ebλ———辐射强度(其中b为黑弱得难以检测。而且干涉滤光片的体积大、结构复体,λ为辐射波长)。杂、可靠性差。对于特定单色波长1(λ1)在带宽内δλ1的波段采用光纤定向耦合器,先对热辐射的光波按相区间内所发射的黑体辐射能量为:同的比例分成两路,分别进入对不同波长敏感的两λ+δλ11个光敏器件,由光敏器件来滤波。该措施减少了滤Ebλ1=∫λEbλdλ1波损耗、提高了信噪比,在确保测量精度的同时,降同温度下,另一个单色波长2(λ2)在带宽内δλ2低了光电检测单元的成本。的波段区间内所发射的

5、黑体辐射能量为:λ2+δλ23接触—非接触式的测温结构Ebλ2=∫λEbλdλ温度的接触式测量,即测温装置直接接触到被2若仅仅利用辐射光谱一个单色波长的辐射强度测物体,比非接触式测量精度高。因为非接触式测来进行测量,将不可避免地会受到辐射源的变化及温的精度易受环境、背景辐射、测量角度、被测物体测量环境中其它吸收体等因素的影响。在使用过程形状和粗糙度等影响。但由于光纤有高分子聚合物中,现场恶劣环境也会污染测温探头,使接收到的光的保护层,不耐高温,不能进行高温的接触式测量。辐射强度衰减。为解决这一矛盾,光纤测温计采用了接触—非如果将高温物体这两

6、个波长λ1、λ2在各自带宽接触式测温方法。探头管的端部与被测高温源直接内δλ区间的辐射强度做除法,获得比值R:接触受热产生的辐射光波沿密闭的空腔传输到低温λ+δλ11Ebλdλ处的光纤探头,不受背景杂散光对测量精度的干扰。Ebλ∫λ11=λ+δλ=R(T)Ebλ222E∫bλdλλ2收稿日期:2003212206(修改稿)第1期李维来等.光纤测温技术及其在制硫炉的应用·63·既克服了非接触式测量的不足,也避免了光纤直接尽管石英介质的光纤和刚玉管本身的耐腐蚀性接触高温源。较好,现场探头的其它零件也都采用不锈钢材料。采用接触—非接触式测温方法的

7、另一个原因是但在试验和改进阶段时,仍发现探头的透镜组附近由于制硫炉内被测物体并非绝对黑体,其黑度系数有硫结晶体。这是因为刚玉管是由粉末烧结而成,会因气体成分的变化而发生变化。我们以探头管的结构并不致密,在高温、高压状态下会导致气体进端部作为黑体,当其被加热到被测温度,会发射出稳入,遇冷后结晶。虽然比色测温的光信号衰减对测定的热辐射光波,避免因黑度系数变化导致的测量量精度无明显的影响,我们仍进行了改进,采用两支误差。直径不一样的刚玉管套在一起使用,管口用耐光纤测温计由黑体腔刚玉管、光纤测温探头、传1600℃高温的无机胶与安装孔粘结、密封,减少

8、了输铠装光缆和光纤活动接头盒组成传感单元,安装有害气体对光纤探头的影响。在现场,如图1所示。透镜将被测物体的热辐射聚为使光纤能通过密封的制硫炉炉体,既不造成焦在光纤的端面上,辐射