【毕业设计】高温铸造炉自动检测系统设计

目前主要的温度传感器，如热电偶热电阻及辐射温度计等技术上以成熟，它们仅能满足般应用场合的要求，而在特殊环境下却不能满足要求。

高温强腐蚀介质强热震性的温度测量在冶金石油化工建材武器研制等工程技术领域中十分常见，如钢水的连续测温重油裂化炉内温度测量等。

这些对象需要测量的温度，其工作特点是温度高，变化快，常为不可重复的次性过程，而且测量条件恶劣技术难度高。

因此，研究种能够在恶劣环境下实现高温测试的仪器对提高产品质量减少废品率，节约能源和原材料，降低成本提高劳动生产率等方面具有重要的研究意义和经济效益。

典型的温度测量方法在科研和工农业生产中，温度是检测与控制的重要参数。

传统的温度测量技术在各个领域的应用已经很成熟，如热电偶热敏电阻光学高温计半导体以及其他类型的温度传感器。

它们的敏感特性是以电信号为工作基础，即温度信号被电信号调制。

而在特殊工况和环境下，如易爆易燃高电压强电磁场具有腐蚀性气体液体，以及要求快速响应非接触等，光纤温度测量技术具有独到的优越性。

所以伴随着光纤技术的日趋完善和提高，尤其是特种光纤技术的进步，使得光纤传感技术得以迅速发展，在科学技术各个领域的应用越来越广泛。

物体表面温度的测量方法大致可分为两种接触法和非接触法。

如图所示。

图温度测量方法接触法接触测温大多是等待热平衡时才能正确测定温度，在测量过程中会受被测对象特性及传热方式等影响，使所测定温度与真实温度可能不致。

当介质具有腐蚀性时，在高温条件下测量元件的使用期限将相对缩短，测量准确度也将会相对降低。

接触测温仪表主要有膨胀式温度计电阻温度计热电温度计，另外，还有些接触式测温方法如在热电偶外加上保护装置，以及采用接触式光电温度传感器，这些方法虽然都能很好地用于高温测量，但因其安装体积固定，需要接触测温对象，所以使用场合会受到限制，如在些易燃易爆强电磁干扰强腐蚀空间狭小的场合中应用就比较困难。

在冶金行业的高温测量中，利用热电偶测温是接触式测温技术中极为重要的种方法。

它直接与被测物体接触，通过转换仪表来测得温度。

热电偶测温法的优点是设备和操作简单，使用方便，测量精度较高。

众所周知，用热电偶测量气体温度时，只要热电偶测量端与被侧气体间的热交换达到了动态平衡，则可以用热电偶测量端的温度来表示被测物的温度。

然而，热电偶测量端除了与被测物进行热交换外，还要与周围其它物体进行热交换。

如热电偶测量端以导热方式沿着热电偶向温度较低的根部的传热，以辐射的方式向周围器壁的传热。

由于热量的损失，测量端的温度就要降低，当热电偶测量端向外的散热量等于自气体吸收的热量时，其温度不再下降而具有稳定的示值。

这里需要注意的是，热电偶测量端向外散失的热量是由气体加热来补偿的，这就使热电偶测量端的温度与气体的温度产生了个差值。

热电偶测量端与周围环境的传热越强烈，测量端的温度偏离气体的温度就越大，这时如仍以热电偶的指示温度来表示被测气体的温度，则并非是气体的实际温度，而包含了测量误差。

热交换既是热电偶测温的基础，又是热电偶产生测量误差的重要来源但是由于要于接触被测物体，对温度测量方法非接触法接触法压力式测温热电阻测温光纤测温热电偶测温热敏电阻测温膨胀式测温比色测温亮度测温激光测温光纤辐射测温红外测温红外辐射测温红外热成像测温被测物体的温度分布会有影响。

由于受到热电偶自身材料的限制，热电偶极易损坏寿命短价格昂贵，不能应用于高温测量。

非接触法非接触式测温与接触式测温相比，不需与测温对象直接接触，是通过接收被测物体所辐射的电磁波进行测量的，因此不会破坏被测对象的原有温度场，而且测量范围广。

在高温的测量中，其具有性能可靠成本较低使用寿命长抗干扰强等优势。

这类测温仪按照测温原理主要可分为热电转换式光电转换式和激光式测温仪。

热电转换式测温仪即热辐射温度计是通过组或几组串连的热电偶形成热电堆积接收高温物体辐射出的热能后转换为电信号进行测量的，由于其转换精度和速度都较差可靠性不高，故只在电子技术还不成熟的早期得到应用。

激光式测温仪是由激光器发射激光经高温物体反射由探测器接收到能量后转换为电信号进行测量的，虽然其精度很高，但造价太高，所以在生产应用中也较少采用。

光电转换式测温仪是通过光电探测器经接收辐射光能后转换为电信号进行测量的，其测量精度高速度快，在实际生产中应用较多。

这类测温仪主要包括单色辐射测温仪比色测温仪以及多色高温计等。

单色辐射测温仪是通过采用单色光的辐射强度来测量温度，因辐射系数的精确测量有较大困难，故易形成较大误差。

多色高温计是通过套复杂的分光系统形成多光谱通道，利用多个光谱的物体辐射亮度测量信息来进行测温的，虽然其测量精度分辨率都达到了相当高的水平，但由于其结构复杂，测温理论还不够完善，所以在生产实际中的还不能广泛应用。

而比色测温仪测量精度高温度响应速度快抗电磁干扰信号损耗少体积小，同时还可以有效地减小被测物体的发射率变化环境干扰器件老化等因素带来的测量误差，能够在易燃易爆强电磁干扰强腐蚀空间狭小直接瞄准有困难的场合中应用，因此这种耦合电容都与源串联，为使放大器的噪声影响小，可使因此，射极电容与耦合电容要选较大，而设极电阻要较小。

根据对工作要求，取。

放大电路的增益计算据电路图，因为，略了。

得而又将代入，得再将上式代入可得将代入，得电压增益为上述推导中，利用，令，。

假如略了偏置电阻与输入电阻对信号的衰减，则可进步化简为代入，，，得小结本章根据实际中可能遇到的问题进行了测量结构的设计。

其中包括高温材料光纤材料和探头保护材料的选用高温探头的结构设计光电转换元件的选择光电转换及信号的放大电路的设计。

第五章结论与展望结论光纤辐射温度计可代替消耗型热电偶，比起消耗型热电偶光纤辐射温度计可以大大将低成本，大约也降低三分之二。

本文针对采用消耗型光纤高温计来测量钢水铁液内部温度的检测传输与放大部分进行了研究。

消耗型辐射温度计的开发价值及对消耗型热电偶测温存在几个问题进行了阐述研究了辐射测温的原理及热辐射的基本定律。

其中最基础的是普朗克定律，最有用的是由其推导出来的维恩定律。

这些定律在设计消耗型光纤辐射温度计中得到运用。

利用普朗克定律和维恩位移定律推导了比色光纤测温的基本理论。

分析了其测温的优点，指出在这样的情况下测得的温度与真实温度相接近。

并对光电比色高温计的结构原理进行了阐述。

设计了个合理的测温探头，基本解决了光纤的保护伸入切断，光电转换结构简化等问题。

还并设计了个合理的系统进行信号的放大。

展望综上所述，在钢铁生产中有关铁液钢水的温度测量，采用消耗型高温计代替消耗型热电偶的测量方法具备可行性，可以在这领域中降低生产成本。

在日本目前已有相关的产品在出售，这产品今后在钢铁产业上都将有较大的发展前途，并有望向汽车领域进军。

致谢本论文是在导师刘玉良的严格要求和悉心指导下完成的。

从课题的选题实验的开展到论文的撰写，每步无不倾注着刘老师的心血。

他敏锐的思维渊博的识严谨的治学态度以及求实的工作作风使我受益匪浅他宽以待人严于律己敬业爱岗的高尚品质永远是我的学习的榜样。

这切将在我今后的人生道路上产生深远的影响，是我生受用不尽的宝贵财富。

参考文献戴景民等多光谱辐射测温理论与应用北京高等教育出版社，沈永行从室温到全程测温的蓝宝石单晶光纤温度传感器光学学报，曹康敏，施明恒半导体吸收式光纤温度传感器的研制传感器技术谭爱来钨棒炉测温装置仪表技术与传感器蔡捷伟接触式光电温度传感器传感器世界夏远飞半导体激光器在实时测温系统中的应用中国测试技术施德恒，刘新建，许启富，等利用激光并采用热释电探测器的实时测温系统的灵敏度光学技术李锐用激光标准噪声辐射源及热电器件实现的实时测温系统红外技术李志全，吴朝霞，时卫东辐射光纤高温计及其系统的研究工业仪表与自动化装置张景超光纤辐射式温度测试仪的研究半导体光电田阔，赵文华，朱曙光，等种新型红外多谱段高温计的研究计量学报孙晓刚，胡晓光，戴景民，等可同时测量真温及光谱发射率的波长高温计光学技术崔庆坤高温仪表的修理和调整北京冶金工业出版社，邓恩民型光电比色高温计及其应用冶金自动化邓恩民，郭宏先光纤式红外比色高温计冶金自动化吴旭，李萍智能化红外双色测温仪冶金自动化白日午，王喜顺，王晓香，王旭高精度比色红外光纤温度计的研制冶金自动化姚军，叶关荣，项震种提高比色测温灵敏度的新方法减比测温法冶金自动化姚军用三片截止型玻璃滤光片实现比色测温红外技术苏铁力等传感器及其接口技术北京中国石化出版社，高温铸造炉自动检测系统设计摘要在炼钢或炼铁行业，温度的精确检测与控制是高温铸造的重要参数之。

当前的高温测温多数为热电偶为主，但是消耗型热电偶测温存在以下缺陷测量探头为次性，如此测温费用较高每年测温后必须更换探头，无法实现自动化不能连续的高频测温。

光纤高温计为解决上述问题提供了新思路。

本文在详述辐射测温原理的基础上，给出了消耗型光电比色温度计的种设计方案，包括高温铸造炉温度数据的检测传输与放大等部分。

具体操作过程可以将带有特殊护套的光纤探头插入熔融金属，连续提取代表温度高低的光信号，再将光信号转换为电信号，放大后送给处理器。

消耗型光纤高温计克服许多测温法上的缺点，其测温精度与消耗型热电偶相同，大大降低了测温费用，具有良好的性价比。

关键字消耗型光纤高温计比色测温法高温探头光电转换目录第章绪论引言典型的温度测量方法接触法非接触法比色测温仪的发展概况消耗型辐射温度计的开发价值选题意义及主要内容第二章辐射测温原理热辐射基本概念热辐射参数热辐射的基本物理量辐射能的分配热辐射的基本定律基尔霍夫定律普朗克定律维恩位移定律小结第三章比色测温的原理及应用比色测温的基本原理比色法的优点光电比色高温计第四章消耗型光纤高温计硬件的设计研究高温探头的研究高温材料的选用光纤的导入与切断光电转换及信号的放大光电转换的研究及元件的选择电信号放大电路小结第五章结论与展望结论展望致