专利名称：用光纤测量温度的方法以及所用的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用光纤测量温度的方法，和其所采用的装置。
自耗型热电偶已广泛地用于测定熔融金属的温度。由于可拆式传感器探头是可支配型的，所以温度测量间断地进行。因为每次测量都要更换传感器探头，则由于传感器探头价格高的缘故难以增加测量次数，而且也难以实现自动化操作。此外，由于探头有30毫米或更大的直径和1米或更长的长度，故不能在狭窄的空间内进行测量工作。
对熔融金属施以连续温度测量的需求越来越多。为适应这种需求情况，已推出一种实用化的装置，该装置采用了一种被浸没在熔融金属中的保护管，而热电偶插在这个保护管内，以进行连续的温度测量。这种方法的一个难题是保护管的寿命，而且此方法仅能持续测温40至50小时。此方法还存在着保护管费用高和温度变化响应差的问题。
为了解决上述问题，发明人提出了一种温度测量仪和熔融金属水平测量仪，它们公开在JP—A—248960/93中(在这里“JP—A—”表示“未审查日本专利公开”的简写)。根据该专利公开，通过连续地把包有金属管的光纤浸入到熔融金属中并检测经光纤传导的红外线，其温度仪连续地确定出熔融金属温度。由于金属管的保护使光纤的机械强度得以增强，从而光纤能够浸入到熔融金属中。
但是，那种测温过程中消耗光纤的辐射温度计有一些缺点，比如随着光纤长度的缩短，传输损耗要下降，显示的温度要增高，进而产生测量误差，而且所检测光强的增加会超出辐射温度计的容量。
当通信用的石英光纤，GI纤维(芯直径与包层直径之比为50/125μm)，被用来作光波导时，在高温觇标发出的辐射光被引入光纤的一端时，且当有0.9μm接收波长的Si检测器和红外辐射温度仪被设置在光纤另一端来测定约1200℃的温度时，每减少100米光纤长度所产生的误差大约为10℃。
有一种补偿因上述光纤长度减小所引起的测量误差的方法。根据该方法，借助触辊之类的机构来确定光纤的送入长度，并从已知的光纤传输损耗计算其衰减，以校正误差。但是实施该方法的装置很复杂。而且由于光纤传输损耗特性的不均匀性，在1千米左右的长光纤情况下会对获得满意的校正精度产生不良影响。对于有几百米的光纤长度减少做校正时，除非光纤传输损耗的校正值已知，否则将不能获得满意的校正精度。
不用热电偶等其他测温装置的光纤长度校正方法公开在由本发明的发明人所申请的JP—A—142049/93中。该文描述了一种自耗型光纤温度计，它采用了两个红外温度计单元，每一个分别检测不用波长的光。用每一波长光纤传输损耗的差，来确定实际温度(一种双波长光纤长度的校正方法)。
JP—A—142049/93所公开的这种用双波长对光纤长度减小进行校正的方法有以下所述问题。
(1)JP—A—142049/93从Wien′s等式导出一个单光谱校正公式。但是，普通的辐射温度计接收的是有一定谱带宽的光，而非单色光谱的光。因此通常的作法是，普通辐射温度计采用一种带有经验常数A、B和C的修正型公式作为谱带光温度变换式，而不用Wien′s公式，其结果是，在实际辐射温度计所得转换输出值与依照每个校正公式导出的温度变换公式输出值之间出现了一个误差。
(2)由于JP—A—142049/93所述的校正公式在其推导过程中采取了近似，因此它包含有一个近似误差。而且，既使是在满足窄接收光谱带条件下使用Wien′s(韦恩)公式作为变换公式的辐射温度计中，计算中产生的校正误差也会随着实测过程中光纤消耗的增加而增大。其结果是，为了将校正误差保持在1℃的范围内，光纤要限制在400米或更短的长度上。
本发明的目的是提供一种用自耗型光纤测量温度的方法以及所用的装置，在其中高温熔融金属的温度，以±2℃误差内的高精度，高响应速度，连续地，且低成本地被测量出来，既使采用1千米长的光纤也是如此。
为了达到此目的，本发明首先提供了一种包括以下步骤的自耗光纤测温方法在自耗光纤的一端接收高温液体发出的光，接收到的光通过自耗光纤传输到自耗光纤的另一端；通过分束滤光器将接收到的光分成两个光束；用第一辐射温度计检测两光束中第一光束的第一波段的光；把第一波段的光变换成温度，以输出第一温度值；用第二辐射温度计检测两光束中第二光束的第二波段的光，第二波段不同于第一波段；把第二波段的光变换成温度，以输出第二温度值；首先用第一辐射温度计两上固有的温度变换参数，经过第一辐射温度计的第一波段的第一传输损耗系数，第一辐射温度计所输出的第一温度；接着再用第二辐射温度计两个固有温度变换参数，经过第二辐射温度计的第二波段的第二传输损耗系数和第二辐射温度计所输出的第二温度，计算出实际温度值。
其次，本发明提供了一种用于自耗光纤测温的装置，它包括在其一端接收高度液体所发光并将接收的光传输到其另一端的自耗型光纤；用于把接收光分成两光束的分束滤光器；第一辐射温度计，用于检测两光束中第一光束的第一波段光，并将第一波段光变换成温度值以输出该第一温度值；第二辐射温度计，用于检测两光束中第二光束的第二波段光，并将第二波段光变换成温度值以输出该第二温度值，第二波段不同于第一波段；计算装置，通过首先用第一辐射温度计两个固有温度变换参数，经过第一辐射温度计的第一波段的第一传输损耗系数，第一辐射温度计所输出的第一温度值，再用第二辐射温度计两个固有温度变换参数，经第二辐射温度计的第二波段的第二传输损耗系数和第二辐射温度计所输出的第二温度值，计算出实际温度值。
第三，本发明提供了一种包含以下步骤的自耗光纤测温方法；在自耗光纤的一端接收高温液体发出的光，接收到的光通过自耗光纤传输到自耗光纤的另一端；通过分束滤光器把接收到的光分成两个光束；用第一选择滤光器对两光束中的第一光束进行滤光，使波长(λa)的窄带光通过的第一滤光步骤；用第一辐射温度计接收并检测波长(λa)的窄带光的第一检测步骤；把波长(λa)的窄带光变换成温度，以输出温度值(Ta)的第一变换步骤；用第二选择滤光器对两光束中第二光束进行滤光，使波长(λb)的窄带光通过的第二滤光步骤；
用第二辐射温度计接收并检测波长(λb)窄带光的第二检测步骤；把波长(λb)的窄带光变换成温度，以输出温度值(Tb)的第二变换步骤；用下述公式计算实际温度(T)T＝(1/Daλa－1/Dbλb)÷(1/DaλaTa－1/DbλbTb)其中T实际温度，λa第一辐射温度计的波长，Da光纤对波长(λa)的传输损耗系数，Ta第一辐射温度计输出的温度值，λb第二辐射温度计的波长，Db光纤对波长(λb)的传输损耗系数，Tb第二辐射温度计输出的温度值。
第四，本发明提供了一种用自耗光纤测量温度的装置，它包括在其一端接收高温液体所发出的光并将此光传输到其另一端的自耗光纤；用于把接收的光分成两个光束的分束滤光器；第一选择滤光器，用于对两光束中第一光束进行滤光，以使波长(λa)的窄带光通过；第一辐射温度计，用于接收和检测波长(λa)的窄带光，并将波长(λa)的窄带光变换成温度，以输出温度值(Ta)；
第二选择滤光器，用于对两束光中第二光束进行滤光，以使波长(λb)的窄带光通过；第二辐射温度计，用于接收和检测波长(λb)的窄带光，并将波长(λb)的窄带光变换成温度，以输出温度值(Tb)；利用下述公式计算实际温度的装置T＝(1/Daλa－1/Dbλb)÷(1/DaλaTa－1/DbλbTb)其中T实际温度，λa第一辐射温度计的波长，Da光纤对λa波长光的传输损耗系数，Ta第一辐射温度计输出的温度，λb第二辐射温度计的波长，Db光纤对λb波长光的传输损耗系数，Tb第二辐射温度计输出的温度。
第五，本发明提供了一种用自耗光纤测量温度的方法，包括如下步骤在自耗光纤的一端接收高温液体所发出的光，接收到的光通过自耗光纤传输到自耗光纤的另一端；用波长选择滤光器对接收到的光进行滤光，只允许有预定中心波长的窄谱带光通过；以及用辐射温度计将窄谱带光变换成温度。
第六，本发明提供了一种采用自耗光纤进行测温的装置，它包括一个自耗光纤，以在其一端接收高温液体所发出的光，并把该光传输到其另一端；一个波长选择滤光器，以对接收到的光进行滤光，从而只让有预定中心波长的窄谱带光通过；以及一个辐射温度计，用以检测该窄谱带光并将该窄谱带的光转换成温度。
第七，本发明提供了一种用自耗光纤测量温度的方法，其步骤包括在自耗光纤的一端接收高温液体所发出的光，接收到的光通过自耗光纤传输到它的另一端；将接收到的光用分束滤光器分成两个光束；用第一波长选择滤光器对两光束中第一光束进行滤光，以使有预定中心波长和带宽的第一谱带光通过的第一滤光步骤；用第一辐射温度计检测该谱带光，并将测出的谱带光转换成温度，以输出温度值(Ta)的第一检测步骤；用第二波长选择滤光器对两光束中第二光束进行滤光，以让有预定中心波长的第二谱带光通过的第二滤光步骤；用第二辐射温度计检测该谱带光，并将测出的谱带光转换成温度，以输出温度值(Tb)的第二检测步骤；利用第一辐射温度计和第二辐射温度计固有的温度变换参数，光纤对第一谱带光和第二谱带光的传输损耗数据，以及温度值(Ta)和温度值(Tb)来计算实际温度。
第八，本发明提供了一种用自耗光纤测量温度的装置，它包括一自耗光纤，用以在其一端接收高温液体所发出的光并将接收到的光传输到其另一端；一个分束滤光器，用以将接收到的光分解成两个光束；第一波长选择滤光器，用以对两光束中的第一光束进行滤光，让有预定中心波长和带宽的第一谱带光通过；第一辐射温度计，用以接收和检测第一谱带光，并将第一谱带光转换成温度，以输出温度值(Ta)；第二波长选择滤光器，用以对两光束中的第二光束进行滤光，让有预定中心波长和带宽的第二谱带光通过，第二谱带光的谱带不同于第一谱带光的；第二辐射温度计，用以接收和检测第二谱带光，并将第二谱带光转换成温度，以输出温度值(Tb)；利用第一辐射温度计和第二辐射温度计固有的温度变换参数，光纤对第一谱带光和第二谱带光的传输损耗数据，以及温度(Ta)和温度(Tb)来计算实际温度的装置。
图1描述了本发明的用自耗光纤测量温度装置的实例；图2表示了光纤消耗与校正前误差的关系；图3表示了光纤消耗与校正后误差的关系；
图4表示了本发明的用自耗光纤测量温度的装置之另一实例；图5表示了现有技术中光纤消耗与校正后误差的关系；图6是一个表明通信用石英光纤传输损耗的特征曲线图；图7是另一个表示通信用石英光纤传输损耗的特征曲线图；图8表示了本发明用自耗光纤测量温度的装置的另一实例；图9表示了本发明光纤消耗与误差之间的关系；图10表示了本发明用自耗光纤测量温度的装置的另一实例；图11表示了根据本发明光纤消耗与校正后误差之间的关系；以及图12表示了根据本发明光纤消耗与校正后误差之间的另一关系。实施例1为了实现本发明的测温方法，要使用一个自耗型光纤。高温液体发出的光在自耗光纤的一端被接收。通过自耗光纤，接收到的光被传输到自耗光纤的另一端。分束滤光器把接收的光分成两个光束，即第一光束和第二光束。第一辐射温度计从第一光束中检测出第一波段的光。检测出的第一波段光被转换成温度，以输出第一温度值。第二辐射温度计从第二光束中检测出第二波段的光。检测出的第二波段光被变换成温度，以输出第二温度值。利用第一辐射温度计固有的两上第一温度变换参数，经由第一辐射温度计的第一波段之第一传输损耗系数，及来自第一辐射温度计的第一温度值，并利用第二辐射温度计固有的两上第二温度变换参数，经由第二辐射温度计的第二波段之第二传输损耗系数及来自于第二辐射温度计的第二温度值，计算出高温液体的实际温度(T)。
实际温度(T)用下式计算出来T＝[(1/DaAa－1/DbAb)－2(Ba/DaAa2Ta－Bb/DbAb2Tb)]÷[(1/DaAaTa－1/DbAbTb)－2(Ba/DaAa2Ta2－Bb/DbAb2Tb2)]…(1)其中T实际温度，Ta从第一辐射温度计输出的第一温度值，Aa，Ba第一辐射温度计固有的两个第一参数，Da经由第一辐射温度计的光纤的第一传输损耗系数，Tb从第二辐射温度计输出的第二温度值，Ab，Bb第二辐射温度计固有的两个第二参数，Db经由第二辐射温度计的光纤的第二传输损耗系数。
而且，可用下述公式计算实际温度TT＝[(1－2Ba/AaTa′)Ta/DaAa－(1－2Bb/AbTb′)Tb/DbAb]÷[(1－2Ba/AaTa′)DaAa－(1－2Bb/AbTb′)DbAb]…(2)其中T实际温度，Ta第一辐射温度计输出的第一温度值，Aa，Ba第一辐射温度计固有的两个第一参数，Da经由第一辐射温度计的光纤的第一传输损耗系数，Ta′在第一辐射温度计具体测量范围基础上所取的近似值，
Tb第二辐射温度计输出的第二温度值，Ab，Bb第二辐射温度计固有的两个第二参数，Db经由第二辐射温度计的光纤的第一传输损耗系数。
Tb′根据第二辐射温度具体测量范围而取的近似值。
本发明的另一种测温方法，也采用了自耗型光纤。在自耗光纤的一端接收高温液体所发出的光。接收到的光通过自耗光纤传输到自耗光纤的另一端。通过分束滤光器，接收到的光被分成两个光束，即第一光束和第二光束。第一光束被滤光后成为第一波长λa的第一窄谱带光。第一波长λa的第一窄谱带光由第一辐射温度计接收和检测。检测出的第一波长λa的第一窄带光被转换成温度，以输出第一温度值Ta。第二光束被滤光后成为第二波长λb的第二窄带光。第二波长λb的第二窄带光由第二辐射温度计接收和检测。检测出的第二波长λb的第二窄带光被转换成温度，以输出温度值Tb、用下列公式计算出实际温度TT＝(1/Daλa－1/Dbλb)÷(1/DaλaTa－1/DbλbTb)…(3)其中T实际温度，λa第一辐射温度计的第一波长，Da光纤对第一波长(λa)的传输损耗系数，Ta从第一辐射温度计输出的第一温度，λb第二辐射温度计的第二波长，Db光纤对第二波长(λb)的传输损耗系数，
Tb从第二辐射温度计输出的第二温度。
例一下文首先说明在考虑了光纤传输衰减因素条件下辐射温度计的灵敏度特性。
依据普朗克定律的等式(4)表示出黑体辐射光谱亮度L(λ，T)L(λ，T)＝2C1/{λ5×(EXP(C2/λT)－1)}…(4)其中λ波长T绝对温度C15.9548×10-7wxm2C20.014388m·k在λT≤λmT(λmT＝2.8978×10-3m·k)的范围内用韦恩公式(5)近似公式(4)。
L(λ，T)＝2C1×EXP(-C2/λT)/λ5…(5)在普通辐射温度计中，用近似公式(6)把亮度信号变成温度，该近式公式使用了依据JIS(参考《新温度测量》第256页，测试仪器与自动控制学会)实验所确定的因数A，B，和C。
L(λ，T)＝C×EXP{-C2/(AT＋B)}…(6)图1表示了本发明用自耗光纤测量温度装置的实例。在图1中，标号1表示包囊着金属管的光纤，2代表一个光连接器，3代表由下述装置4至9构成的自耗光纤温度计。标号4是分束滤光器，诸如分束器，它将来自包着金属管的光纤1端部且通过了光连接器2的入射光分开，并且将分开的光波段传输到光检测器5和6中。光检测器5接收入射光，并检测以波长λa为中心的特定波段光(如λa＝0.85μm)。光检测器6接收入射光，并检测以波长λb为中心的特定波段光(如λb＝1.0μm)。因此，光检测器5和6可以由波段选择滤光器，光电二极管(可以根据接收和检测的光波段，采用硅光电二极管或锗光电二极管)，和信号放大器构成。
标号7是一个温度变换器，它将光检测器5检出信号变成温度，并显示出温度值Ta。标号8是一个将光检测器6检出信号变成温度并显示出温度值Tb的温度变换器。光检测器5和温度变换器7构成了1号单色辐射温度计，而光检测器6和温度变换器8构成了2号单色辐射温度计。图1中1号和2号单色辐射温度计分别接收有一定带宽的谱带光，而不是接收单色光，而且采用公式(3)和固有参数Aa，Ba，Ca，及Ab，Bb，Cb。
标号9代表计算实际温度的计算部分。计算部分9通过校正计算得出熔融钢的实际温度T，而该校正计算是在下述特定计算公式基础上进行的。即，对1号单色辐射温度计使用1号单色辐射温度计固有的两个温度转变参数Aa，Ba，光纤在光接收与检测波段的传输损耗系数Da，以及显示温度Ta，而对2号单色辐射温度计使用2号单色辐射温度计固有的两个温度转变参数Ab，Bb，光纤在光接收与检测波段的传输损耗系数Db，和显示温度Tb。
由于图1中1号和2号单色辐射温度计是对有限带宽的光进行温度转换，所以计算部分所用的校正公式要符合这种情况。
标号12代表光纤递送滚筒，其中，13表示光纤递送辊，14表示一个铸模，15代表钢水，16代表浸入式铸口，17代表粉剂。
包有金属管的光纤1是通信用石英光纤。通过采用SUS这类的金属管作为包覆金属，包覆了金属管的光纤1其机械强度提高了并可以浸入到熔融钢15之内。
由于浸入熔融钢15的金属包覆光纤1在高温环境中随时间推移而不断消耗，所以需要一个机构使绕在光纤递送滚筒12上的金属包覆光纤1逐渐绕下来补充消耗的长度。有这种机构的温度计称为自耗光纤温度计。
根据图1的自耗光纤温度计，由于传输损耗，自光纤端头入射的红外光在其从光纤另一端出射之前的传输过程中会发生衰减。光纤的衰减特性是波长的函数。尽管目前市售石英光纤的性能有显著的改善，但通常在0.9μm的标定波长有2到3分贝/公里，在1.5μm波长有0.2到0.5分贝/公里的传输损耗。图6和图7公告了一些可供备查的光纤传输损耗。
图6是表示通信石英光纤传输损耗(Ohm有限公司的Shimadaand Hayashida《光纤缆线》第52页，1987)的特性曲线。图7也是表示了一种通信石英光纤传输损耗的特性曲线(Ohm有限公司，Shimadaand Hayashida《光纤缆线》第56页，1987)。
两幅图暗示了自耗光纤温度计的输出受光纤长度的影响。根据用0.9μm波长的单色辐射温度计和GI光纤(芯直径/包层直径＝50/125μm)对黑体辐射腔所作的实验，10米长光纤时的基准温度比100米长时高约+10℃。
因此，本发明的自耗光纤温度计要实现在光纤长度变短时保持原有的显示值，并能确定一个高精度的温度值。
而且，为了消除光纤长度缩短的影响，图1的自耗光纤温度计使用了两个预定在不同波长处的有限带宽的单色辐射温度计。本系统有效地利用了光纤传输损耗依波长而不同的原理。
根据该系统，光纤作为波导来使用，它在包覆金属管的光纤1一端处接收熔融钢15所发出的光。在光纤1的另一端，分束滤光器4把传输过来的光分成两部分。分出的每部分光被引入到1号和2号单色辐射温度计之一中。辐射温度计分别接收并检测不同中心波长λa和λb处的有限带宽的光，并将检测出的信号分别转换成温度，以产生温度读数Ta和Tb。
下面将描述在计算部分用校正公式从这两个温度值Ta，Tb确定实际温度T的程序。
用标准值来校验两个单色辐射温度计的读数值，给出了光纤长度变短时的差值。两值之间的该差值用以确定实际温度。计算方法如下。
(1)在红外辐射温度计所确定的辐射亮度与温度关系符合韦恩公式的条件下，确定校正公式。当红外辐射温度计的光检测器响应波段非常窄，且能视作单色光处理时，公式可适用。每个单色辐射温度计的有效波长取作λa和λb(μm)。
当光纤为标准长度时校验温度计。每个单色辐射温度计所接收光的辐射亮度取为Ea和Eb。得出下列韦恩公式(5a)和(5b)。
Ea＝2Ca′×EXP(-C2/λaT)/λa5…(5a)Eb＝2Cb′×EXP(-C2/λbT)/λb5…(5b)其中Ca′和Cb′是每个辐射温度计的特定常数。
光通过X长度的光纤所产生传输损耗所引起的衰减一般用下式表示。
R(×)＝exp(—DX)所以，如果光纤长度从标准长度减小(消耗)X，则接收到的光量将增加与衰减量相等的量。因此，单色辐射温度计在该点的亮度输出Ea和Eb分别由公式(7)和(8)写出。
Ea＝2Ca′×EXP(DaX)×EXP(-C2/λaT)/λa5…(7)Eb＝2Cb′×EXP(DbX)×EXP(-C2/λbT)/λb5…(8)在光纤有X长度的消耗，其温度读数值取为Ta和Tb时，则Ea和Eb用公式(9)和(10)表示。
Ea＝2Ca′×EXP(-C2/λaTa)/λa5…(9)Eb＝2Cb′×EXP(-C2/λbTb)/λb5…(10)从公式(7)，(8)，(9)，和(10)中消去Ea和Eb，且结果用对数关系表示，则可得到公式(11)和(12)。
DaX－C2/λaT＝-C2/λaTa…(11)DbX－C2/λbT＝-C2/λbTb…(12)接着，从公式(11)和(12)中消去X，且以实际温度T来表示所得公式，则有式(3)。T＝(1/Daλa－1/Dbλb)/(1/DaλaTa－1/DbλbTb) …(3)公式(3)在其推导过程中没有使用近似，所以它消除了光纤长度的影响，消除了误差，并且只要是红外辐射温度计测出的辐射亮度和实际温度之关系符合韦恩公式，即可以确定实际温度T。
(2)接着的步骤是在红外辐射温度计的检测带宽为一个有限带宽，且该检测带宽不能作为单色光处理的情况下，推导出校正公式。在这种情况下，辐射亮度与温度之间的关系用具有常数A，B，和C的公式(6)来表示。
在标准光纤长度时校验温度计，此时单色辐射温度计所接收的光辐射亮度取为Ea和Eb。然后，每个辐射温度计的常数A、B、和C，即Aa，Ba，Ca，Ab，Bb和Cb被用来表示公式(6a)和(6b)中与实际温度T的关系。
Ea＝Ca×EXP{-C2/AaT＋Ba)} …(6a)Eb＝Cb×EXP{-C2/(AbT＋Bb)}…(6b)在光纤从标准长度减少了(消耗)X长度时，单色辐射温度计的亮度输出Ea和Eb分别用公式(13)和(14)表示。
Ea＝Ca×EXP(DaX)×EXP{-C2/(AaT＋Bb)}…(13)Eb＝Cb×EXP(DbX)×EXP{-C2/(AbT＋Bb)}…(14)
当温度读数值取为Ta和Tb时，可以将Ea和Eb表示为公式(15)和(16)。
Ea＝Ca×EXP{-C2/(AaTa＋Ba)}…(15)Eb＝Cb×EXP{-C2/(AbTb＋Bb)}…(16)接着从公式(13)，(14)，(15)，和(16)之中消去Ea和Eb，并对其结果取对数，则可得到公式(17)和(18)。
DaX－C2/(λaT＋Ba)＝-C2/(λaTa＋Ba)…(17)DbX－C2/(λbT＋Bb)＝-C2/(λbTb＋Bb)…(18)从公式(17)和(18)中消去X时，得到公式(19)。
1/Da(λaT＋Ba)－1/Db(λbT＋Bb)＝1/Da(λaTa＋Ba)－1/Db(λbTb＋Bb)…(19)解等式(19)，求实际温度T，得出式(20)。T＝《-(AaBb＋AbBa){-DaC2/(AbTb＋Bb)＋DbC2/(AaTa＋Ba)}＋(AbDb－AaDa)C2＋[(AaBb－AbBa)2{-DaC2/(AbTb＋Bb)+DbC2/(AaTa＋Ba)}2＋2C2(AaBb－AbBa)(AaDa＋AbDb)－DaC2/(AbTb＋Bb)＋DbC2/(AaTa＋Ba)}＋(AaDa-AbDb)2C22]1/2》/[2AaAb{-DaC2/(AbTb＋Bb)＋DbC2/(AaTa＋Ba)}]…(20)公式(20)在其推导过程中没有使用近似，所以它消除了光纤长度的影响，或者说消除了误差，并且只要是红外辐射温度计所测出的辐射亮度与实际温度之间关系符合公式(6)，即可确定实际温度T。
由于公式(20)复杂且要花时间进行计算，所以推出一个进行简单校正的近似公式。这是基于这样一个事实关系式AT＞＞B一般出现在近1500℃的温度和1至2μmλ时，所以[1/(AT+B)]可以近似为[1/AT—B/(AT)2]。若用此近似，公式(19)则表示为公式(21)。
(1/Ta－1/T)/DaAa－Ba(1/Ta2－1/T2)/DaAa＝(1/Tb－1/T)/DbAb－Bb(1/Tb2－1/T2)/DbAb…(21)而且，考虑到[Ta－T＜＜Ta]和[Tb－T＜＜Tb]，(1/Ta＋1/T)的值近似为2/Ta，且(1/Tb＋1/T)的值近似为2/Tb。利用这些近似关系，公式(21)可写成公式(22)。
(1/Ta－1/T)(1－2Ba/AaTa)/DaAa＝(1/Tb－1/T)(1－2Bb/AbTb)/DbAb…(22)解式(22)求实际温度T，推出公式(1)。T＝{(1/DaAa－1/DbAb)－2(Ba/DaAa2Ta－Bb/DbAb2Tb)}÷{(1/DaAaTa－1/DbAbTb)－2(Ba/DaAa2Ta2－Bb/DbAb2Tb2)}…(1)在消除了光纤长度X影响之后的实际温度，可以由，利用两红外辐射温度计的读数值Ta和Tb，代表着每一辐射温度计特性的参数A，B和C之中每对参数Aa和Ba，Ab和Bb，及在每个辐射温度计测量波长处的传输损耗系数Da和Db，通过公式(20)或(1)的计算来确定。
在数据转换成数字信号并用数字信号处理器(DSP)和中央处理单元(CPU)进行数字计算的情况下，可以采用公式(1)。然而，在计算公式(1)的模拟电路中，该公式太复杂。
此时，为了简化模拟电路的计算，可以进取消一步引入以下的近似。
若{1/Ta－1/T}近似为{(T－Ta)/T2}、且{1/Tb－1/T}近似为{(T－Tb)/T2}被用于公式22中，则有公式(22a)。
(1－2Ba/AaTa)(T－Ta)/DaAa＝(1－2Bb/AbTb)(T－Tb)/DbAb…(22a)从公式(22a)求解实际温度T，导出式(23)。T＝{(1－2Ba/AaTa)Ta/DaAa－(1－2Bb/AbTb)/DbAb}÷{(1－2Ba/AaTa)/DaAa－(1－2Bb/AbTb)/DbAb}…(23)而且，对目标温度范围已知并用Ta和Tb表示，且温度读数Ta′和Tb′近似值已知的情况进行研究。比如当目标温度范围已知为1400至1600℃时，温度范围的中间值为1500，可以作为近似值。
在此情况下，公式(23)可近似为公式(2)。T＝{(1－2Ba/AaTa′)Ta/DaAa－(1－2Bb/AbTb′)Tb/DbAb}÷{(1－2Ba/AaTa′)/DaAa－(1－2Bb/AbTb′)/DbAb…(2)因为公式(2)对Ta和Tb来讲是线性的，且它们的系数是已知且预先确定的，所以公式(2)的计算甚至可以用模拟电路来模拟。
图2表示一个由于温度测量中辐射温度计光纤长度消耗而引起的读数误差。检测条件如下。
(1).1号单色辐射温度计硅检测器(有限带宽在中心波长λa＝0.85μm左右)2号单色辐射温度计硅检测器(有限带宽在中心波长λb＝1.0μm左右)(2)通信用光纤，GI50/125传输损耗2.65dB/km(λa＝0.85μm)传输损耗1.8dB/km(λb＝1.0μm)(3)每个温度计有一个有限谱带宽度，表示其特性的参数如下1号单色温度计Aa＝8.41×10-7，Ba＝2.98×10-52号单色温度计Ab＝9.88×10-7，Bb＝1.60×10-5图2表示了测量温度T为1500℃，光纤长度为X(km)情况下，每个单色红外辐射温度计读数值的误差。1号辐射温度计(波长0.85μm)的误差用虚线表示，而2号辐射温度计(波长1.0μm)的误差用实线表示。
图2提示，两个单色辐射温度计上的读数值在光纤消耗1km时有大约100℃的读数误差，而在光纤消耗100m时有大约10℃的读数误差。
图3表示了用图1所示自耗光纤温度计3校正图2中误差的实例。
图3表示了分别用校正公式(1)，(2)，和(3)对图2中所得到的值进行校正计算之后的误差。
图3中的点划线是针对辐射温度计检测波段足够窄且光可视作单色光处理，以及采用公式(3)情况下的曲线。在光纤消耗少于或等于200米的情况下，校正后误差可以达到在2℃以内。
引起误差的原因如下。图1中1号和2号辐射温度计的每一个都接收一种有一定带宽的光，且使用包括固有参数Aa，Ba，Ca，和Ab，Bb及Cb的温度变换公式进行温度变换。然而，校正公式(3)采用假设辐射温度计接收单色光的韦恩公式。其结果是，在温度变换与校正之间形成误差。
另一方面，使用包含参数A、B和C，并考虑了有限带宽的校正公式(1)和(2)之后，出现一个误差。公式(1)和(2)的误差分别用虚线和实线画出。两种情况表示出在光纤消耗等于或小于800米时在2℃之内的近似误差，这个误差满足实际应用要求的范围。
下面是符合校正公式(3)的自耗先纤温度计结构实例。
图4给出本发明自耗光纤温度计结构的实例2。
图4与图1的结构之间有不同之处。图4的结构把窄带波长选择滤光器10和11用到自耗光纤温度计3A中，并把温度变换器7和8换成温度变换器7A和8A，把计算部件9换成了计算部件(9A)。
两窄带波长选择滤光器10和11位于两个光检测器5和6之前。这两个窄带波长选择滤光器10和11分别透过有波长λa和λb和足够窄的谱带光，以致使该光可以被视为分别进入光检测器5和6的单色光。
而且此时，可以适用韦恩公式。温度变换器7A和8A依据韦恩公式进行温度变换，并分别产生出温度读数Ta和Tb。
图4的计算部件9A，通过把两辐射温度计产生的温度读数Ta和Tb，接收与检测波长λa和λb，及波长λa和λb时的光纤传输损耗Da和Db分别应用到校正公式(3)中，可以确定出熔融钢15的实际温度。
由于公式(3)不包括近似计算，故校正后的误差近于零。
为了验证校正公式(3)的效果，图5表示了用JP—A—142049/93所述校正公式校正后的误差。
图5给出了JP—A—142049/93所述校正计算的结果，当光纤消耗超过600米时误差超过2℃。该误差源于包含近似计算的校正公式。由这种近似计算产生的误差，完全可以通过应用公式(3)来消除。
如上所述，根据本发明，自耗光纤温度计在光纤一端接收高温目标发出的辐射光，并在其中传输所接收的光；用能接收和检测来自光纤另一端辐射光并将其转变成温度的辐射温度计确定高温目标的温度，其中从光纤另一端出射的光被分束滤光器分成两个谱线部分，且每一谱线部分进λ两辐射温度计之一。两辐射温度计接收和检测互不相同的光波段，并将检测出的光转换成温度，以输出各自的温度读数。计算装置通过利用每个辐射温度计固有的两温度转换参数，光纤在每个光接收检测波段的传输损耗数据，及每个辐射温度计中的温度读数，计算出高温目标的实际温度。因此，这种配置可以消除光纤长度缩短这种影响，而且可以代替旧的使用热电偶的自耗浸入式温度计来连续高精度、高响应速度、低成本地测定出熔融金属这种高温目标的温度，而光纤长度缩短的影响是旧自耗光纤温度计最严重的问题。尤其是，由于能采用1千米左右长光纤而使成本降低，且由于减少了校验工作而使维护工作得到了改进，所以其应用领域大大扩展了，如扩展到转炉、电炉、精炼炉、及连续浇铸中的浇口盘等等，其制铁过程在改善温度控制精度方面都有显著效果。由此看来，本发明有显著的工业价值。
根据本发明，用两个各自分别采用不同波长范围一定带宽光的辐射温度计来确定温度读数，且计算装置用公式(1)计算高温目标实际温度。其结果是，对1500℃目标进行误差范围为2℃的高精度测量，要消耗800米的光纤。
根据本发明，当高温目标的温度范围已知，且两辐射温度计读数近似值可确定时，则计算装置可以用温度读数有线性关系的公式(2)来计高温目标的实际温度T。其结果是，计算装置可由简单模拟电路构成，这就提供了一种响应速度快而且精度高成本低的仪器。
根据本发明，两个辐射温度都采用彼此不同波长处的窄谱带光，而且也适于采用单色光来确定温度读数，计算装置采用便于计算且不含近似计算的公式(3)，计算出高温目标的实际温度。其结果是，用简单而便宜的仪器完成高精度的温度测定。实施例2
本发明测量温度的方法采用了一种自耗光纤。高温液体发出的光在自耗光纤的一端被接收到。接收到的光通过自耗光纤到达它的另一端。该接收光经波长选择滤光器的滤光，只透过有预定中心波长的窄带光。该窄谱带光由辐射温度计转变成温度。
窄谱带光的中心波长最好是1.55μm或1.55μm附近。而且波长选择滤光器最好有中心波长左右±0.1μm的通频带。辐射温度计用InGaAs光电二极管作为接收与检测器件。
对于另一种测量温度的方法，也采用了自耗光纤。高温液体发出的光在自耗光纤一端被接收。接收到的光经自耗光纤传输至它的另一端。分束滤光器将接收光分成两个光束，即第一光束和第二光束。第一光束经过第一波长选择滤光器，只透过有预定中心波长的第一波段的第一谱带光。透过的第一谱带光由第一辐射温度计接收检测，并被转变成温度。第二光束经过第二波长选择滤光器，只透过有预定中心波长的第二波段的第二谱带光。该第二谱带光由第二辐射温度计接收检测，并被转变成温度。分别利用第一辐射温度计和第二辐射温度计的固有温度转换参数，光纤对第一谱带光和第二谱带光的传输损耗数，及第一辐射温度计和第二辐射温度计输出的温度值Ta和Tb，计算出实际温度T。
第一波长选择滤光器滤出的第一波段的第一谱带光与第二波长选择滤光器滤出的第二波段的第二谱带光，在波长方面彼此不同。窄谱带光中心波长最好在1.55μm或1.55μm附近。而且，波长选择滤光器最好有中心波长左右±0.1μm的通频带。第一辐射温度计用In-GaAs光电二极管作为接收检测器件。第二辐射温度计用Si光电二极管作为接收检测器件。
例二下面首先说明，在考虑到光纤衰减后的辐射温度计灵敏度。根据普朗克定律，用公式(24)表示黑体光辐射亮度L(λ、T)。
L(λ，T)＝2C1/{λ5×(EXP(C2/λT)－1)}…(24)其中λ波长T绝对温度(k)C15.9548×10-7W·M2C20.014388m.k在λT≤λmT(λmT＝2.8978×10-3m·k)范围内，用韦恩公式(25)近似表示公式(24)。
L(λ，T)＝2C1×EXP(-C2/λT)/λ5…(25)在普通辐射温度计中，用近似公式(26)将亮度信号转换成温度，该近似公式使用了依据JIS(参见《新温度测量》第256页，测试仪器与自动控制学会)所做实验，而确定的因数A、B和C。
L(λ，T)＝C×EXP{-C2/(AT＋B)} …(26)图8表示了本发明采用自耗光纤测温的装置实例。在图8中，标号101代表包有金属管的光纤，102代表光连接器，103代表包括具有窄带波长选择滤光器105，光电二极管107，及温度转换器109的自耗光纤温度计。
窄带波长选择滤光器105由干涉滤光器构成，它通过薄膜产生的光干涉，使一个特定波段光透过(此例为1.55±0.025μm)。光电二极管107在此例中采用InGaAs器件，它接收检测透过窄带波长选择滤光器105的1.55±0.025波段的光。
温度转换器109把由InGaAs光电二极管107接收检测而输出的信号，转换成温度，并给出温度读数T。图8的模式中，由于温度读数T是按转换方式给出的(或者说没有用校正计算)，所以温度转换器109可以用公式(25)或(26)。
光电二极管107和温度转换器109构成了单色辐射温度计。
标号112代表光纤馈送卷筒，113代表光纤馈送卷筒，114代表铸模，115代表钢水，116代表注入式铸口，及117代表粉剂。
用金属管包覆的光纤101中的光纤是通信用石英光纤。通过利用SUS管之类的金属管做包覆材料，包有金属管的光纤101作为一种传感器，其机械强度加强了且能插入到钢水115中。
由于被插入钢水115中的包金属管光纤101在高温环境中随时间而消耗，所以要有一个机构把绕在光纤馈送卷筒112上的包金属管光纤101逐步绕下来以补充消耗的长度。有此机构的温度计称为自耗光纤温度计。
图8只用了一个波段进行测温，所以该温度计称为单波长自耗光纤温度计。
根据图8的自耗光纤温度计，红外光从光纤端头入射后直至从光纤另一端射出，由于传输损耗，它在传输过程中要衰减。光纤的衰减特性是波长的函数。尽管市售石英光纤在其性能方面有很大的改善，但通常，在常规波长0.9μm时有2至3dB/km，和1.5μm波长时有0.2至0.5dB/km的传输损耗。图6和图7表示了一些可查到的公开的光纤传输损耗。
两幅图提示，自耗光纤温度计的输出受到光纤长度的影响。根据用0.9μm波长的单色辐射温度计和GI光纤(芯直径/包层直径＝50/125μm)对黑体辐射腔进行的实验，相对于100米处基准温度而言，10米长光纤时读数大约要高10℃。
因此，本发明自耗光纤温度计要做到既使光纤长度变短也要保特原有读数值，且要能测定出高精度的温度。
参考图8，在包金属管光纤101的长度等于参考光纤长度时进行温度校检，且单色辐射温度计所接收的光辐射亮度取为E，则E用韦恩公式(25A)表示。
E＝2C′×EXP(-C2/λT)/λ5…(25A)这里C′是每个温度计的特定常数。
通常，X长度的光纤其光传输损耗所引起的衰减用下式表示。
R(X)＝exp(—DX)。
所以，当光纤长度从参考长度起缩短(消耗)X时，接收的光将提高等于上述衰减的量。此时单色辐射温度的亮度输出E′由公式(25B)表示。
E′＝2C′×EXP(DX)×EXP(-C2/λT)/λ5…(25B)如果在光纤消耗完X长度时的温度读数值表示为T′，则E′可用公式(25C)表示。
E′＝2C′×EXP(-C2/λT′)/λ5…(25C)所以，温度计校验时，公式(25A)中的温度读数值T和光纤有消耗时公式(25C)中的温度读数值T′互不相同，且差值ΔT＝T′－T成为读数误差。
光纤的衰减特性是波长的函数，如图6和图7所示，一般波长较长的衰减较小。此外，由于OH基团的吸收带，使衰减在1.4μm附近有所增大。
由于Ge光电二极管有从0.8到1.8μm的宽敏感波段，所以Ge光电二极管不能给出稳定的读数，这是因为校验期间温度计暴露在高温下，以及光纤端头因渗入氢原子而导致其特性的改变，还因为在1.4μm处OH基团吸收带中传输损耗D增加了。
另一方面，图8中的自耗光纤辐射温度计103有一个窄带波长选择滤光器105，它仅允许1.55±0.025μm为中心波长的光传输到InGaAs光电二极管107的入射平面上。由于该波段不受1.4μm吸收带的影响，所以光纤传输损耗系数D的值可以低到0.3dB/km。
因此，当要测定的温度是1500℃时，100米光纤消耗仅仅带来2到3℃的读数值提高。
此外，在没有OH基团吸收带时，故不存在会在Ge辐射温度计中产生温度读数值稳定性的问题。
而且，由于检测器件采用了InGaAs光电二极管107，既使检测光强在通过窄带波长选择滤光器105后减少了，该光也不会与暗电流相混，而仍有获得良好信噪比的足够光强。
图9表示了用图8自耗光纤温度计实测的结果。
图9的实线表示用InGaAs光电二极管时的情况。利用对比虚线表示使用Si光电二极管的情况。
在图9中，光纤上所包裹的金属管是直径为1.2mm的SUS，而光纤是有GI纤维(芯直径/包层直径＝50/125μm)的通信用石英光纤。窄带波长选择滤光器105的透过波段是1.55±0.025μm。
图9的实线表示既使在光纤消耗掉1千米，其测量误差大约是25℃。
当使用有图8构造的自耗光纤温度计时，若光纤消耗在从校验点起100米之内，则温度测量总能保持在±2℃的精度上。所以，在每次消耗了100米光纤时，可用有标准长度的光纤来替换旧的。
对于间歇的温度测量来说，每次测量自耗光纤温度计常常要消耗40至50mm的量。所以，既使在测量频度选定为每小时3次，或说每天3×24＝72次的情况下，一卷100米长的光纤也可以持续使用一个月左右(72×30＝216次)。
其结果是，用有图8结构的单波长自耗光纤温度计在精度方面没问题，而且可以实用于没有校正计算的场合。
图8表示了一种不带校正计算的单波长自耗光纤温度计。下面将说明采用双波长且有光纤长度校正计算的测量方法。
在用双波长校正光纤长度的方法中，光纤端头出射的光被分成两个谱带分支。每一分支被引入一个独立的单色辐射温度计，彼此独立的温度计有不同的检测波段，且有两个温度读数Ta和Tb被测定出来。对Ta和Tb进行校正计算，以确定出实际温度T。下面将描述测定的程序。
两个单色辐射温度计的用标准值校验后的读数值，在光纤长度变短时有一个差值。用两值之间的该差值来确定实际温度。计算方法如下。
(1)根据红外辐射温度计所测辐射亮度与温度关系由韦恩公式(25)表示的情况，推导出校正公式。当红外辐射温度计中光检测器的响应波段充分窄且可以做为单色光来处理的时候，可以用该公式。每个单色辐射温度计的有效波长取为λa和λb(μm)。
当光纤为标准长度时，校验温度计。每个单色辐射温度计所接收光的辐射亮度取为Ea和Eb。则导出下面韦恩公式(25a)和(25b)。
Ea＝2Ca′×EXP(-C2/λaT)/λa5…(25a)Eb＝2Cb′×EXP(-C2/λbT)/λb5…(25b)其中Ca′和Cb′是每个辐射温度计的特定常数。如果光纤长度从标准长度减小(消耗)了X长度，则光强增加量为R(X)＝exp(—DX)，或者说是X长度上的光传输损耗。在该点，单色辐射温度计的亮度输出Ea和Eb分别用公式(27)和(28)表示。
Ea＝2Ca′×EXP(DaX)×EXP(-C2/λaT)/λa5…(27)Eb＝2Cb′×EXP(DbX)×EXP(-C2/λbT)/λb5…(28)当光纤消耗掉X时的温度读数值取为Ta和Tb时，则Ea和Eb表示为公式(29)和(30)。
Ea＝2Ca′×EXP(-C2/λaTa)/λa5…(29)Eb＝2Cb′×EXP(-C2/λbTb)/λb5…(30)从公式(27)，(28)，29)和(30)中消去Ea和Eb，并将所得结果取对数，导出公式(31)和(32)。
DaX－C2/λaT＝-C2/λaTa…(31)DbX－C2/λbT＝-C2/λbTb…(32)然后，从公式(31)和(32)中消去X，以实际温度T改写式(31)，(32)，并得出公式(33)，T＝(1/Daλa－1/Dbλb)/(1/DaλaTa－1/DbλbTb) …(33)在推导公式(33)的过程中没有进行近似，所以消除了光纤长度的影响，或者说消除了误差，而且只要是红外辐射温度计所检测出的辐射亮度与实际温度之间的关系符合韦恩公式，即可确定出实际温度。
(2)下一步骤是在红外辐射温度计的检测波段为一个有限的带宽，且检测波段不能被视为单色光处理的情况下，推导出校正公式。在此条件下，辐射亮度与温度之间的关系由含有常数A、B和C的公式(26)表示。
在标准光纤长度下校验温度计，且设该时刻单色辐射温度计接收的光辐射亮度为Ea和Eb。然后用每只温度计的A、B、C常数，和Aa，Ba，Ca，及Ab，Bb，Cb，表示其在公式(26a)和(26b)中与实际温度T的关系。
Ea＝Ca×EXP{-C2/(AaT＋Ba)} …(26a)Eb＝Cb×EXP{-C2/(AbT＋Bb)} …(26b)光纤从标准长度减少了(消耗了)X长度时的单色辐射温度计的亮度输出Ea和Eb分别用公式(34)和(35)表示。
Ea＝Ca×EXP(DaX)×EXP{-C2/(AaT＋Ba)} …(34)Eb＝Cb×EXP(DbX)×EXP{-C2/(AbT＋Bb)} …(35)当温度读数值取Ta和Tb时，Ea和Eb可以用(36)和(37)公式表示。
Ea＝Ca×EXP{-C2/(AaTa＋Ba)} …(36)Eb＝Cb×EXP{-C2/(AbTb＋Bb)} …(37)从公式(34)，(35)，(36，和(37)中消去Ea和Eb，并对结果取对数，则得出公式(38)，(39)。
DaX－C2/(λaT＋Ba)＝-C2/(λaTa＋Ba)…(38)DbX－C2/(λbT＋Bb)＝-C2/(λbTb＋Bb)…(39)当X从公式(38)，(39)中消去后，导出了公式(40)。
1/Dx(λaT＋Ba)－1/Db(λbT＋Bb)＝1/Da(λaTa＋Ba)－1/Db(λbTb＋Bb)…(40)解式(40)求实际温度T，给出出式(41)。T＝《-(AaBb＋AbBa){-DaC2/(AbTb＋Bb)＋DbC2/(AaTa＋Ba)}＋(AbDb－AaDa)C2＋[(AaBb－AbBa)2{-DaC2/(AbTb＋Bb)＋DbC2/(AaTa＋Ba)}2＋2C2(AaBb－AbBa)(AaDa＋AbDb){－DaC2/(AbTb＋Bb)＋DbC2/(AaTa＋Ba)}＋(AaDa-AbDb)2C22]1/2》/[2AaAb{-DaC2/(AbTb＋Bb)＋DbC2/(AaTa＋Ba)}]…(41)公式(41)在推导过程中未进行近似，所以它消除了光纤长度的影响而没有误差，而且只要是红外辐射温度计测得的辐射亮度与实际温度的关系表示为公式(26)，则可确定实际温度T。
由于公式(41)复杂且计算起来费时，故推导出一个简单校正的近似公式。基于T在1500℃附近，λ为1至2μm时一般有AT＞＞B的关系这一事实，可以把[1/(AT＋B)]设为近似等于[1/AT—B/(AT)2。]若采用这一近似，则公式(40)可表示为公式(42)。(1/Ta－1/T)/DaAa－Ba(1/Ta2－1/T2)/DaAa＝(1/Tb－1/T)/DbAb－Bb(1/Tb2－1/T2)/DbAb…(42)而且，考虑到关系[Ta－T＜＜Ta]和[Tb－T＜＜Tb]，(1/Ta＋1/T)的值可近似等于2/Ta，而且(1/Tb＋1/T近似等于2/Tb。通过利用这些近似关系，公式(42)可以表示为公式(43)。
(1/Ta－1/T)(1－2Ba/AaTa)/DaAa＝(1/Tb－1/T)(1－2Bb/AbTb)/DbAb…(43)
当用公式(43)求解实际温度T时，则有公式(44)。T＝{(1/DaAa－1/DbAb)－2(Ba/DaAa2Ta－Bb/DbAb2Tb)}÷(1/DaAaTa－1/DbAbTb)-2(Ba/DaAa2Ta2－Bb/DbAb2Tb2)…(44)消除了光纤长度X影响之后的实际温度，由采用两个红外辐射温度计读数值Ta和Tb，表示每个辐射温度计特征参数A、B和C的每一对参数Aa和Ba，Ab和Bb，以及每个辐射温度计测量波长段的传输损耗系数，通过公式(41)或(44)来确定传输损耗系数Da和Db。
在数据被转换成数字信号，且用数字信号处理器(DSP)和中央处理单元(CPU)进行数字计算的情况下，可以采用公式(44)。但是在计算公式(44)的模拟电路中，该公式太复杂。
在这种情况，要想用模拟电路简化计算，就得引入以下的近似。
若{1/Ta－1/T}近似等于{(T－Ta)/T2}，{1/Tb－1/T}近似等于{(T－Tb)/T2}的关系被用于公式(43)，则可导出公式(43a)。
(1－2Ba/AaTa)(T－Ta)/DaAa＝(1－2Bb/AbTb)(T－Tb)/DbAb…(43a)求解公式(43a)来获得实际温度T，则导出公式(45)。T＝{(1－2Ba/AaTa)Ta/DaAa－(1－2Bb/AbTb}Tb/DbAb}÷{(1－2Ba/AaTa)/DaAa－(1－2Bb/AbTb)/DbAb}…(45)进一步需研究，在目标温度范围已知为Ta和Tb，且近似温度读数值Ta′和Tb′已知的情况。当目标温度范围已知为1400至1600℃时，该温度范围的中间值，1500℃，可以做为近似值。
在此情况下，公式(45)可以近似为公式(46)。T＝{(1－2Ba/AaTa′)Ta/DaAa－(1－2Bb/AbTb′)Tb/DbAb}÷{(1－2Ba/AaTa′)/DaAa－(1－2Bb/AbTb′)/DbAb}…(46)由于公式(46)对Ta和Tb来说是线性的，且由于其系数是已知和预先确定的，所以公式(46)的计算既使用简单模拟电路也能进行。
下一步是确定反映到算出的实际温度值中的温度读数值误差和参数误差有多大。
考虑到两红外辐射温度计的检测光谱可被视为单色光处理。两温度计的读数值Ta和Tb，每个红外辐射温计的有效波长λa和λb，及光纤在有效波长时的传输损耗系数，可以用来确定采用公式(33)的光纤端头的实际温度T。如果T，Ta和Tb的值近似为彼此接近相等的程序，则算出的实际温度值T的误差dT由公式(47)给出。dT＝{XT2(dDa/Da－dDb/Db)/C2＋dTa/(Daλa)－dTb/(Dbλb)}÷(1/(Daλa)－1/(Dbλb)}…(47)下一个步骤是比较两辐射温度计都采用Si辐射温度计的(A)情况，和两辐射温度计之一用InGaAs辐射温度计而另一个用Si辐射温度计的(B)情况，且以公式(47)所示实际温度误差dT的幅度为单位。
(A)采用两个Si辐射温度计的情况(A)中，在Si光电二极管用作两个红外辐射温度计的检测器件，且两不同波长取为λa＝0.85μm和λb＝1.0μm的条件下估算公式(47)中的dT。
当传输损耗系数取实测值Da＝2.6(dB/μm和Db＝1.8dB/km，且当把λa，λb，Da和Db的值在T＝1500℃而光纤长1千米的条件下，代入公式(47)时，dT可由公式(48)表示。
dT＝-490(dDa/Da-dDb/Db)－4.4dTa＋5.4dTb…(48)在公式(48)中，两红外辐射温度计上的噪声读数值和所测温度的误差dTa和dTb被放大到约5倍的样子，而且符号互换了。因此，若dTa和dTb有相同的正负号，则该值相互抵消。若它们正负号不相同，则其值相加。传输损耗值Da和Db不精确而有1％的误差时，则实际温度T有大约5℃的温度误差。
因此，在情况(A)中，即使两单色辐射温度计的精度为±2℃，校正光纤长度之后温度读数值的精度在最坏的情况下会降至±10℃。由于包括传输损耗Da和Db在内的误差影响很大，所以光纤在每个实测波段中的传输损耗精确值是必须知道的。
(B)在两个辐射温度计之一用InGaAs辐射温度计，且另一个用Si辐射温度计的情况在下文讨论。例如，两个辐射温度计之一用图8所示单色辐射温度，其中光接收器件为InGaAs光电二极管，其中有1.55μm中心波长的窄带波长选择滤光器装在光接收平面上，而另一个辐射温度计采用Si光电二极管。这两个辐射温度的读数值Ta和Tb输入到校正计算器中，以用公式(33)确定T。
当λa＝0.9μm，λb＝1.55μm，Da＝2.2dB/km，和Db＝0.3dB/km代入公(47)时，在T＝1500℃且X＝1km的条件下，dT用公式(49)来表示。
dT＝-30(dDa/Da－dDb/Db}－0.3dTa＋1.3dTb…(49)在公式(49)中，实测温度的误差，InGaAs辐射温度计的dTb，反映到dT中只有很小的放大，且Si辐射温度计的实测温度误差dTa对际温度计算误差影响很小。既使传输损耗D的误差为5％，T的最终误差也仅为1.5℃。因此，在情况(B)中，当两辐射温度计的精度为±2℃时，校正计算后的精度在±3℃之内。
而且，由于不要求传输损耗Da和Db的精确值，则现有装置或OTDR(光脉冲检测器)所测的值可以被采用，这可以大大简化校验工作。
当校正计算后的实际温度精度在(A)情况与(B)情况之间进行比较时，作为双温度计系统，情况(B)优于情况(A)。
在辐射温度计检测光谱具有一有限宽度，且可用公式(26)代替韦恩公式(25)时，校正计算公式要与公式(33)有所不同，如公式(44)和公式(46)。在该情况下，校正计算后的实际温度精度在情况(B)中比在情况(A)中还要好。
图10是表示本发明自耗光纤温度计另一实例结构的示意图。
在图10中，标号101，102，105，107，109和112至117代表与图8相同的部分。标号3A是包括有1号和2号单色辐射温度计的自耗光纤温度计，在不同的波长点用1号和2号温度计进行测温，且自耗光纤温度计中还包括有进行校正计算的计算部分111。
标号104代表一个分束器之类的分束滤光器，它把来自包金属管光纤101一端又通过光连接器102的光分成两个谱带部分。两谱带之一的光入射到窄带波段选择滤光器105，而另一谱带光入射到波段选择滤光器106中。窄带波段选择滤光器105与图8所示相同，它让1.55μm波段处的窄带光透过并，到达1nGaAs光电二极管107。波段选择滤光器106由彩色玻璃的波段选择滤光器构成。它可以透过0.7到1.1μm波长范围的光波段，使其到达Si光电二极管108。标号109和110是分别接收光电二极管107和108检测信号的温度转换器109。
温度转换器109根据InGaAs光电二极管107接收检测1.55±0.025μm波长处谱带光所产生的检测信号，进行温度转换并产生温度读数Ta。与之相似，温度转换器110根据Si光电二极管108接收检测0.7至1.1μm波长范围光时产生的检测信号进行温度转换，从而产生温度读数Tb。
在此例中，温度转换器109和110使用了公式(26)，该公式是在前已描述过的用于转换有限谱带光的温度转换公式，且它分别使用了特定参数Aa，Ba，Ca和Ab，Bb，Cb。
InGaAs光电二极管107和温度转换器109构成了1号单色辐射温度计，Si光电二极管108和温度转换器110构成了2号单色辐射温度计。
标号111代表计算部分，它用校正公式计算出实际温度，以从1号和2号辐射温度计产生的温度读数值Ta和Tb中消除光纤长度的影响。计算部分111用公式(41)，(44)或(46)中的一个完成计算。
当计算部分111由数字信号处理器(DSP)或中央处理单元(CPU)构成，且当它进行数字计算时，如果仅仅把输入的信号转换成数字信号，则用公式(44)计算较容易。当计算部分111由模拟计算器构成时，公式(46)易于计算，因为公式(46)是一个线性近似公式。根据测量精度，计算时间和费用的情况，可选择出最优的计算公式。
在计算部分111采用公式(44)做计算公式的情况下，从公式(44)中确定出实际温度T，该公式使用了1号和2号辐射温度计特定的温度转换参数Aa、Ba和Ab、Bb，光纤在每个光接收检测波段处的传输损耗Da和Db，及每个辐射温度计中产生的温度读数Ta和Tb。
图11表示了其计算部分111使用校正计算公式(44)的图10自耗光纤温度计的实测结果。
图11的实线是利用图10结构的InGaAs光电二极管和Si光电二极管，并用公式(44)进行校正而画出的。图11的虚线是一种为了进行比较，而在两个波长利用两个Si光电二极管，并用公式(44)校正而画出的。在图11的实线中，既使光纤消耗了2千米，校正后的误差也只有1.5℃，且该实线表示了一种比虚线更高精度的测量。
在把公式(46)用在计算部分111作计算公式的情况下，从使用了1号和2号辐射温度计特有的温度转换参数Aa，Ba，和Ab，Bb，光纤对每个光接收检测波段的传输损耗系数Da和Db，每个辐射温度计各自的输出温度读数Ta和Tb，及两个读数值的近似值Ta′和Tb′的公式(46)中得出实际温度T。由于公式(46)是线性的，它可以用于一种包含模拟电路的计算部分111。
图12表示图10自耗光纤温度计实测结果，其中的计算部分111使用了校正计算公式(46)。
图12的实线是用有图10结构的InGaAs光电二极管和Si光电二极管并用公式(46)校正而画出的。图12的虚线作为一种比较是用双波长Si光电二极管并用公式(46)校正而画出来的。在图12的实线中，既使光纤消耗了1千米，校正后的误差仍为±2℃。由于在此情况中使用了近似计算，所以其精度比图11的实线要低。但此情况中的实线优于其中的虚线，且这种构造给出了足够的实用精度，即每消耗100米光纤有0.2℃左右的误差。
图10中窄带波段选择滤光器105的特征为1.55μm的中心波长和±0.025μm范围内的通频带。但是，本发明不限于这个特征。中心波长必须避开1.1μm这个OH基团吸收带。波长可以在1.55μm附近，或者可以向长波方向偏移开1.55μm，只要该波段能提供一个光接收检测器件所必需的检测信号以便在后续步骤中转换成温度。
通频带可以拓宽到距中心波长±0.1μm的程度。如果检测光强增加而没有降低信噪比、则拓宽的通频带可以采用。
如上所述，根据本发明自耗光纤温度计，在光纤的一端接收高温目标发出的光并将接收到的光进行传输，通过用辐射温度计接收检测来自光纤另一端的辐射光并转换成温度，测定出高温目标的温度。而且其中有一个窄带波段选择滤光器，它只允许光纤另一端输出光中有中心波长1.55μm或1.55μm附近波长的窄谱带光通过，并且使辐射温度计接收检测透过的光。其结果是，在目标温度约1500℃左右时，每100米光纤的消耗有2℃到3℃的温度误差。因此，如果每当光纤消耗100米就更换新的有标准长度的光纤，在不对辐射温度计温度读数做校正计算情况下可以上述精度进行长时间连续测量。
根据本发明，窄带波段选择滤光器有一个距中心波长±0.1μm范围内的通频带。而且不受1.4μm附近OH基团吸收带的影响，而辐射温度计可以使用那种处理单色光的韦恩近似公式。
根据本发明，辐射温度计有一个InGaAs光电二极管来作为光接收检测器件。由于用InGaAs光电二极管作为检测器件，所以既使因透过窄带波段选择滤光器而使检测光强减小，该检测也不会与暗电流相混，且可以按良好信噪比来检测光强。
根据本发明，自耗光纤温度计用以在光纤的一端接收高温目标发出的辐射光并传输该光，在光纤另一端接收检测该光以测定出高温目标的实际温度。而且，光纤另一端输出的光被分成两个谱带部分，且每一部分分别被引入第一辐射温度计和第二辐射温度计，其中第一辐射温度计接收检测穿过窄带波段选择滤光器的光，并将该光转换成温度，而该窄带波长选择滤光器有1.55μm或近于1.55μm的中心波长且有距中心波长长±0.1μm范围的通频带。第二辐射温度计接收和检测透过波带选择滤光器的入射光并将检测光转换成温度，其波段选择滤光器让不同于第一辐射温度计接收检测光波段的另一波段光透过。计算装置根据特定公式算出高温目标的实际温度，其公式使用了每个第一第二辐射温度计特有的温度转换参数，光纤对每个光接收检测波段内的传输损耗数据，以及每个辐射温度计温度转换完成后的两个温度读数。该结构可以消除已有自耗光纤温度计中最严重的光纤长度减少的影响，可以连续高精度、高响应速度且低成本地确定出熔融金属之类高温目标的温度。尤其是，由于能使用1千米左右长度的光纤而带来的费用节约，并由于校验工作的减少而带来的保养性能的改善，其应用领域大大地扩展了。比如，在炼钢领域中，使转炉、电炉，精炼炉和连续浇铸的浇口盘的温度控制精度有了显著改善。
根据本发明，第一辐射温度计有一个InGaAs光电二极管作为光接收检测器件来接收和检测光，而第二辐射温度计用Si光电二极管作光接收检测器件来接收和检测光。而且，这两个接收和检测器件都以良好的信噪比完成入射光的接收检测，它们产生的噪声比Ge光电二极管要低，而且既使在入射光强小时，也可以避免信号与暗电流相混。
权利要求
1.一种用自耗光纤测量温度的方法，包括步骤在自耗光纤的一端接收高温液体发出的光，通过自耗光纤把接收的光传输到自耗光纤的另一端；把接收的光用分束滤光器分成两束光；用第一辐射温度计检测两束光的第一束中的第一波段的光；把第一波段光转换成温度以输出第一温度值；用第二辐射温度计检测两束光的第二束中的第二波段的光，第二波段与第一波段不同；把第二波段光转换成温度以输出第二温度值；通过用第一辐射温度计固有的两个第一温度转换参数，第一辐射温度计对第一波段的第一传输损耗系数，第一辐射温度计输出的第一温度值，并用第二辐射温度计固有的两个第二温度转换参数，第二辐射温度计对第二波段的第二传输损耗系数和第二辐射温度计输出的第二温度值，计算出实际温度值。
2. 如权利要求1的方法，其中所述实际温度用下式算出；T＝[(1/DaAa－1/DbAb)－2(Ba/DaAa2Ta－Bb/DbAb2Tb)]÷[(1/DaAaTa－1/DbAbTb)－2(Ba/DaAa2Ta2－Bb/DbAb2Tb2)]其中T实际温度；Ta第一辐射温度计输出的第一温度值；Aa，Ba第一辐射温度计固有的两个第一参数；Da对第一辐射温度计来讲光纤的第一传输损耗系数；Tb第二辐射温度计输出的第二温度值；Ab，Bb第二辐射温度计固有的两第二参数；Db对第二辐射温度计来讲光纤的第二传输损耗系数。
3.如权利要求1的方法，其中所述实际温度用下式算出；T＝[(1－2Ba/AaTa′)Ta/DaAa－(1－2Bb/AbTb′)Tb/DbAb]÷[(1－2Ba/AaTa′)DaAa－(1－2Bb/AbTb′)DbAb]其中T实际温度；Ta第一辐射温度计输出的第一温度值；Aa，Ba第一辐射温度计固有的两个第一参数；Da光纤对第一辐射温度计的传输损耗系数；Ta′基于第一辐射温度计的特定测量范围而设定的近似值；Tb第二辐射温度计输出的第一温度值；Ab，Bb第二辐射温度计固有的两个第二参数；Db光纤对第二辐射温度计的传输损耗系数；Tb′基于第二辐射温度计特定测量范围而设定的近似值。
4.如权利要求1的方法，其中所述光纤是通信用的石英光纤。
5.一种用自耗光纤测量温度的装置，包括用于在其一端接收高温液体发出的光并将该光传输到其另一端的自耗光纤；用于将接收光分成两束光的分束滤光器；用于检测两束光的第一束中第一波段光，并将第一波段光转换成温度以输出第一温度值的第一辐射温度计；用于检测两束光的第二束中第二波段光，并将第二波段光转换成温度以输出第二温度值的第二辐射温度计，第二与第一波段不同；计算实际温度的计算装置，它利用了第一辐射温度计固有的两个第一温度转换参数，对于第一辐射温度计第一波段的第一传输损耗系数，第一辐射温度计输出的第一温度值，并利用了第一辐射温度计固有的两个第二温度转换参数，对于第二辐射温度计第二波段的第二传输损耗系数和第二辐射温度计输出的第二温度值。
6.权利要求5的装置，其中所述计算装置用下述公式来计算实际温度；T＝[(1/DaAa－1/DbAb)－2(Ba/DaAa2Ta－Bb/DbAb2Tb)]÷[(1/TDaAaTa－1/DbAbTb)－2(Ba/DaAa2Ta2－Bb/DbAb2Tb2)]其中T实际温度；Ta从第一辐射温度计输出的第一温度；Aa，Ba第一辐射温度计固有的两个第一参数；Da光纤对第一辐射温度计的传输损耗系数；Tb第二辐射温度计输出的第二温度；Ab，Bb第二辐射温度计固有的两个第二参数；Db光纤对第二辐射温度计的传输损耗系数。
7.权利要求5的装置，其中所述计算装置用下述公式计算实际温度；T＝[(1－2Ba/AaTa′)Ta/DaAa－(1－2Bb/AbTb′)Tb/DbAb]÷[(1－2Ba/AaTa′)DaAa－(1－2Bb/AbTb′)DbAb]其中T实际温度；Ta从第一辐射温度计输出的第一温度；Aa，Ba第一辐射温度计固有的两个第一参数；Da光纤对第一辐射温度计的传输损耗系数；Ta′根据第一辐射温度计测量范围而定的近似值；Tb第二辐射温度计输出的第二温度；Ab，Bb第二辐射温度计固有的两个第二参数；Db光纤对第二辐射温度计的传输损耗系数；Tb′根据第二辐射温度计测量范围而定的近似值。
8.如权利要求5的装置，其中所述光纤是通信用石英光纤。
9.一种用自耗光纤测量温度的方法，包括步骤；在自耗光纤的一端接收高温液体发出的光，并经自耗光纤把接收光传输到自耗光纤的另一端；用分束滤光器把接收光分成两个光束；用第一波段选择滤光器对两束光的第一束进行滤光而让波长(λa)的窄带光通过的第一滤光步骤；用第一辐射温度计接收检测波长(λa)窄带光的第一检测步骤；把波长(λa)的窄带光转换成温度以输出温度(Ta)的第一转换步骤；用第二波段选择滤光器对两束光的第二束进行滤光而让波长(λb)的窄带光通过的第二滤光步骤；用第二辐射温度计接收检测波长(λb)窄带光的第二检测步骤；把波长(λb)的窄带光转换成温度以输出温度Tb的第二转换步骤；用下述公式计算出实际温度TT＝(1/Daλa－1/Dbλb)÷(1/DaλaTa－1/DbλbTb)其中T实际温度；λa第一辐射温度计的波长；Da光纤对λa波长的传输损耗系数；Ta第一辐射温度计输出温度；λb第二辐射温度计的波长；Db光纤对λb波长的传输损耗系数；Tb第二辐射温度计输出温度。
10.如权利要求9的方法，其中所述光纤是通信用石英光纤。
11.一种用自耗光纤测量温度的装置，包括用于在其一端接收高温液体所发光并传输该光到其另一端的自耗光纤；用于把接收光分成两束光的分束滤光器；用于对两束光的第一束滤光，以让波长(λa)的窄带光透过的第一波段选择滤光器；用于接收检测波长(λa)的窄带光，并将波长(λa)窄带光转换成温度以输出温度值(Ta)的第一辐射温度计；用于对两束光的第二束滤光，以让波长(λb)的窄带光透过的第二波段选择滤光器；用于接收检测波长(λb)的窄带光，并将(λb)波长窄带光转换成温度以输出温度值(Tb)的第二辐射温度计；用下式计算实际温度T的装置T＝(1/Daλa－1/Dbλb)÷(1/DaλaTa－1/DbλbTb)其中T实际温度；λa第一辐射温度计波长；Da光纤对波长λa的传输损耗系数；Ta第一辐射温度计输出温度；λb第二辐射温度计波长Db光纤对波长λb的传输损耗系数；Tb第二辐射温度计输出温度。
12.如权利要求9的装置，其中所述光纤是通信用石英光纤。
13.一种用自耗光纤测量温度的方法包括步骤在自耗光纤一端接收高温液体发出的光，并通过自耗光纤把接收光传输到自耗光纤另一端；用波段选择滤光器对接收光滤光，仅让有预定中心波长的窄谱带光透过；以及用辐射温度计把窄带光转换成温度。
14.如权利要求13的方法，其中所述中心波长是1.55μm。
15.如权利要求13的方法，其中所述中心波长在1.55μm附近。
16.如权利要求13的方法，其中所述波段选择滤光器有距中心波长±0.1μm范围的通频带。
17.如权利要求13的方法，其中所述辐射温度计有一个InGaAs光电二极管作为光接收检测器件。
18.一种用自耗光纤测量温度的装置，包括用于在其一端接收高温液体所发光并将该光传输到其另一端的自耗光纤；对接收光滤光而仅让有预定中心波长的窄谱带光透过的波段选择滤光器；用于检测窄谱带光并将该光转换成温度的辐射温度计。
19.如权利要求18的装置，其中所述中心波长是1.55μm。
20.如权利要求18的装置，其中所述中心波长在1.55μm附近。
21.如权利要求18的装置，其中所述的波段选择滤光器有距中心波长±0.1μm范围内的通频带。
22.如权利要求18的装置，其中所述的辐射温度计用InGaAs光电二极管作为光接收检测器件。
23.一种用自耗光纤测量温度的方法，包括步骤在自耗光纤一端接收高温液体发出的光，并通过自耗光纤把该接收光传输到自耗光纤的另一端；用分束滤光器把接收光分成两束光；用第一波段选择滤光器对两束光的第一束滤光，以仅让预定中心波长和带宽的第一谱带光透过的第一滤光步骤；用第一辐射温度计检测该光并将其检测的光转换成温度，以输出温度(Ta)的第一检测步骤；用第二波段选择滤光器对两束光的第二束滤光，以仅让有预定中心波长和带宽的第二谱带光透过的第二滤光步骤；用第二辐射温度计检测该光并将检测光转换成温度，以输出温度(Tb)的第二检测步骤；利用第一辐射温度计和第二辐射温度计固有的温度转换参数，光纤对第一谱带光和第二谱带光的传输损耗数据，以及温度(Ta)和温度(Tb)进行计算，得出实际温度T。
24.如权利要求23的方法，其中所述第一谱带光有1.55μm的中心波长和1.55±0.1μm的带宽。
25.如权利要求23的方法，其中所述第一谱带光有近于1.55μm的中心波长和距中心波长±0.1μm的带宽。
26.如权利要求23的方法，其中所述第一辐射温度计用InGaAs光电二极管作光接收检测器件，且所述第二辐射温度计用Si光电二极管作光接收检测器件。
27.一种用自耗光纤测量温度的装置，包括用于在其一端接收高温液体所发光并将光传输到其另一端的自耗光纤；用于将接收光分成两束光的分束滤光器；用于对两束光的第一束滤光以仅让有预定中心波长和带宽的第一谱带光透过的第一波段选择滤光器；用于接收检测第一谱带光并将该光转换成温度以输出温度值(Ta)的第一辐射温度计；用于对两束光的第二束进行滤光以仅让有预定中心波长和带宽的第二谱带光透过的第二波段选择滤光器，第二与第一谱带光的波段不相同；用于接收检测第二谱带光并将该光转换成温度以输出温度值(Ta)的第二辐射温度计；利用第一辐射温度计和第二辐射温度计固有的温度转换参数，光纤对第一谱带光和第二谱带光的传输损耗数据，以及温度(Ta)和温度(Tb)。
28.如权利要求27的方法，其中所述第一谱带光有1.55μm的中心波长和1.55±0.1μm的带宽。
29.如权利要求27的方法，其中所述第一谱带光有近于1.55μm的中心波长和距中心波长±0.1μm的带宽。
30.如权利要求27的方法，其中所述第一辐射温度计用InGaAs光电二极管作为光接收检测器件，且所述的第二辐射温度计用Si光电二极管作为光接收检测器件。
全文摘要
一种用自耗光纤测量温度的方法，包括接收高温液体发出的光；用分束滤光器将接收光分成两光束；用第一辐射温度计检测第一光束的第一波段光；把第一波段光转换成温度；用第二辐射温度计检测第二光束的第二波段光；把第二波段光转换成温度；利用第一辐射温度计固有温度转换参数，传输损耗系数，辐射温度计的输出温度来计算真实的温度。
文档编号G01J5/04GK1117581SQ95105589
公开日1996年2月28日 申请日期1995年5月29日 优先权日1994年5月30日
发明者高山贵光, 山田善郎 申请人:日本钢管株式会社