CN101038214A - 测量温度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种测量运动表面的温度的装置和方法，其中温度测量探针头以脉冲的方式接触所述表面。测量探针头包括快速响应热电偶元件，热电偶元件夹在适于接触所述表面及能与表面敏含的片状材料与弹性材料之间。探针头特别适用于在轧制过程测量金属的表面温度和辊子的温度。

Description

测量温度的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量温度的装置和方法，更特别地是，本发明非专用地涉及测量运动表面温度的装置和方法，例如在轧制过程测量金属的表面温度和/或在这一过程中测量辊子表面温度的装置和方法。

背景技术

温度的准确测量是金属轧制过程中非常重要的方面。当轧制金属时，金属的表面温度以及辊子的表面温度都是在轧制过程中的重要参数。特别是对于某些金属，例如铝来说，如果要制造高质量的铝，那么将表面温度保持在一理想设定的范围内是非常重要的需求。如果没有满足理想的温度控制，所得到的铝的质量将下降。

然而，控制温度要在温度能够被可靠地测量的情况下才能进行，但是在铝的轧制过程中，这是难于实现的。包括由于存在大量的润滑液体而造成的非常潮湿的环境在内的周围条件使得难于对温度进行准确和可靠的测量。

许多已知的技术已经被尝试用于在加工过程中，例如金属轧制的过程中来测量表面温度，这些技术获得成功的程度各有不同。

红外线高温计技术作为一种公知的技术和受欢迎的方法已经用于测量表面温度，并且它具有非接触的优点。然而，它们也具有许多的缺点，特别是在轧制的过程中测量金属，例如铝的表面温度的情况下。首先，例如，高温计技术取决于表面的发射率。这对于测量金属，例如铝的表面温度特别成问题，铝具有反射性并且具有较低的发射率。高温计还可能被存在于光路中的颗粒物干扰，例如污物、尘土和水蒸汽。这些问题在铝的轧制工厂中特别严重。试图解决这些问题的方法包括采用具有空气流的多波长辐射检测器以最大程度地减小透镜系统被灰尘颗粒物堵塞的危险，并且通过使用光缆使光学系统更靠近表面。然而，当目标表面覆盖有润滑剂时，由于其所测量的是润滑剂的温度而不是金属表面的温度，因此即使是多波长辐射检测器也不能测量真实的表面温度。通过采用气流吹向表面以清除润滑剂将人为地冷却所述表面。此外，这种解决方案将进一步增加已经相当昂贵的测量技术的成本。

高温计技术的另一缺陷在于，测量误差将会随着所用于测量的辐射波长的增长而增大。因此，理想地是，选择尽可能短的波长。然而，在较低温度(例如大约低于300℃)的情况下，辐射强度将变得非常低或者甚至在短波长处接近零度。因此，高温计是一项最适合于用在相对较高温度下的技术，但是在铝的轧制过程中，经常必须将温度控制在300℃以下。

在高温计具有非接触测量技术的优点的同时，还采用了使用热电偶的小间隙测量技术。这些方法包括采用设置在非常接近表面处的热电偶。例如Chino C015系列的测量工具可在市场上得到，并且这种工具被设计成用于测量运动物体，例如辊子和运动片材的表面温度。热电偶具有内置式的自动校正电路，此电路用于测量周围空气与物体实际温度之间的差值。没有必要对物体表面进行发射率补偿。测量范围根据模型为1mm到6mm。

然而，采用小间隙方法的温度测量关键是取决于要保持传感器和表面之间恒定的空气间隙。辊子的热膨胀和偏心以及其它变量经常影响间隙的宽度从而产生极大的误差。此外，由于存在润滑剂薄膜、水蒸汽和湍流空气将会严重地影响测量结果，这些情况在铝轧制工厂中非常常见。

现有技术中还已知各种方法，这些方法需要温度测量探针，用于接触要被测量温度的表面。最常见的类型由热电偶带组成，此带具有位于其中部的热连接点。此带被设计成压制在目标表面上用于进行热接触。带上的压力由Teflon或者不锈钢辊子或者固定在探针测量头上的导向件限制。例如，另一已知的方法包括用于进行热接触的弹簧，该弹簧载有被焊接到铜盘上的热电偶的端部。

市场上可获得的接触表面探针通常具有5到20℃的测量误差，这取决于局部表面的平坦度和热接触表面之间的匹配程度。对静止表面的接触测量总是会产生误差，由于在整个接触界面上的温度下降，因此测量值总是低于真实值。误差极限将在运动表面上变得更大，这是因为例如摩擦热和表面接触条件等的变化等因素导致的。

这种现有技术的装置的另一缺陷为，市场上的表面接触探针将有可能在柔软的金属表面，例如铝的表面产生印记或者凹槽。灰尘和其它颗粒物也可能会积聚在接触探针上，从而在金属表面上产生较大的印记。位于辊子上的这些探针还可能对松散地粘接在所述表面上的氧化铝造成扰动，这将对片材成品的外观造成不良影响。

发明内容

根据本发明，提供了一种温度传感器，它包括主体部分和探针头，其中探针头具有用于测量与探针头接触的表面的温度的热电偶元件，以及用于使探针头相对于主体部分产生往复运动的装置。

优选地，热电偶元件夹在适于接触所述表面的相似的片状材料和弹性材料之间。片状热传导材料可以位于热电偶和弹性材料之间。

在优选实施例中，探针头安装在轴部件的一端上，所述轴部件适于相对于温度传感器的主体部分进行往复运动。此轴在围绕在其周围的施加有AC电流的螺线管的作用下进行往复运动(优选地，频率不超过25Hz)。压缩弹簧装置位于探针头和主体部分之间。

主体优选地具有安装装置，通过此安装装置，传感器可被安装到将要测量温度的表面附近。

根据本发明的另一方面，提供了一种温度传感器，它包括主体部分和探针头，其中探针头具有用于测量与探针头接触的表面的温度的热电偶元件，所述热电偶夹于相似的片状材料和弹性材料之间。

根据本发明的又一方面，提供了一种测量运动表面的温度的方法，该方法包括以下步骤：将温度测量探针头置于与所述表面接近的位置处，其中所述温度测量探针头包括热电偶，并且使所述探针头朝向和远离所述表面进行往复运动，从而温度测量探针头以脉冲的方式接触所述表面。

附图说明

现在将通过示例的方式并结合附图对本发明的一些实施例进行说明，其中：

图1为根据本发明实施例的温度探针的侧视图；

图2为沿着图1中A-A线剖开的图1中的探针的剖视图；

图3为图1中温度探针的接触表面结构的细部视图；

图4为从下方看去的探针头的视图；和

图5为示出了在实际应用场合中的根据图1至4中实施例的温度探针的透视图。

具体实施方式

首先参照图1，其示出了根据本发明实施例的温度传感器的侧视图。该传感器包括主体部分1和接触探针头2。接触探针头2适于接触要进行温度测量的表面，并且还适于相对于主体1发生移动，这部分将在以下进一步说明。在主体部分1两侧上形成有多个安装装置3，这些安装装置3使得温度传感器能被安装到相对于要对其进行温度测量的表面固定的一个位置处。

图2示出了沿着图1中A-A线剖开的图1中的温度传感器的剖视图。从图2中，可以看到主体部分1包括上下铝板4、5。在每一铝板4、5的中心处有各自的直线轴承6、7，这些轴承支承轴8，从而使轴8可以往复的方式在图2中箭头A的方向上进行移动。在轴8下端上安装连接到探针头2的适配件9。压缩弹簧10位于适配件9与固定到下铝板5的下表面上的小金属板13之间。导向销14延伸在探针头2与下铝板5之间，在此处它可滑动地容纳于孔内。导向销14用于确保探针头2进行往复运动，并且不包括任何不需要的横向或者旋转的部件。

在板4和5之间限定了一空间，该空间由围绕在轴8周围的螺线管11占据。电枢组件12在被螺线管11包围的轴8的区域内固定到直线轴8上。螺线管11连接到AC电源上，并且应当理解的是，通过将交流的AC电源施加到螺线管11上，电枢12以及轴8将沿着轴8的轴线进行往复运动，接触探针头2将相应地进行上下运动，同时压缩弹簧10将缓解其突发的运动。可通过改变施加给螺线管11的AC电源的频率来控制接触探针头2的脉动频率。此频率可根据所需应用场合的需求来进行控制，25Hz可以作为一个频率的例子，更重要的是，接触时间(即，当探针头与要被测量的表面相接触时)和分离时间(即，当探针头不与该表面接触时)是可以按不同的应用情况而各自独立地被改变。当然，应该理解地是，也可设计其它的用于使接触探针头2发生往复运动的装置。例如，气体或液体系统都可用于产生所需的往复运动。

可单独地调整接触时间(即，当探针头2与要被测量的表面相接触时)和分离时间(即，当探针头2不与该表面接触时)以适应特定的使用场合。增加接触时间将增加温度测量的准确性，但是在增加接触时间的情况下，会存在对表面造成损坏的风险。通常，接触时间为0.1s，而分离时间为0.5s，从而在给表面造成最小损害的前提下提供准确的测量。对于不同的应用场合来说，可通过常规的实验来获得最优值。

图3更详细地示出了接触探针头2，而图4为从探针头底部看去的视图，其具体地示出了热电偶20的位置。热电偶20为探针头2的主要温度检测元件，并且可以作为一种已知的类型采用非常薄(例如0.013mm)的箔片以及0.25mm直径的热电偶线制成。适当的热电偶的一个例子为，由Omega销售的被冠以“Cement-On”商标名的那种类型。这种类型的热电偶具有非常低的热惯性的优点。热电偶20被夹在一层相似材料制成的带21和一层铝箔22之间。带21优选地是由任何适当的具有低表面摩擦的、高抗化学和耐磨的耐热材料制成，并且被选择成与要测量的表面非常一致。一种适合的带为Teflon PTFE带，它的厚度为0.003，但其它的材料也可以，例如聚酰胺薄膜或者甚至是铝箔。PTFE的温度可有效地增高至大约315℃，但是对于更高的温度来说，由于聚酰胺薄膜的温度可达到370℃，因此聚酰胺薄膜是优选的。对于更高的温度来说，由于铝箔优良的热传导性，因此它能够提高反应时间。然而，由于铝箔可能会对软的目标表面造成某种伤害，因此，它不如PTFE或者聚酰胺耐用。

在与带21相对的热电偶20的一侧上提供了一层薄的(例如0.017mm)铝箔片22，它可收集来自带的热量并且将此热量传递给热电偶的热连接点，然后，选择弹性材料，例如高性能的硅酮泡沫橡胶体23以提供优异的抗火、抗化学以及耐潮湿性能，同时还提供了优良耐热性。可替换硅酮泡沫橡胶的材料可以是高温的绝缘毛织品，它具有优异的耐热性。然而，由于它具有较低的弹性并且趋于吸收湿气，因此它不是优选的材料。

图5示出了如何将根据本发明实施例的温度传感器用于实际应用场合中的一个例子。在这个例子中，传感器被用于测量在金属轧制操作中工作辊子的表面温度。如图5所示，安装传感器使得探针头2接近工作辊子的表面，但是通常不与该表面接触，直到通过将交流电施加到螺线管上，探针头2才进行往复运动。当AC电流施加到螺线管上时，探针头2进入往复运动状态，并且与工作辊子的表面成接触和非接触状态。虽然探针头仅仅与工作辊子的表面接触不足一秒，但是热电偶20的反应时间足够快(10-20ms)，以至于热电偶能够对工作辊子的温度进行反应并且产生输出信号。此外，采用相似的带21能够在探针头2和工作辊子的表面之间确保良好的接触。这会带来便于可靠地对温度进行读数的优点。

由于探针头2仅仅间歇性地与其温度将要被测量的表面进行接触，并且由于探针头2的周围还积聚着灰尘，因此可避免划伤该表面。

至少以其优选形式出现的本发明提供了一种温度传感器，这种传感器能够测量表面温度，其精度在±4℃之间，这是对现有技术做出的极大改进，并且在许多实际应用场合中这个精度是足够的。另外，由于与表面的接触是脉动的，因此，极大地减小了对运动表面的间歇性伤害。此外，虽然本发明特别适合于测量运动表面的温度，但是应该理解的是，它并不仅仅局限于此，并且它还可用于测量静止表面的温度。

Claims (11)

1.一种温度传感器，包括主体部分和探针头，其中探针头具有用于测量与探针头接触的表面的温度的热电偶元件，以及用于使探针头相对于主体部分产生往复运动的装置。

2.如权利要求1所述的传感器，其中热电偶元件夹在适于接触所述表面及能与表面敏含的片状材料与弹性材料之间。

3.如权利要求2所述的传感器，其中片状热传导材料位于热电偶与弹性材料之间。

4.如权利要求1所述的传感器，其中所述探针头安装在轴部件的一端上，所述轴部件适于相对于所述温度传感器的主体部分进行往复运动。

5.如权利要求4所述的传感器，其中所述的轴在围绕在其周围的施加有AC电流的螺线管的作用下进行往复运动。

6.如权利要求1所述的传感器，其中压缩弹簧装置位于所述探针头和所述主体部分之间。

7.如权利要求1所述的传感器，其中所述主体具有安装装置，通过此安装装置，所述传感器可被安装到将要测量温度的表面附近。

8.如权利要求1所述的传感器，其中所述探针头可以脉冲的方式接触所述表面及与表面相接触时间和分离时间可单独地调整以适应特定的使用场合。

9.一种温度传感器，包括主体部分和探针头，其中探针头具有用于测量与探针头接触的表面的温度的热电偶元件，所述热电偶夹在能与表面敏含的片状材料与弹性材料之间。

10.如权利要求9所述的传感器，其中片状热传导材料位于热电偶与弹性材料之间。

11.一种测量运动表面的温度的方法，包括以下步骤：将温度测量探针头置于与所述表面接近的位置处，所述温度测量探针头包括热电偶；并且使所述探针头朝向和远离所述表面进行往复运动，使得温度测量探针头以脉冲的方式接触所述表面。

Images