CN101842678A - 用于监控和调整低温冷却的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过测量从低温冷却装置(112)产生的蒸气云(113)的不透明度来监控和/或控制低温冷却的设备和方法。通过测量穿过蒸气云(113)的光束(127)的强度的下降来确定不透明度。不透明度的测量被用来控制系统的操作参数，诸如低温冷却装置(112)的冷却率。不透明度的测量可被归一化以补偿变量，除了工件(119)的温度和冷却率外，该变量是还可影响蒸气云(113)的不透明度的变量。

Description

用于监控和调整低温冷却的设备和方法
【交叉引用】
本申请要求2007年8月28日提交的第60/968,479号临时申请的权益，通过引用视同于全面阐述将其全文结合于本文中。
【技术领域】
本发明涉及低温喷射冷却，其一般用于金属加工及其它需要冷却来保持最佳处理参数的工业应用。
【背景技术】
在金属加工应用中直接感测工件和工具表面温度富有挑战性。由于工件和工具二者均在运动的事实，基于接触的温度测量不是所希望的。常规的非接触式温度测量装置，诸如红外线(IR)传感器和温度计，常常由于工件和工具材料的反射率引起的测量误差以及低温范围中的低辐射水平而不准确。在其中使用低温冷却的应用中，准确的温度测量日益重要。因此，需要一种更准确的非接触式温度测量方法。
涉及的技术包括第5,517,842号美国专利和公布号为WO2006/074875A 1的PCT。
【发明内容】
本发明包含一种设备，其用于具有当操作时产生蒸气云的低温冷却构件的系统。该设备感测冷却并向控制器发送信号，该控制器被编程以设定和/或调节系统的至少一个操作参数。
在一方面，本发明包含一种设备，其供具有当操作时产生蒸气云的低温冷却构件的系统使用。该设备包括适合发射在第一强度处的第一光束的第一发射器。该设备还包括第一接收器，其具有适合探测第一感测强度的第一传感器。当第一光束被定向在第一传感器时，第一感测强度为第一光束在第一传感器处的强度。第一接收器适合产生第一传感器信号，该第一传感器信号为第一感测强度的函数，并且第一发射器和第一传感器具有第一操作位置，其中第一发射器和第一传感器定位和定向成使得第一光束被定向到第一传感器上并且第一光束在被第一传感器接收前经过蒸气云至少一次。还提供了控制器，且该控制器被编程以基于控制器数据设定和/或调节系统的至少一个操作参数。当第一发射器和第二传感器处于第一操作位置时，控制器数据包括第一传感器信号。
在另一方面，本发明包含一种设备，其供具有当操作时产生蒸气云的低温冷却构件的系统使用。该设备包括用于确定蒸气云的相对不透明度并产生涉及蒸气云的相对不透明度的数据的机构，以及与该用于确定的机构通信的控制器，该控制器适合基于该数据设定和/或调节系统的至少一个操作参数。
再在另一方面，本发明包含一种供具有低温冷却构件的系统使用的方法，该方法包括测量低温蒸气云的相对不透明度，以及基于测定的低温蒸气云的相对不透明度设定和/或调节系统的至少一个操作参数。
【附图说明】
当结合附图阅读时，将更好地理解以下对本发明的优选实施例的详细描述。为了示出本发明的目的，在附图中显示了目前优选的实施例。然而，应该理解的是，本发明并不局限于附图所示的精确的布置和手段：
图1是按照本发明的基本低温蒸气云不透明度测量设备的第一实施例；
图2是基本低温蒸气云不透明度测量设备的第二实施例，其中光束被反射；
图3是根据本发明的用于监控和调整工件和轧辊的低温冷却的设备的优选实施例的示意图示；以及
图4是用于监控和调整工件和轧辊的低温冷却的设备的第二实施例的示意图示。
【具体实施方式】
本发明为一种供具有当操作时产生蒸气云的低温冷却构件的系统使用的设备。具有低温冷却构件的系统可包括但不局限于金属轧制和加工操作，诸如车床车削、镗孔、铣削、热喷射涂覆应用以及食物冷冻应用。
“低温蒸气”为当环境空气中所含的水与诸如液态氮(下称“LIN”)、气态氮、氩气和二氧化碳或这些液体和/或气体的两种或多种的混合物的低温喷射接触时形成的微观水冰晶体的悬浮物。低温蒸气通常呈白色并且不透明或半透明。
在涉及本发明的开发的实验中，已观察到从其中低温喷射被定向到基板上的区域(例如，工件和/或工具区域和/或待冷却物体的零件表面和/或其它表面)演变来的“低温蒸气”的量与喷射应用在其上的表面的表面温度成反比。在所观察的所有情形中，当基板(例如，工件、零件和/或工具)表面低于希望的温度范围(即，过冷)时观察到大量的低温蒸气，而当工件和工具表面高于希望的温度范围(即，冷却不充分)时几乎看不到低温蒸气。已观察到大量的低温蒸气所产生的“云”比更少量的低温蒸气所产生的“云”更加不透明。申请人发现，可通过测量被定向通过蒸气云的光束的强度下降来以合理的准确度测量蒸气云的不透明度。强度下降是由于光束在形成一部分低温蒸气云的微观冰晶体的固体表面上的散射和吸收而引起的。这些概念形成本发明的基础。
图1示出了用来测量低温蒸气不透明度的基本设备。如图1所示，低温冷却装置12产生蒸气云13。光源23定位成定向光束25通过蒸气云13。在本实施例中，光源23为激光发射器。接收器29定位在光束25已穿过蒸气云13之后的光束25的路线中。接收器29具有适合探测在光束25的波长范围内的光的强度33的光传感器31。光束25在光源23处具有已知的初始强度27，而当光束在穿过蒸气云13之后到达传感器31时其具有较低的强度33(“感测强度”)。优选地，传感器31产生与感测强度成正比的电信号。在本实施例中，传感器31为光学传感器，其基于感测强度产生在4-20mA范围内的信号。
如以上所注明的，光源23在本实施例中为激光发射器。应当理解的是，可使用其它发射器。基于本说明书和权利要求书的目的，用语“发射器”意味着任何能够发射光的装置并且可与用语“光源”互换地使用。红色或绿色激光为用于本发明的优选光源的实例，因为蒸气云不透明度是光束在微观冰晶体的固体表面上的散射和吸收所导致的。此类激光特别适合用于本发明，因为它们不昂贵，它们能产生高度聚焦的、易于测量的光束，并且产生可见光束，这有利于传感器31的正确定位。也可使用发射紫外(UV)或红外(IR)波长的光的光源，但较不优选，因为它们不产生可见光束。
图2显示了用于图1中所示的设备的备选布置。在图2中，反射器59用来在光束25被传感器31接收之前重新定向光束25。这允许接收器29和传感器31位于光源23附近。如图所示的，在这种构造中，光源25穿过蒸气云13两次。备选地，光束和反射器可定位成使得光束在被传感器(未显示)接收之前穿过蒸气云一次。
传感器31产生的信号可有益地用于各种应用中。例如，该信号可(结合其它处理数据)用来计算基板(工件或工具或其它物体)表面的温度，如果信号指示在优选操作范围之外的蒸气不透明度水平则产生通知或警报，或控制一个或多个处理参数。
图3显示了一种此类应用的一个实施例，其包括轧机机座，其中工件119被拖拽通过上轧辊121和下轧辊122。工件119和轧辊121、122由产生蒸气云113的低温喷射装置112冷却。在本实施例中，低温喷射装置112被定向到上轧辊121上。许多其它构造是可能的，取决于金属加工应用。例如，低温喷射装置112可被定向在工件119的表面或可被定向在工件与轧辊121、122之一的交叉处。
在本实施例中，光源123和接收器129位于工件119和轧辊121、122的相对侧上(类似于图1中所示的构造)。光源123产生具有初始强度127的光束125(即，在其穿过蒸气云113之前)。如图1中所示，光源123和传感器131(接收器129的一部分)定位成使得来自光源123的光束125被定向到传感器131上(即，操作位置)。传感器131产生电信号135，该电信号与光束125在其被传感器131接收时的强度133成正比。
在本实施例中，光束125为激光且由传感器131所产生的信号135为4-20mA的模拟信号。
对控制器137进行编程以基于从系统接收的控制器数据设定和/或调节系统的一个或多个操作参数。按照本发明，控制器数据优选地包括与蒸气云113的不透明度有关的数据，其由来自传感器131的信号135提供。例如，如果信号135指示低温蒸气太少，则可对控制器137进行编程以增加低温喷射装置112的冷却率。如果信号135指示蒸气云113的不透明度在预定范围之外，则控制器137也可构造成激活警报。取决于系统的应用，可用来被控制器调节的其它操作参数的实例包括轧机/驱动负荷、速度和轧制速度。
为了使控制器137能够更准确地设定和/或调节操作参数，控制器数据优选地包括与可影响蒸气云113的不透明度的变量(除了工件119的温度)有关的数据。例如，蒸气云113的不透明度与低温喷射装置112邻近的空气的相对湿度直接成正比。因此，本实施例包括相对湿度传感器145，其向控制器137产生出与传感器145邻近的空气的相对湿度成正比的信号147。对控制器137进行编程以基于信号135和147调节低温喷射装置112的冷却率。
蒸气云113邻近的气流也可影响蒸气云113的测定不透明度。假设所有其它有关变量保持恒定，如果蒸气云113邻近的气流增加，则蒸气云113的测定不透明度将降低。可通过测量工件119或轧辊121、122的速度对气流进行估计。因此，本实施例包括速度传感器149，其构造成测量工件119的速度并产生速度信号151。在一个备选实施例(其中工件119的速度为由控制器137设定和/或调节的操作参数)中，工件119的速度将起到双重作用——既是操作参数又是控制器数据。
为了提供最大操作灵活性，低温喷射装置112优选地容许其冷却率的精确和简单的调节。2007年8月28日提交的第11/846,116号美国专利申请中公开了具有这种性能的低温喷射装置的实例，通过引用视同全面阐述将其结合于本文中。然而，应当理解的是，本发明的概念可应用于任何类型的产生蒸气云的低温冷却装置。
在本实施例中，低温冷却装置112包括液态氮(“LIN”)输送管线L1、两个节流气体管线G1、G2(位于低温喷射装置112的相对端)和气体净化管线Gp。LIN输送管线L1优选地连接到LIN的加压源(未显示)上。类似地，节流气体管线G1、G2和净化气体管线Gp优选地连接到气态氮的加压源上。如2007年8月28日提交的第11/846,116号美国专利申请中所更详细地描述的，其通过引用视同全面阐述将其全部结合于本文中，可通过调节节流气体管线G1、G2上的气体压力来精确地控制低温喷射装置112的冷却率和冷却轮廓(即，LIN通过低温喷射装置112的流率)。另外，净化管线Gp可用来净化和清洁低温喷射装置112和/或低温喷射装置112定向在其上的表面(在本实施例中为轧辊121)。
如以上所注明的，可将蒸气云113的不透明度与工件119的温度相关联。因此，控制器137可使用信号135来设定和/或调节系统的操作参数，该系统中使用了通常基于工件119的温度来设定和/或调节的控制器137。
图4显示了用于蒸气云不透明度测量设备的备选构造，其包括光源223，该光源产生具有初始强度227(即，在其穿过蒸气云213之前)的光束225和传感器231，该传感器为接收器229的一部分。如与图2中所示的实施例一样，光源223和传感器231定位成使得光束225穿过蒸气云213，在轧辊221的表面上反射，第二次穿过蒸气云213，然后被传感器231接收。这种构造使光源223能够定位成与传感器231相邻，并且如果希望，可作为单一组件提供。光束225抵着轧辊221的表面的反射在其中需要接近镜面的轧辊饰面(near mirror rollerfinish)的工业冷却和回火轧制操作中特别有用。
这种构造还使蒸气云不透明度测量设备能够位于沿着低温喷射装置212的长度的任何希望的位置上。另外，多个蒸气云不透明度测量设备(未显示)可沿着低温喷射装置212的长度进行定位。此类构造将使得工件219的温度的测量和控制更精确能达到其沿着工件宽度变化的程度。例如，如果在工件219的边缘探测到比在其中心更高的蒸气不透明度，则可调节低温喷射装置212以向工件219的中心提供较多冷却而向工件219的边缘提供较少的冷却。这种功能性在大多数金属轧制操作中是非常希望的，其中工件和轧辊边缘趋于过冷而导致许多生产和产品质量问题。
如果要沿着低温喷射装置212的长度使用多个蒸气云不透明度测量设备，则优选地低温喷射装置212适合提供非线性冷却轮廓(即，沿着低温喷射装置212的长度提供不同的冷却率的能力)。这种类型的低温喷射装置的实例在以上结合图3所示的实施例以及第11/846,116号美国专利申请中被公开。然而，应当理解的是，本发明的概念可应用于任何类型的产生蒸气云的低温冷却装置。
除了蒸气云不透明度测量设备的构造外，图4中所示的实施例包括图3中所示的实施例的所有构件(包括控制器)。为简单起见，许多这些构件未显示在图4中。
在本实施例中，提供了第二光源261和第二接收器263以向控制器(未显示)供给与轧辊222的反射率有关的控制器数据。第二光源261和传感器269定位成使得光束265在轧辊222的表面上反射并被传感器269接收，但不穿过蒸气云的任何部分。接收器263产生信号273，该信号与光束265当其被传感器269接收时的强度成正比。
信号273使控制器能够“归一化”信号235以补偿轧辊221、222的反射率的改变。另外，信号273可用来确定轧辊222的反射率是否在预定的操作范围之外，其可以是轧辊222上过量水冷凝、表面氧化、积垢和/或灰尘堆积的指示。
本领域技术人员会认识到，可对本发明的上述实施例作出改变而不脱离本发明宽泛的发明概念。因此，应该理解的是，本发明并不局限于所公开的具体实施例，而是意图涵盖在本发明的精神和范围内的所有改型。

Claims (21)

1.一种供具有当操作时产生蒸气云的低温冷却构件的系统使用的设备，所述设备包括：
第一发射器，其适合发射处在第一初始强度的第一光束；
第一接收器，其具有适合探测第一感测强度的第一传感器，所述第一感测强度为当所述第一光束被定向在所述第一传感器时所述第一光束在所述第一传感器处的强度，所述第一接收器适合产生第一传感器信号，所述第一传感器信号为所述第一感测强度的函数，所述第一发射器和第一传感器具有第一操作位置，其中所述第一发射器和第一传感器定位和定向成使得所述第一光束被定向到所述第一传感器上，并且所述第一光束在被所述第一传感器接收之前穿过所述蒸气云至少一次；以及
控制器，对其进行编程以基于控制器数据设定和/或调节所述系统的至少一个操作参数，所述控制器数据包括所述第一传感器信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个操作参数包括所述低温冷却构件的冷却率。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个操作参数包括如果所述第一传感器信号指示所述蒸气云的不透明度在预定范围之外则被激活的警报。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一光束包括可见激光。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括传感器组，所述传感器组包括至少一个参数传感器，所述至少一个参数传感器的每一个均适合测量这样的参数，除了所述冷却构件应用到其上的基板的温度，所述参数是可影响所述蒸气云的不透明度的参数，并且所述至少一个参数传感器的每一个均适合产生参数传感器信号，所述参数传感器信号为所述至少一个参数传感器所感测的参数的函数，其中所述数据还包括来自所述至少一个传感器的每一个的所述参数传感器信号。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括第三传感器，所述第三传感器适合测量所述蒸气云邻近的环境空气的相对湿度并适合产生第三信号，所述第三信号为测定的相对湿度的函数，并且其中所述控制器数据还包括所述第三信号。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括第四传感器，所述第四传感器适合当基板移动经过所述低温冷却构件时确定其速度并适合产生第四信号，所述第四信号为所述测定速度的函数，并且其中所述控制器数据还包括所述第四信号。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一发射器和第一接收器定位成使得所述光束在被所述第一传感器接收之前被第一表面反射。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述第一传感器与所述第一发射器定位成相邻。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
第二发射器，其适合发射在第二初始强度的第二光束；
第二接收器，其具有适合探测第二感测强度的第二传感器，所述第二感测强度为当所述第二光束被定向在所述第二传感器时所述第二光束在所述第二传感器处的强度，所述第二接收器适合产生第二传感器信号，所述第二传感器信号为所述第二感测强度的函数，所述第二发射器和第二传感器具有第二操作位置，其中所述第二发射器和第二传感器定位成使得所述第二光束被定向到所述第二传感器上，所述第二光束在被所述第二传感器接收之前被所述第一表面或第二表面反射，并且所述第二光束在被所述第二传感器接收之前不穿过所述蒸气云至少一次；并且
其中对所述控制器进行编程以基于所述控制器数据设定和/或调节所述系统的所述至少一个操作参数，并且当所述第一发射器和第二传感器处于所述第一操作位置且所述第二发射器和第二传感器处于所述第二操作位置时，所述控制器数据包括所述第一传感器信号和所述第二传感器信号。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述第一传感器定位成与所述第一发射器相邻而所述第二传感器定位成与所述第二发射器相邻。
12.一种供具有当操作时产生蒸气云的低温冷却构件的系统使用的设备，所述设备包括：
用于测量所述蒸气云的至少一部分的相对不透明度的机构；以及
与所述用于测量的机构通信的控制器，所述控制器适合基于所述蒸气云的所述至少一部分的相对不透明度来设定和/或调节所述系统的至少一个操作参数。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述至少一个操作参数包括所述低温冷却构件的冷却率。
14.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述至少一个操作参数包括如果所述第一传感器信号指示所述蒸气云的所述至少一部分的不透明度在预定范围之外则被激活的警报。
15.一种供具有低温冷却构件的系统使用的方法，所述方法包括：
确定低温蒸气云的至少一部分的相对不透明度；以及
基于所述低温蒸气云的所述至少一部分的所述相对不透明度设定和/或调节所述系统的至少一个操作参数。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，确定所述低温蒸气云的所述至少一部分的所述相对不透明度还包括：
定向第一光束通过低温蒸气云的至少一部分，所述第一光束具有第一初始强度；以及
在所述第一光束已穿过低温蒸气云的所述至少一部分之后测量所述第一光束的强度，测定强度包括第一感测强度。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，确定所述低温蒸气云的至少一部分的相对不透明度还包括：
在测量所述第一光束的强度之前使所述第一光束在第一表面上反射。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，确定所述低温蒸气云的至少一部分的相对不透明度还包括：
在第二光束已在所述第一表面或第二表面中的一个上被反射而未穿过低温蒸气云的任何部分之后测量所述第二光束的强度，测定强度包括第二感测强度；以及
将所述第一感测强度与所述第二感测强度进行比较。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，确定所述低温蒸气云的至少一部分的相对不透明度还包括：
在测量所述第一光束的强度之前使所述第一光束在第一表面上反射。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述设定和/或调节步骤还包括：
基于所述低温蒸气云的所述至少一部分的所述相对不透明度设定和/或调节所述低温冷却构件的冷却率。
21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：
设定和/或调节所述低温冷却构件的冷却率包括基于所述低温蒸气云的至少一部分的所述相对不透明度设定和/或调节所述低温冷却构件的非线性冷却轮廓；以及
确定所述低温蒸气云的至少一部分的相对不透明度包括在多个部位处测量低温蒸气云的所述相对不透明度。
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