CN103820631B - 立式淬火炉构件温度场分布检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立式淬火炉构件温度场分布检测系统，该系统包括：温度采集系统，包括安装在立式淬火炉工作室内壁上的多个热电偶，用于采集工作室内壁温度;通信系统，用于将所述温度采集系统采集到的温度信息传输给计算机温度场补偿系统;计算机温度场补偿系统,通过对构件热传导机理模型的数值求解，将采集到的温度信息转化为构件温度场分布信息，并实时，在线进行显示。

Description

立式淬火炉构件温度场分布检测系统

技术领域

本发明涉及温度检测技术领域，更具体涉及一种立式淬火炉构件温度场分布检测系统。

背景技术

立式淬火炉，特别是大型立式淬火炉广泛用于航天、航空领域中飞机大梁、龙骨、火箭、导弹端环、发动机缸体等大型铝合金构件的固溶处理，以提高其硬度，强度，耐磨性，抗腐蚀性等性能。随着航空航天事业的发展，对大型高强度铝合金构件的品质要求日益提高，而淬火温度是淬火热处理工艺的关键指标，淬火温度分布均匀性一般需达到±5℃，甚至±3℃，范围十分狭窄。原因是在淬火过程中，升温速度过快或者温度过高，会造成构件过烧事故；温度过低则合金中的微量元素不能很好的固溶在铝合金中，使得合金强度降低而不能满足构件质量要求；所以在升温保温过程，如果构件温度分布不均匀就会导致构件部分过烧、部分欠烧，使产品报废，浪费资源。要提高淬火炉的生产效率，减少能源浪费，必须对大型立式淬火炉的构件温度进行精确控制，而要实现对构件温度的控制，必须克服构件悬挂于工作室中央，无法直接对其进行温度检测的困难。大型立式淬火炉能够实现快速，精确，均匀地升温，对缩短工期，提高产量，降低电耗，满足愈来愈严格的高强度铝合金构件淬火要求有十分重要的意义。

国内外对大型立式淬火炉内部构件的温度场检测方法方面的研究和报道比较少，相关专利也非常少。公开号CN1896703A，大型立式淬火炉加工工件表面温度的测量方法，通过建立炉内辐射－对流复合传热过程的数学模型，得到五个热平衡方程，利用数值分析方法计算出炉内径向温度场分布，得到实际测量点和待测点之间的温度补偿曲线，再根据传感器位置和待加热工件表面之间距离得到修正值，计算出工件表面温度。显然，五个平衡方程的求解过程复杂，而且只考虑了炉内径向温度分布，忽略了轴向的温度差值，不符合实际工况。再则，此专利建立的模型复杂，求解速度慢，精度低，机理分析不够透彻，不能得到构件的实际温度值，使得温度场信息实际使用误差大。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是提供一种新的立式淬火炉构件温度场分布的检测系统，实现淬火炉炉内构件温度实时在线检测。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种立式淬火炉构件温度场分布检测系统，该系统包括：温度采集系统;通信系统;安装在上位机上的计算机温度场补偿系统。

上述温度采集系统，使用安装在立式淬火炉工作室内壁上的多个热电偶采集工作室内壁温度;上述通信系统，用于将所述温度采集系统采集到的温度信息传输给计算机温度场补偿系统;上述计算机温度场补偿系统,通过对构件热传导机理模型的数值求解，将采集到的温度信息转化为构件温度场分布信息，并实时，在线进行显示。

优选地，上述温度采集系统，由安装在立式淬火炉工作室内壁5上的多个热电偶6构成的热电偶网络组成。

优选地，上述通信系统，由安装在淬火炉外部的数据采集单元2和淬火炉的现场工业总线3组成。

优选地，上述计算机温度补偿系统，由安装在上位机上的模型求解子系统、温度场重构子系统以及温度场显示子系统组成。

本发明还提供了使用本发明立式淬火炉构件温度场分布检测系统进行检测的方法，该方法包括步骤：

1)启动上位机4，接通采集温度的热电偶网络1以及数据采集单元2的工作电源，开始工作；

2)将采集温度热电偶网络1采集的立式淬火炉工作室内壁5的温度，通过数据采集单元2传送给现场工业总线3，现场工业总线3根据现场工业传输协议将温度数据传送给上位机4；

3)上位机4将接收的立式淬火炉工作室内壁5的温度利用上位机4上的模型求解子系统，获取构件热传导机理模型的精确数值解，即获得淬火炉构件内部任意位置的实时温度；

4)通过上位机4上的温度场重构子系统，将淬火炉构件内部任意位置的实时温度进行三维重构；

5)上位机4上的温度场显示子系统，将重构获得的构件温度场信息在上位机4上的温度场显示子系统上显示出来，完成整个工作流程。

（三）有益效果

通过本发明提供的立式淬火炉构件温度场分布检测系统，对立式淬火炉工作室内壁温度数据进行采集、处理、构件温度场补偿，实现了对淬火炉构件温度场分布信息的检测和显示。解决了无法准确、实时获得淬火炉炉内构件温度场分布信息的难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明大型立式淬火炉构件温度分布检测系统整体框图；

图2是本发明构件热传导机理模型建模原理图；

图3是本发明区域法辐射热量计算原理图；

图4是本发明有限元网格划分示意图；

图5是本发明计算机温度补偿系统构件温度分布显示器显示图；

图中：

1热电偶网络，2数据采集单元，3现场工业总线，4上位机，5淬火炉工作室内壁，6热电偶，7构件，8淬火炉内部空腔，9构件表面辐射总热流，10构件表面发射有效辐射热流，11构件表面本身反射热流，12纵向温度分区显示区域，13环数设置按钮，14分区区域设置按钮，15横向分环温度显示区域。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明采用大型立式淬火炉工作室内壁的热电偶网络1作为温度数据采集设备，通过数据采集单元2和现场工业总线3将采集的温度数据信息传送给淬火炉总控室的上位机4，上位机4上的计算机温度场补偿系统的模型求解子系统对构件热传导机理模型进行求解，获取模型的精确数值解,再通过计算机温度场补偿系统的温度场重构子系统重构出淬火炉构件温度场分布，最后由计算机温度场补偿系统的温度场显示子系统在上位机4的显示器上显示出来。

为实现上述目的，本发明是由安装在立式淬火炉工作室内壁的热电偶网络组成的温度数据采集系统、通讯系统、计算机温度场补偿系统组成。其具体工作流程为：首先，本发明对淬火炉内部的传热机理进行深入分析，建立了构件热传导机理模型，为重构出淬火炉构件温度场分布奠定了基础。然后，利用淬火炉工作室内壁的热电偶网络组成的温度数据采集系统采集淬火炉工作室内壁上检测点的温度数据。同时数据采集单元对温度数据采集系统获得的温度信息进行扫描采集，再通过工业总线依次传送给上位机4。最后，上位机4上安装的计算机温度场补偿系统根据采集的温度数据和建立的构件热传导机理模型，通过计算机温度场补偿系统的模型求解子系统获得构件上及内部任一点的精确温度；同时再利用计算机温度场补偿系统的温度场重构子系统和计算机温度场补偿系统的温度场显示子系统实时、在线的将构件温度场信息在上位机4的显示器显示出来。显然在整个系统的组建过程中，建立了构件热传导机理模型是本发明的核心技术之一，也是本发明的重点发明技术。为此，首先重点介绍构件热传导机理模型建模原理。

本发明为了建立构件热传导机理模型，根据大型淬火炉加热工艺过程的基本特性，如图2所示，对构件热传导机理模型的建立进行如下合理假设：

1)如图2所示的淬火炉内部空腔8的热空气做强迫流动时速度是恒定的；

2)在一个加热周期内，在对应的淬火炉径向圆环区域，工作室内壁5以及其对应区域的空气温度是恒定的；

3)工作室内壁5以及其对应区域的空气的物理性能是均匀的和各向同性的，因此工作室内壁5以及其对应区域的空气的导热系数为常数；

4)淬火炉内部空腔8内的空气是透明体，对辐射换热过程的热量交换无影响。

根据以上假设，建立构件三维温度场分布动态模型如下，

参数ρ，c和λ分别是构件7的密度，比热容以及热传导率。

模型的初始条件根据工况设定如下，

$\frac{\∂T}{\∂z}{|}_{z=0}=0,\frac{\∂T}{\∂z}{|}_{z=l}=0,T{|}_{t=0}=T_0$

模型的边界条件根据传热模型的基本原理，以及构件表面主要的热交换方式是工作室内壁5的辐射换热，以及淬火炉内部空腔8内空气的对流换热，因此采用第二类边界条件作为模型的边界条件，即可表示为如下形式，

q=q_cov+q_rad

其中q表示构件7表面的总热流密度，q_rad表示由工作室内壁5通过辐射换热方式辐射给构件7表面的有效热流密度，q_cov表示由淬火炉内部空腔8内空气通过对流换热传给构件7表面的热流密度。对于有效辐射热流密度q_rad和对流热流密度q_cov，本发明采用如下的步骤进行确定。

1)有效辐射热流密度q_rad的确定步骤

a.如图2所示，假设工作室内壁单列热电偶6的个数为N个，将工作室内壁5按热电偶排列顺序及个数分为N个圆柱区域，并且假设每个区域内，工作室内壁5的温度均匀，温度值为热电偶所测温度（由于工作室壁是热的良导体），然后分区计算辐射给构件7表面的热流q_i，再将各个区域进行线性叠加即可获得所有区域辐射给构件表面的辐射总热流q_in。计算的原理图如图3所示，其中所有区域辐射给构件表面的辐射总热流9，即q_in可用如下公式求得，

$q_{\mathrm{in}}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ϵ\σ}{T}_j^4{A}_j{F}_{A_j-A_i}$

其中，ε为构件黑度；σ为波尔兹曼常数；

T_j，A_j分别为第j区工作室内壁温度，面积；

F_Aj-Ai为辐射角系数；

b.根据灰体辐射原理，到达构件表面的热辐射没有被全部吸收，所以构件表面吸收的有效辐射热流密度q_rad，按照图3原理图，可用如下公式进行计算，

q_rad=q_in-q_out

其中q_out由两部分热流构成，即图3中的构件表面发射热流10以及构件表面本身反射的热流11，所以构件表面吸收的有效辐射热流密度q_rad可由下面的公式进行计算，

$\begin{array}{c}{q}_{\mathrm{rad}}=q_{\mathrm{in}}-q_{\mathrm{out}}\\ =q_{\mathrm{in}}-[{\mathrm{\ϵ\σT}}^4+(1-\mathrm{\ϵ})q_{\mathrm{in}}]\\ ={\mathrm{\ϵq}}_{\mathrm{in}}-{\mathrm{\ϵ\σT}}^4\\ =\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ\σT}}_j^4{A}_j{F}_{A_j-A_i}-\mathrm{\ϵ\σ}{T}^4\end{array}$

2)对流热流密度q_cov的确定步骤

如图2所示，假设工作室内壁单列热电偶6的个数为N个，将工作室内壁5按热电偶排列顺序及个数分为N个圆柱区域，假设每个区域内，空气温度，工作室内壁5温度均匀，然后分区根据如下牛顿换热公式进行计算空气对流传导的热流,

$q_{\mathrm{cow}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i(T-T_i)i=\mathrm{1,2},...,N$

其中构件表面温度为T；第i区气体温度T_i；

对于对流换热系数h_i，根据大型淬火炉的工艺特点，采用迪图斯-贝尔特公式进行如下求解，

$h=0.023.\frac{k_p}{R}.{\mathrm{Re}}^{0.8}.{\mathrm{Pr}}^{0.3}$

其中k_p为空气的热传导率；Pr为普朗特数；Re为雷诺数，采用

如下公式计算，

$\mathrm{Re}=\frac{\stackrel{\‾}{w}\mathrm{R\ρ}}{\mathrm{\η}}$

其中，为空气流速；R为工作室半径；

ρ为空气密度；η为空气动力粘度；

由上面的分析，可以给出构件7表面的总热流密度q的具体的计算公式如下：

$q=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i(T-T_i)+\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ\σT}}_j^4{A}_j{F}_{A_j-A_i}-{\mathrm{\ϵ\σT}}^4$

根据对淬火炉的工艺分析、传热机理以及模型定解的初始条件和边界条件的分析，本发明建立了如下的构件热传导机理模型的完整形式如下所示：

模型初始条件为，

$\frac{\∂T}{\∂z}{|}_{z=0}=0,\frac{\∂T}{\∂z}{|}_{z=l}=0,T{|}_{t=0}=T_0$

模型第二类边界条件为，

$q=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i(T-T_i)+\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ\σT}}_j^4{A}_j{F}_{A_j-A_i}-{\mathrm{\ϵ\σT}}^4$

其中，模型中各个参数的含义如下，

T为构件表面温度；

ρ，c和λ为构件的密度，比热容和热传导率

T₀为构件的初始温度

ε为构件黑度；σ为波尔兹曼常数；

h_i为对应区域的对流换热系数；

T_j，A_j分别为第j区工作室内壁温度，面积；

F_Aj-Ai为辐射角系数；

本发明温度数据采集系统，如图2所示，由安装在淬火炉工作室内壁5上的热电偶6构成的热电偶网络所组成。主要用于淬火炉工作室内壁5的温度的采集工作，其工作流程为热电偶6构成的热电偶网络对淬火炉工作室内壁5的不同位置采集温度信息并且把采集到的温度信息转化成对应的温度数字信息，同时按照设定的测量位置和时间次序将采集到的温度数字信息传送给如图1所示的数据采集单元2，完成对淬火炉工作室内壁5的温度的采集工作。

本发明的通讯系统，如图1所示，由安装在大型淬火炉外部的数据采集单元2和大型淬火炉的现场工业总线3组成，主要用于实现上位机4和温度数据采集系统之间的数据传输和通信，其工作流程为，数据采集单元2按照设定的测量位置和时间次序对温度数据采集系统获取的淬火炉工作室内壁5的不同位置进行温度数据采集并分别储存，然后数据采集单元2将储存的不同位置的温度数据再按照预定的顺序通过现场工业总线3传送给上位机4，同时清空其对应的储存单元，为下一次数据采集做好准备，如此反复，完成通讯系统的通讯功能。

本发明的计算机温度补偿系统，由安装在上位机4上的模型求解子系统、温度场重构子系统以及温度场显示子系统组成。其工作流程为，首先模型求解子系统利用如图4所示的有限元网格划分原理，对构件进行网格划分，再结合有限元求解算法对前面建立的构件热传导机理模型的偏微分方程进行求解，同时根据温度数据采集系统获得的淬火炉工作室内壁5的温度，从而获取模型的精确数值解，即获得淬火炉构件内部任意位置的实时温度。其次，温度场重构子系统利用数据三维重构算法对求解的淬火炉构件内部任意位置的实时温度进行三维重构。最后，由温度场显示子系统将获取的三维重构信息在上位机4上显示。本发明采用纵向分区，横向分环的方式来进行显示，在上位机4的显示界面如图5所示，界面上设置了环数设置按钮13、分区区域设置按钮14、纵向温度分区显示区域12、横向分环温度显示区域15。通过人工设置不同的环数和区域的参数，即可实现构件任意位置的精确温度监测。

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1

本实施例选择在某铝业的大型立式淬火炉上进行安装运行，首先根据如下安装步骤进行整套设备的安装：

1）如图1所示，在大型立式淬火炉工作室内壁上布置热电偶温度采集网络1。

2）在大型立式淬火炉的外面安装好数据采集单元2，并且将其与现场工业总线和热电偶温度采集网络连通，完成数据采集单元2的安装。

3）在大型立式淬火炉总控室配置一台与现场总线连通的上位机4，并且在其上安装好计算机温度场补偿系统所需的相关软件后，完成大型立式淬火炉构件温度场分布检测系统的整个安装和搭建工作。

本实施例大型立式淬火炉构件温度场分布检测系统的应用如图1所示，包括步骤：

1）启动上位机4，接通热电偶温度采集网络1以及数据采集单元2的工作电源，开始工作。

2）热电偶温度采集网络1采集的大型立式淬火炉工作室内壁的温度，通过数据采集单元2传送给现场工业总线3，现场工业总线3根据现场工业传输协议将温度数据传送给上位机4。

3）上位机4将接收的淬火炉工作室内壁的温度利用上位机4上的模型求解子系统，获取构件热传导机理模型的精确数值解，即获得淬火炉构件内部任意位置的实时温度。

4）通过上位机4上的温度场重构子系统，将淬火炉构件内部任意位置的实时温度进行三维重构。

5）上位机4上的温度场显示子系统，将重构获得的构件温度场信息在上位机4上的温度场显示子系统上显示出来，完成整个工作流程。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种立式淬火炉构件温度场分布检测系统，其特征在于，该系统包括：温度采集系统，通信系统，安装在上位机上的计算机温度场补偿系统；上述温度采集系统，使用安装在立式淬火炉工作室内壁上的多个热电偶采集工作室内壁温度；上述通信系统，用于将所述温度采集系统采集到的温度信息传输给计算机温度场补偿系统；上述计算机温度场补偿系统,通过对构件热传导机理模型的数值求解，将采集到的温度信息转化为构件温度场分布信息，并实时，在线进行显示；

上述温度采集系统，由安装在立式淬火炉工作室内壁(5)上的多个热电偶(6)构成的热电偶网络组成；

上述通信系统，由安装在淬火炉外部的数据采集单元(2)和淬火炉的现场工业总线(3)组成；

上述计算机温度补偿系统，由安装在上位机上的模型求解子系统、温度场重构子系统以及温度场显示子系统组成；

所述的构件热传导机理模型如下所示：

模型初始条件为，

$\frac{\∂T}{\∂z}{|}_{z=0}=0,\frac{\∂T}{\∂z}{|}_{z=l}=0,T{|}_{t=0}=T_0$

模型第二类边界条件为，

$q=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{h}_i(T-T_i)+\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{{\mathrm{\ϵ\σT}}_j}^4{A}_j{F}_{A_j-A_i}-{\mathrm{\ϵ\σT}}^4$

其中，模型中各个参数的含义如下，

T为构件表面温度；T_i为第i区气体温度；

ρ，c和λ为构件的密度，比热容和热传导率

T₀为构件的初始温度

ε为构件黑度；σ为波尔兹曼常数；

h_i为对应区域的对流换热系数；

T_j，A_j分别为第j区工作室内壁温度，面积；

为辐射角系数；

所述模型求解子系统、温度场重构子系统以及温度场显示子系统的工作流程为：首先模型求解子系统利用有限元网格划分原理，对构件进行网格划分，再结合有限元求解算法对前面建立的构件热传导机理模型的偏微分方程进行求解，同时根据温度数据采集系统获得的淬火炉工作室内壁的温度，从而获取模型的精确数值解，即获得淬火炉构件内部任意位置的实时温度；其次，温度场重构子系统利用数据三维重构算法对求解的淬火炉构件内部任意位置的实时温度进行三维重构；最后，由温度场显示子系统将获取的三维重构信息在上位机上显示。

2.使用权利要求1所述的立式淬火炉构件温度场分布检测系统进行检测的方法，其特征在于，包括步骤：

1)启动上位机(4)，接通采集温度的热电偶网络(1)以及数据采集单元(2)的工作电源，开始工作；

2)将采集温度的热电偶网络(1)采集的立式淬火炉工作室内壁(5)的温度，通过数据采集单元(2)传送给现场工业总线(3)，现场工业总线(3)根据现场工业传输协议将温度数据传送给上位机(4)；

3)上位机(4)将接收的立式淬火炉工作室内壁(5)的温度利用上位机(4)上的模型求解子系统，获取构件热传导机理模型的精确数值解，即获得淬火炉构件内部任意位置的实时温度；

4)通过上位机(4)上的温度场重构子系统，将淬火炉构件内部任意位置的实时温度进行三维重构；

5)上位机(4)上的温度场显示子系统，将重构获得的构件温度场信息在上位机(4)上的温度场显示子系统上显示出来，完成整个工作流程。