CN104439122A - 一种复合式连铸铸坯表面测温方法及测温仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合式连铸铸坯表面测温方法及测温仪，其特征在于它包括无反射器测温和有反射器测温两个环节，并根据Devos（德法斯）理论的多次反射原理，建立有反射器测量的目标区域的有效发射率和无反射器测量目标区域的发射率的关系；通过建立无反射器测量和有反射器测量双波长辐射能方程组，求出铸坯表面温度。测温仪包括反射器（3）、电机传动机构（5）、红外测温探测器（2）、计算与控制系统单元（4）及冷却系统（7）；本发明解决了因发射率的不确定性而导致测温不准确的问题，适用于测量条件复杂的连铸现场，并最终参与实现连铸工艺的自动控制。测温仪能获得稳定、可靠的红外辐射能信号，以保证最终计算得到准确的温度。

Description

一种复合式连铸铸坯表面测温方法及测温仪

技术领域

本发明涉及高温表面温度测量，尤其是一种应用于钢铁冶金连续铸造(连铸)领域中的铸坯表面温度测量方法及测温仪。

背景技术

在钢铁冶金连铸生产现场，连铸是钢铁生产流程中通过控制钢水凝固过程直接形成一定形状铸坯的工艺过程。它是连接炼钢和轧钢的中间环节，连铸生产过程的实质就是控制钢水温度和成分的过程，是炼钢生产的重要组成部分。铸坯温度为连铸过程的重要参数信息与铸坯质量密切相关，准确地获取铸坯表面温度，将铸坯表面温度引入连铸工艺环节，制定合理的铸坯拉速、二冷配水制度，实现连铸坯的表面温度控制，可以降低铸坯缺陷，提高铸坯合格率，增加企业效益。

铸坯表面温度不仅取决于结晶器和二冷区的强度，还与钢种、铸坯断面尺寸、拉速等因素有关。由于连铸机安装空间狭小且二冷区的高温环境，导致在铸坯周围形成水汽雾化的环境，而且铸坯一直处于运动状态，其表面又因冷却水和空气形成了水膜和氧化铁皮导致铸坯表面发射率不确定，使得铸坯的表面温度难以准确测量。

目前生产现场连铸铸坯表面温度的测量，基本采用点测的方式，利用单点红外测温仪聚焦于铸坯表面某一点进行测量。虽然此类仪器原理与结构较简单，便于操作，点测方式在测量之前需设定测温对象的发射率，发射率对测温有决定性影响。但因铸坯表面时有氧化铁皮和水汽的存在，且发射率与被测物体自身的温度有关，随着温度不同而变化，因此对铸坯表面点测测温的方式受发射率的不确定而导致测温误差较大，难以应用于自动化生产。

针对铸坯表面温度难以测量的现状，已有不少学者对该问题进行了研究。王欣等采用红外测温仪获取铸坯表面温度数据(连铸坯表面温度实时数据采集系统[J].炼钢，2009，25(5)：59-65。)，因生产过程中铸坯表面发射率时刻变化且难以确定，该方法难以获得真实的铸坯表面温度。刘庆国等利用光纤比色的方法来实现铸坯表面温度的测量(连铸板坯表面温度在线实测的研究[J].钢铁，1998，33(2)：18-21。)，假定测量的两个波段的发射率一致，从而消除发射率的影响，但实际中这种假设难以成立。刘军等提出基于反射器的多波长铸坯表面测温方法(基于反射器的多波长铸坯表面测温方法[J].计量学报，2013，34(2)：138-142。)，利用反射器和三个红外波段测温而建立测温方程，并引入反射器“能量反射比率”这一概念，假设反射器均匀地将能量反射到被测表面，而在实际中，反射器对于被测表面发射的红外辐射能量的反射并非均匀，该假设将带来测量误差；且对同一较小的测量区域进行三个波段测温的光学系统实现较难，系统标定、校准等存在较多不确定性。

此外，针对高温辐射温度测量，曹立华等提出基于校标的比色测温法(基于校标的双波段比色测温法[J].仪器仪表学报，2012，33(8):1882-1887。)，该方法认为在测温的两个红外波段的发射率一致。徐宝昌等提出利用CCD的三基色进行比色测温(一种改进的比色测温方法研究[J].光电工程，2011，38(4)：1-6。)，同样认为三基色波段对应发射率一致，而实际中发射率不仅和波长有关而且和被测物体自身温度相关，多个波段的发射率不一致，因此不可避免导致测量误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合式连铸铸坯表面测温方法及测温仪，该测温方法可应用于现场自动化生产，为连铸工艺自动控制提供反馈参数。

本发明包括反射器、电机传动机构、双波长红外测温探测器、计算与控制系统单元及冷却系统。反射器由计算与控制单元通过电机控制旋转；双波长红外测温探测器将被测铸坯表面红外辐射能转换成电信号送入计算与控制单元；测温探测器与反射器由冷却系统通风冷却。两个波长的辐射能获取为通过测量探头的分光和滤光，采集铸坯辐射能中波长为λ1＝6um、宽度为Δλ1＝0.5um；波长为λ2＝10.0um宽度为Δλ2＝0.5um的红外波辐射能并转换为电流信号。

本发明建立无反射器测量和有反射器测量双波长辐射能方程组。

(1)无反射器测量

在无反射器测量时，设传感器接收到铸坯表面的被测目标区域辐射的红外波1(波长范围：λ1～λ1+Δλ1)和红外波2(波长范围：λ2～λ2+Δλ2)的辐射能为E1和E2。并认为在较窄的波长范围内，认为红外波1发射率为同一数值ε(λ1,T)，即其值和波长及当前温度相关；同理，亦认为红外波2发射率为同一数值ε(λ2,T)，因此可建立以下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}E1=A\×F\×\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ}1,T)\·{\∫}_{\mathrm{\λ}1}^{\mathrm{\λ}1+\mathrm{\Δ\λ}1}\mathrm{Eb}(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}\\ E2=A\×F\×\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ}2,T)\·{\∫}_{\mathrm{\λ}2}^{\mathrm{\λ}2+\mathrm{\Δ\λ}2}\mathrm{Eb}(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

在上式中：ε(λ1,T)为目标区域表面辐射在温度为T时红外波1的发射率；ε(λ2,T)为目标区域表面辐射在温度为T时红外波2的发射率；Eb(λ,T)则为温度为T、红外波长为λ时的黑体单色辐射出度，由韦恩公式得到；A为与温度无关的检定常数；F为探测区域对探测器的热辐射角系数；A、F可根据实际检定得出。

(2)有反射器测量

在有反射器测量时传感器接收到红外波1和红外波2的辐射能E1^*和E2^*；根据无反射器测量模式所建立的公式(1)，同理可建立以下方程：

$\left\{\begin{array}{c}E{1}^{*}=A\×F\×{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}(\mathrm{\λ}1,T)\·{\∫}_{\mathrm{\λ}1}^{\mathrm{\λ}1+\mathrm{\Δ\λ}1}\mathrm{Eb}(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}\\ E{2}^{*}=A\×F\×{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}(\mathrm{\λ}2,T)\·{\∫}_{\mathrm{\λ}2}^{\mathrm{\λ}2+\mathrm{\Δ\λ}2}\mathrm{Eb}(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}\end{array}\right.---\left(2\right)$

在上式中：ε_eff(λ1,T)为铸坯表面的目标区域辐射在温度为T时，有反射器测量条件下的红外波1的有效发射率；ε_eff(λ2,T)为铸坯表面的目标区域辐射在温度为T时，有反射器测量条件下的红外波2的有效发射率。

本发明基于Devos(德法斯)理论(注：Devos利用多次反射原理于1954年给出黑体辐射源腔孔有效发射率的计算公式)，推导出在有反射器测量环节，铸坯与反射器之间经过n次反射后，目标区域表面的微元面A₁向反射器顶端开孔辐射能量，即测量获取的红外辐射能

$E_{A1}^{\left(n\right)}=[{\mathrm{\ϵ}}_{A1}+{\mathrm{\ϵ}}_{A1}\·(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·K_{A1}+{\mathrm{\ϵ}}_{A1}\·{[(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·K_{A1}]}^2+{\mathrm{\ϵ}}_{A1}\·{[(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·K_{A1}]}^3+...+{\mathrm{\ϵ}}_{A1}\·{[(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·K_{A1}]}^n]\·E_b\left(T\right)\·{\mathrm{dA}}_1---\left(3\right)$

上式中：ε_A1为微元面A₁的发射率；K_A1为某一常数；Eb(T)为温度为T时的黑体辐射出度；dA₁为微元面A₁的面积。

因为微元面A₁在温度为T时，红外辐射能Q₀＝E_b(T)·dA₁，所以有：

$\begin{array}{c}{E}_{A1}^{\left(n\right)}=[{\mathrm{\ϵ}}_{A1}+{\mathrm{\ϵ}}_{A1}\·(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·E_b\left(T_1\right)+{\mathrm{\ϵ}}_{A1}\·{[(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·K_{A1}]}^2+{\mathrm{\ϵ}}_{A1}\·{[(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·K_A]}^3+...+{\mathrm{\ϵ}}_{A1}\·{[(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·K_{A1}]}^n]\·Q_0---\left(4\right)\\ =\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{A1}}{1-[(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·K_{A1}]}\·Q_0\end{array}$

故，可得出经过多次反射后，微元面A₁的有效发射率ε_eff(A1)：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ef}f\left(A1\right)}=\frac{E_{A1}^{\left(n\right)}}{Q_0}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{A1}}{1-K_{A1}\·(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})}---\left(5\right)$

将微元面A₁的发射率推导过程推广，最终建立无反射器测量被测目标区域表面发射率和有反射器测量的有效发射率的关系，如公式(6)所示。

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}(\mathrm{\λ},T)=\frac{\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T)}{1-K\·[1-\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T)]}---\left(6\right)$

上式中：ε(λ,T)、ε_eff(λ,T)即分别为目标区域表面在温度为T(也即被测铸坯表面温度为T)，红外辐射波波长为λ时，无反射器测量时的发射率和有反射器测量时的有效发射率；K为某一常数。

联立式(1)、(2)、(6)，可得到：

$\frac{1-\frac{E1}{{E1}^{*}}}{1-\frac{E1}{M{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\Δ\λ}}_1}\mathrm{Eb}(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}}}=\frac{1-\frac{E2}{{E2}^{*}}}{1-\frac{E2}{M{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_2}^{{\mathrm{\λ}}_2+{\mathrm{\Δ\λ}}_2}\mathrm{Eb}(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}}}---\left(7\right)$

式中：M＝A×F，为已知量。上式中只有一个未知数T，即被测铸坯表面的温度，公式(7)通过迭代计算即可求出铸坯表面温度。

本发明的优点在于：解决了因发射率的不确定性而导致测温不准确的问题，适用于测量条件复杂的连铸现场，并最终参与实现连铸工艺的自动控制。

本发明测温仪的优点在于：实现一种复合式连铸铸坯表面测温方法，解决了因发射率的不确定导致测温不准确的问题；系统引入基准点校正的方法实现在高温、多干扰的环境下，获得稳定、可靠的红外辐射能信号，以保证最终计算得到准确的温度。

附图说明

图1为本发明无反射器测量环节测温方法原理框图；

图2为本发明有反射器测量环节测温方法原理框图；

图3为本发明有反射器测量环节的测量示意图；

图4为计算与与控制单元的信号预处理部分示意图。

图中：被测铸坯表面1，红外测温探测器2，反射器3，计算与控制单元4，电机传动结构5，测量目标区域6，冷却系统7，反射器顶端开孔8，反射器与被测表面间距9。

具体实施方式

以下实施案例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

复合式连铸铸坯表面测温仪包括反射器3、电机传动机构5、红外测温探测器2、计算与控制系统单元4及冷却系统7；反射器3由计算与控制单元4通过电机传动结构5控制旋转；红外测温探测器2的电信号输出端与计算与控制单元4电信号输入端连接；红外测温探测器2与反射器3分别与冷却系统7连接。

复合式连铸铸坯表面测温方法，该方法建立无反射器测量和有反射器测量条件下双波长的测温方程。在无反射器测量环节(如图1所示)，测温探测器直接接收目标区域6的辐射能量；执行完无反射器测量步骤后，即进入到有反射器测量环节，电机传动机构5带动反射器3旋转，使内表面高度抛光的半球形反射器3放置于被测表面的的上方位置(如图2所示)，测温探测器接收反射器半球顶端开孔8发射出来的红外辐射能。分别建立无反射器测量和有反射器测量双波长辐射能方程组，并基于Devos(德法斯)多次反射原理，建立有反射器测量的目标区域的有效发射率和无反射器测量的目标区域发射率的关系方程式，最终联立方程组，在线求解铸坯表面温度。

红外测温探测器2为双波长探测器，可分别获取波长为λ1＝6um、宽度为Δλ1＝0.5um；波长为λ2＝10.0um宽度为Δλ2＝0.5um的红外波辐射能。

在有反射器测量环节，为满足近似于密闭腔体的测量条件，反射器3直径为100mm，反射器与被测铸坯表面间距9为2mm，反射器顶端开孔8直径为10mm。

计算与控制单元4在获取红外测温探测器2传送过来的两路红外辐射能电信号后，对信号进行预处理(如图4所示)，预处理部分包含：电流-电压转换、滤波、放大、校正、A/D转换，其目的是在高温、多干扰的环境下，获得稳定、可靠的红外辐射能信号，以保证计算得到准确的温度。

采用上述实施方案，基于该复合式连铸铸坯表面测温方法原理实现的测温仪可准确获得铸坯表面温度，将测量得到的铸坯表面温度引入到连铸工艺控制系统，有利于实现自动化生产。本发明不只局限于对铸坯表面温度的测量，可应用到类似的高温表面温度的测量场合。

Claims (6)

1.一种复合式连铸铸坯表面测温方法，其特征在于它包括无反射器测温和有反射器测温两个环节，并根据Devos(德法斯)理论的多次反射原理，建立有反射器测量的目标区域的有效发射率和无反射器测量目标区域的发射率的关系；

通过建立无反射器测量和有反射器测量双波长辐射能方程组，求出铸坯表面温度。

2.根据权利要求1所述的铸坯表面测温方法，其特征在于，无反射器测量和有反射器测量双波长辐射能方程组建立方法如下：

(1)无反射器测量

在无反射器测量时，设传感器接收到铸坯表面的被测目标区域辐射的红外波1，波长范围：λ1～λ1+Δλ1，红外波2，波长范围：λ2～λ2+Δλ2，红外波1和红外波2的辐射能为E1和E2；并认为在较窄的波长范围内，认为红外波1发射率为同一数值ε(λ1,T)，即其值和波长及当前温度相关；同理，亦认为红外波2发射率为同一数值ε(λ2,T)，因此可建立以下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}E1=A\×F\×\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ}1,T)\·{\∫}_{\mathrm{\λ}1}^{\mathrm{\λ}1+\mathrm{\Δ\λ}1}\mathrm{Eb}(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}\\ E2=A\×F\×\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ}2,T)\·{\∫}_{\mathrm{\λ}2}^{\mathrm{\λ}2+\mathrm{\Δ\λ}2}\mathrm{Eb}(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

在上式中：ε(λ1,T)为目标区域表面辐射红外波1在温度为T时的发射率；ε(λ2,T)为目标区域表面辐射红外波2在温度为T时的发射率；Eb(λ,T)则为温度为T、红外波长为λ时的黑体单色辐射出度，由韦恩公式得到；A为与温度无关的检定常数；F为探测区域对探测器的热辐射角系数；A、F可根据实际检定得出。

(2)有反射器测量

在有反射器测量时传感器接收到红外波1和红外波2的辐射E1^*和E2^*；根据无反射器测量模式所建立的公式(1)，同理可建立以下方程：

$\left\{\begin{array}{c}{E1}^{*}=A\×F\×{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}(\mathrm{\λ}1,T)\·{\∫}_{\mathrm{\λ}1}^{\mathrm{\λ}1+\mathrm{\Δ\λ}1}\mathrm{Eb}(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}\\ {E2}^{*}=A\×F\×{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}(\mathrm{\λ}2,T)\·{\∫}_{\mathrm{\λ}2}^{\mathrm{\λ}2+\mathrm{\Δ\λ}2}\mathrm{Eb}(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}\end{array}\right.---\left(2\right)$

在上式中：ε_eff(λ1,T)为铸坯表面的目标区域辐射在温度为T时，有反射器测量条件下的红外波1的有效发射率；ε_eff(λ2,T)为铸坯表面的目标区域辐射在温度为T时，有反射器测量条件下的红外波2的有效发射率。

再根据Devos(德法斯)理论推导出在有反射器测量环节，铸坯与反射器之间经过n次反射后，目标区域表面的微元面A₁向反射器顶端开孔辐射能量，即测量获取的红外辐射能为：

$E_{A1}^{\left(n\right)}=[{\mathrm{\ϵ}}_{A1}+{\mathrm{\ϵ}}_{A1}\·(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·K_{A1}+{\mathrm{\ϵ}}_{A1}\·{[(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·K_{A1}]}^2+{\mathrm{\ϵ}}_{A1}\·{[(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·K_{A1}]}^3+...+{\mathrm{\ϵ}}_{A1}\·{[(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·K_{A1}]}^n]\·E_b\left(T\right)\·{\mathrm{dA}}_1---\left(3\right)$

上式中：ε_A1为微元面A₁的发射率；K_A1为某一常数；Eb(T)为温度为T时的黑体辐射出度；dA₁为微元面A₁的面积；

因为微元面A₁在温度为T时，红外辐射能Q₀＝E_b(T)·dA₁，所以有：

$\begin{array}{c}{E}_{A1}^{\left(n\right)}=[{\mathrm{\ϵ}}_{A1}+{\mathrm{\ϵ}}_{A1}\·(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·E_b\left(T_1\right)+{\mathrm{\ϵ}}_{A1}\·{[(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·K_{A1}]}^2+{\mathrm{\ϵ}}_{A1}\·{[(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·K_{A1}]}^3+...+{\mathrm{\ϵ}}_{A1}\·{[(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·K_{A1}]}^n]\·Q_0\\ =\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{A1}}{1-[(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})\·K_{A1}]}\·Q_0\end{array}---\left(4\right)$

故，可得出经过多次反射后，微元面A₁的有效发射率：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}\left(A1\right)}=\frac{E_{A1}^{\left(n\right)}}{Q_0}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{A1}}{1-K_{A1}\·(1-{\mathrm{\ϵ}}_{A1})}---\left(5\right)$

将微元面A₁的发射率推导过程推广，最终建立无反射器测量被测目标区域表面发射率和有反射器测量的有效发射率的关系，如公式(6)所示。

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}(\mathrm{\λ},T)=\frac{\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T)}{1-K\·[1-\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T)]}---\left(6\right)$

上式中：ε(λ,T)、ε_eff(λ,T)即分别为目标区域表面在温度为T(也即被测铸坯表面温度为T)，红外辐射波波长为λ时，无反射器测量时的发射率和有反射器测量时的有效发射率；K为某一常数。

联立式(1)、(2)、(6)，可得到：

$\frac{1-\frac{E1}{{E1}^{*}}}{1-\frac{E1}{M{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\Δ\λ}}_1}\mathrm{Eb}(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}}}=\frac{1-\frac{E2}{{E2}^{*}}}{1-\frac{E2}{M{\∫}_{\mathrm{\λ}2}^{{\mathrm{\λ}}_2+{\mathrm{\Δ\λ}}_2}\mathrm{Eb}(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}}}---\left(7\right)$

式中：M＝A×F，为已知量；上式中只有一个未知数T，即被测铸坯表面的温度，公式(7)通过迭代计算即可求出铸坯表面温度。

3.一种复合式连铸铸坯表面测温仪，其特征在于它包括反射器(3)、电机传动机构(5)、红外测温探测器(2)、计算与控制系统单元(4)及冷却系统(7)；反射器(3)由计算与控制单元(4)通过电机传动结构(5)控制旋转；红外测温探测器(2)将被测铸坯表面(1)的目标区域(6)红外辐射能转换成电信号送入计算与控制单元(4)；红外测温探测器(2)与反射器(3)由冷却系统(7)通风冷却。

4.根据权利要求3所述的一种复合式连铸铸坯表面测温仪，其特征在于，所述红外测温探测器(2)为双波长探测器，红外测温探测器(2)通过分光、滤光后感应2个红外波段的辐射能。

5.根据权利要求4所述的一种复合式连铸铸坯表面测温仪，其特征在于，红外测温探测器(2)能分别获取波长为λ1＝6um、宽度为Δλ1＝0.5um；波长为λ2＝10.0um宽度为Δλ2＝0.5um的红外波辐射能。

6.根据权利要求3所述的一种复合式连铸铸坯表面测温仪，其特征在于，反射器(3)为半球形反射器，半球形的直径为100mm，半球形反射器的顶端开孔(8)的直径为10mm。