CN104470867A - 用于测量流体流温度的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量流体流(11)的温度的方法和设备(12)，所述设备包括：可移动的框架(13,14)，具有面向待测量的流体流的第一端部和相对方向的第二端部；分束器(9)，可移动地布置在框架中，用于进入到所述流体流中以打开流体流；光学温度测量装置(8)，用于通过测量来自流体流的热辐射以确定流体流的温度；和控制装置，用于控制框架和分束器的移动并且控制光学温度测量装置的性能。

Description

用于测量流体流温度的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于测量流体流(fluid stream)的温度的方法和设备。

背景技术

通常了解工业工艺过程的温度对于优化该工艺过程是很重要的，例如，涉及到燃料消耗或工艺过程控制。

例如从US4,297,893、US4,812,151或EP0080963中已知用于测量熔体束(melt beam)温度的系统的实例。然而，这些更加自动化的温度测量系统都不适用于在矿棉(mineral wool)生产中测量熔化的原材料的升高的温度。

然而，在生产矿棉时，了解熔体温度也很重要。在矿棉生产中，原材料在熔炉中熔化，并且熔体流动通过虹吸管至纺纱(spinning)装置（诸如高速轮）以生产纤维。

熔体的温度高达1500℃，并且所生产的纤维的性能依赖于精确的温度，并且进一步地熔体温度对燃料消耗和装备的磨损有显著影响。

然而，由于非常高的温度和不利的条件，很难测量熔体的温度。

此外，熔体束的表面处的温度大大低于熔体束内部的核心温度，而理论上应测量的正是熔体束的核心温度。

传统上，温度测量由人手动完成，使用诸如热电偶的接触式温度计测量熔体束的核心温度，或使用例如高温计的某种非接触式温度计，其具有光学系统和检测器并测量来自熔体束的热辐射，即熔体束的表面温度。因此，测量容易出现误差。此外，进行这种测量是劳动密集型的，因此成本很高。

发明内容

因此，目标是提供一种更精确、劳动密集程度更低并且成本更低的自动化的温度测量方法和系统。

这个目标通过一种测量流体流的温度的方法来实现，所述方法包括以下步骤：提供熔化的材料（诸如熔化的石材）的流体流，在所述流体流中提供分束器以打开流体流，以及通过非接触式温度测量装置确定所述流体流的温度。

本发明还提供了一种用于测量流体流的温度的设备，所述设备包括：布置成打开流体流的分束器；用于确定流体流的温度的非接触式温度测量装置；以及用于控制非接触式温度测量装置的性能的控制装置。

通过本发明可认识到，为了测量熔体内部的温度，可使用分束器来打开熔体束，并使用光学温度测量装置（诸如高温计）来测量核心温度。根据本发明可以发现，高温计可有利地用于在打开熔体束的过程中测量温度，并由此确定流体流（或熔体束）何时被充分打开，以获得对应于流体流的核心的温度读数。此外，根据本发明提供的方法是有利的，因为在熔化的材料（尤其是熔化的石材）的流体流中的自动化温度测量在此成为可能。通过打开熔体意味着该熔体流的相对较冷的表面被破坏，从而使得相对较热的核心被暴露。

优选地，所述方法包括以下中间步骤：用非接触式温度测量装置扫描流体流，以确定流体流的侧向位置，所述侧向位置用于定位分束器，并且优选地，该扫描还包括基于侧向扫描计算所述流体流的中心线。在此，提供了一种简单、可靠的定位流体流的方法。从虹吸管倒出的熔化的石材的流体流随时间可能从一边到另一边略微移动，例如，由于虹吸管的磨损或由于维护工作而移动，但是通过使用非接触式测量装置来记录侧向温度分布并由此定位显著温度差的位置，实现了对流体流的精确位置的可靠确定，其中所述位置为流体流的侧边缘。当系统知道侧边缘的位置时，按两个侧边缘之间的中间位置计算出流体流的中心。可以使用其他计算方法而不会背离本发明，但是这种简单的确定流体流的中心线的方法是目前优选的。在此，所述方法是相对于位置自校准的。优选地，所述非接触式温度测量装置是光学温度测量装置，诸如高温计。非接触式温度测量装置可以可替代地或额外地包括红外摄相机。

为了获得尽可能精确的温度测量，优选的是，该分束器在流体流的预定的中心线处前进进入流体流中。

在一个优选的实施方式中，分束器前进进入流体流中，直到记录到温度的升高高于一预定值。温度升高本身意味着流体流被打开，并且当温度测量水平稳定在比分束器前进之前更高的水平时，该更高的测量结果对应于热流体流的“内部”温度。在另一个实施方式中，分束器前进进入流体流中一预定距离。

当分束器前进到其前进位置时，根据一个实施方式，分束器被保持在所述流体流内部，直到获得了最大的温度测量结果和/或达到最大的预定时限。

分束器可有利地被可移动地布置，用于移进和移出流体流。优选地，所述设备还包括用于在两个相互正交的方向上移动分束器的装置。

通过本发明，可以发现有利的是，温度被持续地测量，因为温度测量结果被用来控制自动化的温度测量过程，该过程包括定位熔化的材料的热流体流的位置。根据本发明的控制装置控制分束器在缩回位置和进入流体流预定距离之间的移动。

根据本发明的优选实施方式，为了确保可接受的寿命，分束器是水冷却的。在一个实施方式中，分束器可被设计成倾斜的方形空心体，其具有指向流体流上游的上角部和对角相对的指向流体流下游的最底下的角部。

附图说明

下面通过实例并参照附图详细地描述本发明，其中：

图1是矿棉生产线的示意图；

图2是其详细的示意图；

图3是流出虹吸管的熔化的石材材料的热流体流和根据本发明的自动化温度测量装备的侧视示意图；

图4是根据本发明实施方式的用于自动化温度测量的设备的立体透视示意图；

图5至图11是对根据本发明的设备的功能的细节的说明性图示；和

图12至图14分别是根据本发明的分束器头部的优选实施方式的立体透视图、俯视图和侧视图。

具体实施方式

本发明涉及流体流的非接触式温度测量，尤其涉及测量熔化的材料1（例如比照图1至3的与生产矿棉纤维相关的熔化的石材）的热流体流的温度。参照图1，石材1在熔炉2中熔化，经由虹吸槽10（见图2）倒出熔炉并被纤维化3。然后，熔化的材料的流体流11被多个纺纱机(spinner)7处理（在图2所示的实例中，提供四个纺纱机），由此熔化的材料在纤维化3处转化成石矿物纤维。如图1所示，纤维接着被铺设到带4上并随后形成隔离板材(insulationslab)，并在固化工位(curing station)5处被固化，之后在切割工位6处被切割成应有的尺寸。

在流体流11离开虹吸管10处，提供根据本发明的自动化温度测量设备12的原型(prototype)（同样参见图3）。

在本发明的最简单的实施方式中，分束器是静止的并且布置成始终处于流体流中。可替代地，流体流的位置是可控的，因此流体流可被定位在分束器处。然而，自动化的温度测量是更通用的，因此下面将对其进行讨论。

温度测量设备12是测量打开的熔体束温度的基于高温计的自动化控制的装备。该设备在图4中示出。该设备包括：三个液压缸13、14、15；闸板(shutter)18；具有外矛杆(lance)16a和内矛杆16b的分束器臂部16；和固定到内矛杆16b的水冷却的分束器头部9；高温计8；和两个超声距离传感器13c、14c（x-DS和y-DS）和它们的反射板13a、14b；以及安装在冷却水出口处的流量检测器（未示出）。此外，四个接近开关(proximity switches)用于检测缸的位置。

在下面的对设备的说明中参照相互垂直的x方向和y方向。用x方向表示分束器前进的方向，并且用y方向表示高温计侧向移动的方向。

设备12优选地位于纺纱机工位7的腔室顶上。为了保护闸板缸15和高温计8，水冷却的板17安装在纺纱机腔室壁上。

参照图4，所述设备中的各个部件的功能是：

分束器臂部16包括用于对流体流11进行分束的水冷却的头部9、与x-液压缸13连接的内矛杆16b、和与y-液压缸14连接的外矛杆16a。

x-液压缸13控制内矛杆16b在x方向上的移动以打开流体流11。

y-液压缸14控制外矛杆16a在y方向上的移动以找到熔体束的中心。

闸板缸15打开和关闭闸板18。

闸板18被设置为防止来自虹吸管10的火焰和防止从流体流11溅落的熔体滴到达纺纱机的腔室顶。

高温计8不仅用于测量熔体温度，而且还用于确定熔体束在y方向上的边缘。高温计8位于外矛杆16a之下。随着y-缸的移动，高温计8随着分束器臂部16旋转。

x-超声距离传感器13c用于测量内矛杆16b的位移。当x-液压缸13的杆处于完全伸展的位置时，该位置被定义为分束器臂部16在x方向上的起始位置(home position)。

y-超声距离传感器14c用于测量外矛杆16a的位移。当y-液压缸14的杆处于完全抽出的位置时，该位置被定义为分束器臂部16在y方向上的起始位置。

水冷却的板17被设置为保护闸板缸15和高温计8。

接近开关15a和15b检测闸板缸15的位置。使用两个开关15a、15b的主要目的是检测闸板18是处于关闭状态还是打开状态。由开关15b检测到的起始位置表明闸板18处于关闭状态，而由开关15a检测到的闸板缸位置表明闸板18处于打开状态。

开关13b和13a检测x-缸的位置。使用开关13a的主要目的是检测x-缸13是否处于其起始位置，而由开关13b检测到的x-缸的位置是用来停止x-缸13的。

温度测量设备的原理

分束器臂部16的移动具有两个主要步骤：

首先，分束器臂部16随着y-缸的杆的移动而旋转，同时高温计8扫描流体流11，并检测熔体束的边缘11b、11c和找到熔体束的中心11a（参见图5中的步骤a）。

其次，分束器头部9为了随后的高温计温度测量而接近并打开流体流11（图5中的步骤b）。

更详细地，由该设备执行的方法包括以下工序：

1.初始化

闸板18处于关闭状态。接近开关15b检测闸板18是否处于关闭状态，如果不是，闸板缸15应退回并关闭闸板18，这可由开关15a检测出。

x-缸13处于起始位置。接近开关13a检测x-缸13是否处于起始位置，如果不是，x-缸13应向后移动到其完全伸展的位置。

y-缸14处于起始位置。为了确定y-缸14是否处于起始位置，14c与反射板14b之间的距离（如图3所示，a）应等于一设定值。否则，y-缸14应向后移动到其完全抽出的位置。

2.冷却水通过分束器

来自流量检测器的信号用于检查是否有足够的冷却水通过分束器9。如果冷却水的流量不够大，那么将对操作员给出警报，并且在提供足够的冷却之前不会执行进一步的分束动作。

3.来自虹吸管的熔体

所述设备仅在有熔体流出虹吸管时才可工作。这可通过确保仅在一个或多个纺纱机7消耗了超过预定量的功率（诸如超过8kW）时才进行自动化的温度测量来确定。

4.打开闸板

闸板18应在分束器臂部16开始工作之前首先打开。当闸板18完全打开时，接近开关15a给出信号。

5.y-方向移动：

在y-缸的杆从其起始位置14a（参见图6a）向前移动至其完全伸展的位置（14c）。在所述移动期间，高温计测量到的温度分布20可描述如下（如图7所示）：首先，在高温计的测量聚焦区域到达熔体表面之前，高温计8给出出错信号INV（例如1200℃的设定温度被用来表示出错信号）；然后，由于高温计的斑点(spot)接触熔体表面（点(a)，杆在位置(a')），高温计的温度急剧跃变；并且，当高温计的斑点处于熔体表面时，高温计的温度保持在相当稳定且高的水平（大约1450℃）；最后，由于高温计的斑点移出熔体表面（点(b)，杆在位置c），高温计的温度回到出错信号。因此，熔体束的边缘可由在温度分布20的点(a)和(b)处的两个急剧的温度变化的信号来确定。当高温计的斑点刚离开点1处的熔体束边缘时，缸杆停止。在所述方案中，束的边缘被视为当高温计的温度跃变上升到/或下降到例如1350℃时被检测到。

当高温计的斑点接触到点1和刚离开点(a)时，由y-DS同时测量出y-DS与反射板之间的多个距离（ea'和ec，其中e表示y-DS（即y-缸的杆的伸展），c和a'是y-反射板）。为确定熔体束的中心，缸杆随后向后（从c到d）移动ca'的一半距离（cd=0.5(ec-e2')）。缸杆以预定速度（诸如1.0cm/s）移动。

6.x-方向移动

图8示出在找到熔体中心之后的x-缸13的移动的三个步骤。首先（步骤aa），x-缸13快速向前移动至一位置；然后（步骤bb），x-缸13非常缓慢地移动至最后的距离并打开熔体束；以及然后（步骤cc），在高温计的温度测量之后，x-缸13快速向后移动至其起始位置。

x-缸13/分束器9、16的起始位置（图9中的实线）由接近开关13c检测。

打开的熔体束以及温度测量

图10示出确定被熔体分束器9打开的流体流11的原理。当熔体分束器头部9接触熔体束表面时（图10a中示出），可由高温计8检测到温度跃变，如图11所示。假设当温度跃变（TJ）大于20℃时流体流11被打开，如图11所示。温度跃变的计算公式为：(T-T_basis)>20℃，其中T是在分束器9处于缓慢移动模式之后测得的温度（动态值），而T_basis是当分束器9启动缓慢移动模式时测得的温度（测量中的静态值）。

温度跃变TJ表示熔体被分束器轻微地打开。然后x-缸13进一步向前移动进入熔体11（如图10所示的L，下文中L被称为穿透深度）。在优选的实施方式中，分束器头部9在流体流11中的停留时间将持续1分钟。在一分钟内测得的最高温度T_max被视为熔体束的核心温度。此外，测得的熔体温度应处于一定范围内，例如在1400℃与1550℃之间。否则，将对操作员给出警报。

为避免分束器头部9击中虹吸管10而由此损坏分束器9或虹吸管10，熔体分束器9的位移是受限的。

7.x-缸和y-缸复位以及关闭闸板：

在熔体束温度测量之后，x-缸的杆以例如5cm/s的速度快速移动返回其起始位置，然后闸板18关闭，最后y-缸14返回到其起始位置。

在温度测量期间（即自动化的温度测量的工艺过程周期）进行的工序以及各个部件的移动可归纳如下：

1.启动

2.打开闸板

3.找到熔体束的边缘

4.找到熔体束的中心

5.熔体分束器向前移动并打开熔体束

6.温度测量和最高温度

7.x-缸移动回到起始位置

8.关闭闸板

9.y-缸移动到起始位置

图12至14示出了分束器头部9的目前优选的实施方式。分束器头部9包括分束器板91，所述分束器板91位于管状的安装件92上的倾斜位置。管状的安装件92设置有安装板95。分束器板91是空心的，由此内部形成的腔与分束器管92的腔流体连通。在安装板95中，设置有进水口93和出水口94，用来将冷却水供给管92和分束器板内部的分束器腔。

分束器板91设置有实质上方形的流体流接收表面96，在所示实施方式中，所述流体流接收表面96设置有最底下的角部作为其远侧角部97，所述远侧角部97前进进入到流体流11中（见图14）。对角相对的角部被安装在管92中，由此以倾斜的、实质上“金刚石状”的构造固定分束器头部9。分束器板91可由任何合适的材料制成，诸如钢板或类似物，这些材料尽管在使用过程中容易磨损，但在其插入到熔体束中的相对短的时间内是耐受高温的。

在第二个实施方式中，可以认识到，使用具有热点检测(hot spots detection)的热成像式摄像机可对熔体表面温度进行连续监测。因此，与第一个实施方式相比，扫描以找到熔体束的步骤是不必要的。在该实施方式中，使用三个摄像机，并使用最高的温度测量结果。在变形例中，通过仅使用两个摄像机可以进一步进行简化，因为这足够的以便具有冗余。摄像机距熔体束的距离可以是2.5m-3m，因此其会是比较安全的。

使用热成像式摄像机的另一个优点是，可将来自摄像机的图像显示在操作员的监视器上。

每隔一段时间间隔，测得的温度通过与熔体核心温度比较而被校准，所述熔体核心温度通过利用熔体分束器打开熔体并使用与上面相同的热成像式摄像机测量温度而获得。通过测量的表面温度与熔体核心温度之间的差异，可以发现，由于温度差异随后定期被校准，对熔体束的表面温度的连续测量提供了表示熔体核心温度的测量。换句话说，基于连续测量的熔体表面温度提供了表示性的熔体核心温度，每隔一段时间间隔相对于测得的熔体核心温度来校准所述熔体表面温度，以确定核心温度与表面温度之间的温度差异的数值。表示性的熔体核心温度可因此被提供作为连续提供的数值，所述连续提供的数值是基于连续测量得到的熔体表面温度加上确定了的温度差异，所述温度差异是当测量得到实际的熔体核心温度时通过校准而提供的常数。

在可替代的实施方式中，熔体分束器或分束器是鱼雷形构件，其被悬挂成摆体(pendulum)并且附接有线。操作员可通过拉动该线而拉动分束器远离束。当线随后被放开时，鱼雷形物通过重力移动或摆动到熔体束中，并且鱼雷形分束器在大约15秒之后再次缩回。鱼雷形分束器是未被冷却的并且具有可更换的鼻状物作为前部，所述前部由于撞击熔体束而发生磨损，因此需要定期（诸如每隔几个月）更换。已经发现，只要熔体束被鱼雷形分束器击中即可，鱼雷形分束器的精确位置并不是关键。由于摄像机的热点检测，定位不是关键。

本实施方式在技术上是非常简单的，因为不需要用于定位分束器的装置。进一步地，连续的测量是能够控制该过程的主要优点，并且进一步地，由于对熔体内部温度的测量的数量可以是相对低的并且仅用于校准，因此对过程的干扰被最小化。

本发明是参照目前优选的实施方式进行描述的。然而，应当认识到，在不背离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，允许一些特征结构的变化和修改。例如，应当认识到，根据本发明的方法也可用于在不同于上述应用的其它应用的流体流中的自动化的温度测量。

Claims (18)

1.一种测量流体流的温度的方法，所述方法包括以下步骤：

提供熔化的材料的流体流，所述熔化的材料诸如熔化的石材，

在所述流体流中提供分束器以打开所述流体流，以及

通过非接触式温度测量装置确定所述流体流的温度。

2.根据权利要求1所述的方法，包括以下中间步骤：用所述非接触式温度测量装置扫描所述流体流，以确定所述流体流的侧向位置，所述侧向位置用于定位所述分束器。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述扫描包括基于侧向扫描计算所述流体流的中心线。

4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述非接触式温度测量装置是光学温度测量装置，诸如高温计。

5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述非接触式温度测量装置是红外摄像机。

6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述分束器在所述流体流的预定的中心线处前进进入所述流体流中。

7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述分束器前进进入所述流体流中，直到记录到温度的升高高于一预定值。

8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述分束器前进进入所述流体流中一预定距离。

9.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述分束器被保持在所述流体流的内部，直到获得最大的温度测量结果和/或达到最大的预定时限。

10.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中温度是持续测量的。

11.一种用于测量流体流的温度的设备，所述设备包括：

分束器，布置成打开所述流体流；

非接触式温度测量装置，用于确定所述流体流的温度；以及

控制装置，用于控制所述非接触式温度测量装置的性能。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述分束器被可移动地布置用于移动进入和离开所述流体流。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述设备包括用于在两个相互正交的方向上移动所述分束器的装置。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的设备，其中所述非接触式温度测量装置适合于确定所述流体流的侧向位置，并且其中所述控制装置包括用于基于侧向扫描而计算所述流体流的中心的装置。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的设备，其中所述非接触式温度测量装置是光学温度测量装置，诸如高温计。

16.根据权利要求11至14中任一项所述的设备，其中所述控制装置控制所述分束器在所述流体流处在缩回位置和进入位置之间的移动。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的设备，其中所述分束器是水冷却的。

18.根据权利要求11至17中任一项所述的设备，其中所述控制装置进一步包括用于自动化地执行测量循环并重复所述测量循环的装置，所述测量循环涉及到根据权利要求1-10任一项所述的方法。