CN105758208A - 高温热处理非接触式温度均匀性检测系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高温热处理非接触式温度均匀性检测系统及其检测方法，其是对热处理炉有效工作区内按照要求分布多个模拟传感器位置从而进行温度均匀性和系统准确度检测，通过进行数据处理得出热处理炉是否满足工艺要求的结论，可以说是真正实现了自动化检测及实现在线校准；由于对炉体不做破坏和不耽误生产，不但能节约大量的昂贵的贵金属检测材料的费用和后续维修费用，还缩短了检测、校准时间，提高生产效率，真正起到高效节能降耗、绿色环保检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温热处理非接触式温度均匀性检测系统及其检测方法，属于热处理炉温度检测技术领域。
背景技术
高温热处理设备在飞机零部件的制造中起着关键的作用。生产中将零部件产品的原料放入热处理设备中，通过控制热处理设备的温度、压力、气氛、真空使其达到预期设定的参数要求，满足具体生产工艺。一般对热处理炉主要以温度均匀参数指标为主，产品只有在其要求的温度容差（温度均匀性指标）范围内才能达到生产工艺要求，保证产品性能和质量。
为了保证热处理炉的技术指标能够满足产品生产的要求，这就需要通过按照统一的测试方法对热处理设备和冷热加工设备进行校准和检测，对炉温的均匀性给出最终的结论。
目前，对于热处理炉的温度均匀性测试存在很多问题，主要有以下几个方面：
（1）目前对于热处理炉的方法主要是采用炉温巡检仪，将热电偶按照炉体内部有效空间大小进行布点，一般炉子会留有测试孔，通过法兰形式密封，热电偶在炉子内部连接到法兰盘上，再从炉子外部引入到炉温测试仪上，也有些气氛、真空炉留有橡胶塞，传感器直接穿过橡胶塞或法兰盘，传感器的这种连接方式容易碰上加热的钼或石墨片，会给炉体带来破坏；
（2）现有的测试方法，对于炉体和传感器而言需要有严格的要求，用于高温炉炉温均匀性和系统精度检测的热电偶为双铂铑B热电偶和铂铑S行热电偶，插入炉中要求B型偶结构坚固，能够自如插入炉体中，但目前没有满足要求的热电偶，如果使用裸丝，会受到污染从而影响测量准确度。目前还有些热处理炉由于购买之初考虑不全，没有留测试孔，如果对于这些炉子进行温场测试，需要开多个测试孔，开孔可能会破坏到加热元件和炉子的气密性，即使炉子留有测试孔，因其传感器与炉体相连也容易碰到加热元件，这种损坏加热元件的事件确实在日常的测试中出现过，尤其是有些加热元件大都是昂贵的钼金属，如果破坏了的钼片，将对炉子造成更大的损失，所以进行温度均匀性测量和系统精度测试的风险极大，一旦损坏，不仅更换费用巨大，而且还影响正常的生产进度。另外，由于高温加工工艺要求极高的反应温度，一般的温度检测工具无法运用，必须大量使用价格及其昂贵的贵金属进行测温，或者对加热炉温度监测依靠工作人员定期通过观测孔用热电偶对着炉内进行测定，由此存在以下几个问题：1）被测量点（区域）数量有限，不能全面反映温度的实际分布，致使难以掌握全炉膛的实际运行情况，材料处理也很难达到最佳效果；2）由于大量使用传感器造成浪费，不利于节能减排；3）不能实现实时对炉温的运行温度进行全面而确切的记录和分析，无法判断炉内加工周期，且对热处理工艺质量难以进行预测；
（3）随着国家航空武器装备每年技改经费投入，高温热处理设备的数量锥尖增多，检测校准要求不断提高，航空标准在逐步向民机标准靠拢，检测准确度提高，检测周期逐渐缩短，测试频率逐渐增大，如新换版的航标HB5425中的检测方法与民机通用标准AMS275E基本一致，现有的设备和人员如果继续采用目前的测试方法，将会严重影响工作效率，浪费大量的昂贵的传感器，因此我们必须转变观念，迫切需要提出一种新的检测方法。
发明内容
本发明提供一种高温热处理非接触式温度均匀性检测系统及其检测方法，方便、快捷，测量精度高。
本发明是通过以下技术方案实施的：高温热处理非接触式温度均匀性检测系统，包括红外探头、探测器推进器、探测器冷却水系统、电气控制箱及数字处理系统，其中，所述红外探头安装在炉壁上，所述探测器推进器安装在红外探头的后端，所述探测器冷却水系统为一个循环水路将探测器包覆其中，所述电气控制箱内集成有双光路高温光学系统、近红外探测器、图像采集模块，所述数字处理系统内集成有图像处理模块、比色测温和辐射测温模块以及背景补偿模块，所述红外探头与电气控制箱之间通过探测器线连接，所述电气控制箱与数字处理系统之间通过数据线连接。
一种高温热处理非接触式温度均匀性检测方法，采用了所述的高温热处理非接触式温度均匀性检测系统，具体方法如下：
a）在炉膛内建立背景补偿模型：将若干个靶标作为测温目标并排列成规则的几何立体形状，炉墙内壁上喷涂有高发射率涂料；
b）器件修正：利用黑体，对双光路高温光学系统、光学滤光片的带宽与峰值透过率以及近红外探测器的光谱响应进行参数修正，所述双光路高温光学系统的修正方法具体为，将黑体炉温度设定在测量范围内的一系列离散的温度值，利用双光路高温光学系统测量在每一设定温度下两个通道的光谱辐照度，然后根据比色测温公式建立两通道光谱辐照度比和温度的函数关系，再修正该函数关系至理想状态，最终使双光路高温光学系统达到与理论测量标准相一致；
c）背景修正：将靶标反射和炉墙反射作为主要干扰因素，利用公式
消除背景影响，公式中待测目标、背景温度及炉墙辐射率需要间接得到，其中背景温度通过比色测温方法获得，炉墙辐射率通过双背景方法获得；
d）双光路高温光学系统温度均匀性的补偿：利用高温面光源的均匀性，将采光镜头伸入高温面光源内，设置近红外探测器的参数进行采集，然后通过分析计算数据信息，找出变化规律和相互关系，经过数值分析得出函数关系，建立补偿模型，将整个画面的灰度值调整与中心一致，从而达到双光路高温光学系统温度均匀性的补偿；
e）确定近红外探测器的曝光时间：通过调整近红外探测器曝光时间使其工作在线性范围内；
f）图像采集和温度均匀性计算：将近红外探测器采集到的黑白图像传输至数字处理系统，利用采集软件进行数据读取，融合均匀性补偿模型计算出靶标温度，该补偿模型是对光学系统传感器探头进行补偿，然后将靶标温度数据以Excell表格的形式自动保存到指定位置及截面伪彩显示。
本发明的有益效果：本发明能够在保证满足国标、军标、国外高温测量标准的要求下，以更高的效率完成热处理设备的温度均匀性检测，是对热处理炉有效工作区内按照要求分布多个比如21个模拟传感器位置进行温度均匀性和系统准确度检测，通过进行数据处理得出热处理炉是否满足工艺要求的结论，在表2中的偏差就是温度均匀性偏差，是个典型的例子，因此可以说是真正实现了自动化检测及实现在线校准；由于对炉体不做破坏和不耽误生产，不但能节约大量的昂贵的贵金属检测材料的费用和后续维修费用，还缩短了检测、校准时间，提高生产效率，真正起到高效节能降耗、绿色环保检测。
附图说明
图1为本发明系统结构图。
图2为靶标安装示意图。
图3为双光路高温光学系统温度均匀性补偿前数据。
图4为双光路高温光学系统温度均匀性补偿后数据。
图5为实施例中靶标安装示意图。
具体实施方式
如图1所示的高温热处理非接触式温度均匀性检测系统，包括红外探头、探测器推进器、探测器冷却水系统、电气控制箱及数字处理系统，其中，所述红外探头安装在炉壁上，所述探测器推进器安装在红外探头的后端，所述探测器冷却水系统为一个循环水路将探测器包覆其中，所述电气控制箱内集成有双光路高温光学系统、近红外探测器、图像采集模块，所述数字处理系统内集成有图像处理模块、比色测温和辐射测温模块以及背景补偿模块，所述红外探头与电气控制箱之间通过探测器线连接，所述电气控制箱与数字处理系统之间通过数据线连接。
一种高温热处理非接触式温度均匀性检测方法，采用了所述的高温热处理非接触式温度均匀性检测系统，具体方法如下：
a）在炉膛内建立背景补偿模型：将若干个靶标作为测温目标并排列成规则的几何立体形状，炉墙内壁上喷涂有高发射率涂料；
b）器件修正：利用黑体，对双光路高温光学系统、光学滤光片的带宽与峰值透过率以及近红外探测器的光谱响应进行参数修正，所述双光路高温光学系统的修正方法具体为，将黑体炉温度设定在测量范围内的一系列离散的温度值，利用双光路高温光学系统测量在每一设定温度下两个通道的光谱辐照度，然后根据比色测温公式建立两通道光谱辐照度比和温度的函数关系，再修正该函数关系至理想状态，最终使双光路高温光学系统达到与理论测量标准相一致；
c）背景修正：将靶标反射和炉墙反射作为主要干扰因素，利用公式
消除背景影响，公式中待测目标、背景温度及炉墙辐射率需要间接得到，其中背景温度通过比色测温方法获得，炉墙辐射率通过双背景方法获得，所述双背景法是在两种不同背景温度下进行的，试件和参考题在两次测量中保持温度不变，当
；
其中εR为参考题表面辐射率（已知），Ts1、Tr1和Ts2、Tr2分别为在第一种背景条件下热像仪测量的试件、参考题表面辐射温度和在第二种背景条件下试件和参考体的辐射温度；
例如在相同温度条件下，分别对黑体炉标靶和碳化硅标靶温度进行测量，以黑体炉标靶为基准，通过公式：ε=T/T0进行计算，得出碳化硅标靶的相对辐射率，其中T为碳化硅标靶的温度，T0为黑体炉标靶的温度；
d）此方法在测量过程中，有效的消除了因测量背景和目标真实温度产生的误差而影响辐射率的测量误差，此方法测量出的一种给定材料辐射率的误差小于±0.02。；
e）双光路高温光学系统温度均匀性的补偿：利用高温面光源的均匀性，将采光镜头伸入高温面光源内，设置近红外探测器的参数进行采集，然后通过分析计算数据信息，找出变化规律和相互关系，经过数值分析得出函数关系，建立补偿模型，将整个画面的灰度值调整与中心一致，从而达到双光路高温光学系统温度均匀性的补偿；
f）确定近红外探测器的曝光时间：通过调整近红外探测器曝光时间使其工作在线性范围内；
g）图像采集和温度均匀性计算：将近红外探测器采集到的黑白图像传输至数字处理系统，利用采集软件进行数据读取，融合均匀性补偿模型计算出靶标温度，该补偿模型是对光学系统传感器探头进行补偿，然后将靶标温度数据以Excell表格的形式自动保存到指定位置及截面伪彩显示；
h）检测结果：系统安装完成测试数据如表1所示，此数据是在加热炉温度升温达到1250℃后开始每两分钟测试一次，测温点位置如图5所示。
表1
。
Claims (2)
1.高温热处理非接触式温度均匀性检测系统，其特征在于：包括红外探头、探测器推进器、探测器冷却水系统、电气控制箱及数字处理系统，其中，所述红外探头安装在炉壁上，所述探测器推进器安装在红外探头的后端，所述探测器冷却水系统为一个循环水路将探测器包覆其中，所述电气控制箱内集成有双光路高温光学系统、近红外探测器、图像采集模块，所述数字处理系统内集成有图像处理模块、比色测温和辐射测温模块以及背景补偿模块，所述红外探头与电气控制箱之间通过探测器线连接，所述电气控制箱与数字处理系统之间通过数据线连接。
2.一种高温热处理非接触式温度均匀性检测方法，采用了如权利要求1所述的高温热处理非接触式温度均匀性检测系统，其特征在于具体方法如下：
a）在炉膛内建立背景补偿模型：将若干个靶标作为测温目标并排列成规则的几何立体形状，炉墙内壁上喷涂有高发射率涂料；
b）器件修正：利用黑体，对双光路高温光学系统、光学滤光片的带宽与峰值透过率以及近红外探测器的光谱响应进行参数修正，所述双光路高温光学系统的修正方法具体为，将黑体炉温度设定在测量范围内的一系列离散的温度值，利用双光路高温光学系统测量在每一设定温度下两个通道的光谱辐照度，然后根据比色测温公式建立两通道光谱辐照度比和温度的函数关系，再修正该函数关系至理想状态，最终使双光路高温光学系统达到与理论测量标准相一致；
c）背景修正：将靶标反射和炉墙反射作为主要干扰因素，利用公式
消除背景影响，公式中待测目标、背景温度及炉墙辐射率需要间接得到，其中背景温度通过比色测温方法获得，炉墙辐射率通过双背景方法获得；
d）双光路高温光学系统温度均匀性的补偿：利用高温面光源的均匀性，将采光镜头伸入高温面光源内，设置近红外探测器的参数进行采集，然后通过分析计算数据信息，找出变化规律和相互关系，经过数值分析得出函数关系，建立补偿模型，将整个画面的灰度值调整与中心一致，从而达到双光路高温光学系统温度均匀性的补偿；
e）确定近红外探测器的曝光时间：通过调整近红外探测器曝光时间使其工作在线性范围内；
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