CN105973872A - 一种同时对熔融金属的元素含量和温度进行无接触测量的系统 - Google Patents

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曾强
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Abstract

本发明公开了一种同时对熔融金属的元素含量和温度进行无接触测量的系统，包括无接触式导光系统，无接触式导光系统的上方设有脉冲激光器，无接触式导光系统沿激光入射方向自上而下依次设有信号光分光光路和可调焦德望远镜，分光光路末端设有透镜，通过光纤馈入法兰、光纤和光谱仪连接，脉冲激光器和光谱仪分别与时序控制系统、计算机连接，无接触式导光系统的下部设有插板阀和标准法兰接口，所述无接触式导光系统的侧壁连接有辅助真空系统。实现元素含量检测和温度测量的有机结合，结构紧凑。同时，导光系统可自动调焦，探测空间范围和波段范围广。适用于冶炼炉体等需要在线进行含量检测和高温测量的场合。

Description

一种同时对熔融金属的元素含量和温度进行无接触测量的系统
技术领域
本发明涉及一种光谱探测技术，尤其涉及一种同时对熔融金属的元素含量和温度进行无接触式测量的系统。
背景技术
元素含量检测和温度测量是冶金生产中重点关注的参数，其准确实时测量对冶金效率提升、成本降低和品质控制具有重要意义。
现阶段的冶金过程中，温度测量用的是热电偶测温枪，热电偶便成为测温的一大耗材；元素含量的测量则是采用取样离线检测的方式，费时费力。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时对熔融金属的元素含量和温度进行无接触测量的系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的同时对熔融金属的元素含量和温度进行无接触测量的系统，包括无接触式导光系统，所述无接触式导光系统的上方设有脉冲激光器，所述脉冲激光器发出的激光脉冲通过所述导光系统顶部的入口窗进入导光系统，所述导光系统沿激光入射方向自上而下依次设有信号光分光光路和可调焦望远镜，所述信号光分光光路之后连接有第一光谱仪和第二光谱仪，分别耦合进入，所述脉冲激光器、第一光谱仪和第二光谱仪分别与时序控制系统连接，所述时序控制系统、第一光谱仪和第二光谱仪分别与计算机连接，所述无接触式导光系统的下部设有插板阀和标准法兰接口，所述无接触式导管系统的侧壁连接有辅助真空系统。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的同时对熔融金属的元素含量和温度进行无接触测量的系统，实现元素含量检测和温度测量的有机结合，结构紧凑。同时，导光系统可自动调焦，探测空间范围和波段范围广。适用于冶炼炉体等需要在线进行含量检测和高温测量的场合。
附图说明
图1为本发明实施例提供的同时对熔融金属的元素含量和温度进行无接触测量的系统的原理框图。
图2为本发明实施例一提供的同时对熔融金属的元素含量和温度进行无接触测量的系统的结构示意图。
图3、图4分别为本发明实施例二、实施三提供的无接触导光系统中信号光分光光路结构示意图。
图中：
1、计算机，2、时序控制系统，3、脉冲激光器，4、第二光谱仪，5、第一光谱仪，6、辅助真空系统，7、光纤馈入法兰，8、光纤，9、第一透镜，10、第一电控平移台，11、全反射镜，12、第二电控平移台，13、介质膜反射镜，14、第二透镜，15、凹面反射镜，16、凸面反射镜，17、插板阀，18、标准法兰接口，19、真空腔体，20、待测熔融金属，21、介质膜反射镜，22、一分二光纤。
具体实施方式
下面将对本发明实施一例作进一步地详细描述。
本发明的同时对熔融金属的元素含量和温度进行无接触式测量的系统，其较佳的具体实施方式是：
同时对熔融金属的元素含量和温度进行无接触测量的系统，其特征在于，包括无接触式导光系统，所述无接触式导光系统的上方设有脉冲激光器，所述脉冲激光器发出的激光脉冲通过所述导光系统顶部的入口窗进入导光系统，所述导光系统沿激光入射方向自上而下依次设有信号光分光光路和可调焦望远镜，所述信号光分光光路之后连接有第一光谱仪和第二光谱仪，分别耦合进入，所述脉冲激光器、第一光谱仪和第二光谱仪分别与时序控制系统连接，所述时序控制系统、第一光谱仪和第二光谱仪分别与计算机连接，所述无接触式导光系统的下部设有插板阀和标准法兰接口，所述无接触式导管系统的侧壁连接有辅助真空系统。
无接触导光系统中的分光光路包括以下任一种结构形式：
一是采用同一介质膜反射镜配合一分多光纤分光，二是采用固定位置的不同介质膜反射镜分光，三是采用位置可移动的反射镜分时复用光路实现分光。
元素含量检测是基于激光诱导等离子体光谱技术的成分分析方法，测温测量是基于红外光谱测温原理。
所述全反射镜设有第一电控平移台，所述施瓦兹齐德望远镜包括上方的凹面反射镜和下方的凸面反射镜，所述凸面反射镜设有第二电控平移台，所述第一电控平移台和第二电控平移台分别与所述计算机连接。
所述时序控制系统包括脉冲触发器。
所述无接触式探头的下端对准真空腔体，所述真空腔体内装有待测熔融金属。
本发明的同时对熔融金属的元素含量和温度进行无接触测量的系统，核心在于实现元素含量检测和温度测量的有机结合，结构紧凑。同时，导光系统可自动调焦，探测空间范围和波段范围广。适用于冶炼炉体等需要在线进行含量检测和高温测量的场合。
激光诱导等离子体光谱技术在成分检测时，无须样品预处理，可实现远程、多种元素测量，测量时间短，被誉为应用于冶金在线成分检测最具前景的技术之一。红外测温技术因其非接触性，在远程、危险、复杂的环境进行温度测量时，具有安全、快速、无损等优势，是应用普遍的非接触测温技术。
本发明中计算机用于设定时序控制、光谱分析和焦距调节；激光器作为光源发出脉冲激光；时序控制系统通过脉冲输出控制激光器和光谱探测系统；元素含量检测系统用于获得激光诱导等离子体光谱信号；测温系统用于获得熔融金属的红外信号；导光系统用于激光聚焦、等离子体信号光采集和红外光谱采集，焦距可调。
做元素含量检测时，激光器发出激光脉冲，经导光系统聚焦到熔融金属表面，烧蚀产生等离子体，等离子体辐射的信号光再经导光系统采集，由光纤输送到元素含量检测系统，最后计算机对信号光谱做含量分析；
做温度测量时，导光系统直接采集熔融金属辐射的红外光谱，由光纤束输送到温度测量系统，然后计算机对信号光谱做温度分析。
成分检测和温度测量相对独立。在正式元素含量检测或者温度测量之前，都需要利用含量检测系统进行焦距调节。
本发明工作时具体步骤为：
开始测量前，通过计算机发送指令到时序控制系统，发出脉冲触发并打开保护阀门；
时序控制系统发出脉冲触发激光器，发出的脉冲激光经过导光系统聚焦到样品表面，产生的等离子体信号经导光系统采集并由光纤束传输到元素含量检测系统；
计算机分析步骤2中得到的信号光谱的强度，发送指令到电控平台，调节焦距，直到采集到的信号光谱强度最大，即完成自动调焦；
重复步骤2，得到足够可以做含量分析的光谱数据后，由计算机完成元素含量分析；
步骤3完成之后，熔融金属表面的红外信号即可通过导光系统采集，并由光纤束传输到测温系统；
测量完成，关闭阀门。
具体实施例：
如图1、图2所示，本系统中计算机1用于进行时序控制、光谱分析和焦距调节；光源为脉冲激光器3；元素含量检测系统采用第一光谱仪5；温度测量系统采用第二光谱仪4；辅助真空系统6包括机械泵及相关阀门；导光系统中激光聚焦以及信号光采集采用施瓦兹齐德望远镜结构，包括凹面反射镜15、凸面反射镜16和用于调节凸面反射镜位置的精密第二电控平移台12；介质膜反射镜13用于反射等离子体信号光同时透过激光，第一透镜9用于汇聚等离子体信号光并通过光纤馈入法兰7和光纤8导出到第一光谱仪5；全反射镜11用于反射红外信号光，第二透镜14用于汇聚红外信号并通过光纤馈入法兰和光纤导出到第二光谱仪4；插板阀17用于在无需测量时关闭阀门，保护光学元件；整个导光系统与真空腔体19上的标准法兰接口18进行连接。装置中时序控制系统2包括脉冲触发器，用于控制和触发激光器3、第二光谱仪4、第一光谱仪5和插板阀17；待测钢液为20。
本实施例具体工作流程为：
冶炼开始前，插板阀处于关闭状态，真空辅助系统6开始工作，等真空度达到一定要求时，等待冶炼开始；
冶炼开始后，通过计算机1发送指令到时序控制系统2，发出脉冲触发并打开插板阀17；
时序控制系统2发出脉冲触发激光器3，发出的脉冲激光经过观察窗进入导光系统真空腔体，透过介质膜反射镜13反射到凸面反射镜16上，由凹面反射镜15聚焦到熔融金属液20上；产生的等离子体信号沿原光路返回，被介质膜反射镜13反射后，由第一透镜9聚焦并通过光纤馈入法兰7和光纤束8导出到第一光谱仪5，获得LIPS光谱信号；
由计算机记录步骤3中获得的光谱信号强度，然后驱动第二电控平移台12，调节导光系统的焦距；
重复步骤3-4，直到采集到的光谱信号强度最大，即获得导光系统最佳的焦距；
在导光系统的最佳焦距上，重复步骤3，获得足够的光谱数据，由计算机1做含量分析即可得到元素含量信息；
在最佳焦距上，计算机触发第一电控平移台10动作，全反射镜11移动到工作位置；待测熔融金属液的红外光谱信号同样的辐射进入导光系统，经凹面反射镜15和凸面反射镜16反射后，再由全反射镜11反射，由透镜耦合到光纤，再由光纤输送到第二光谱仪4，获得红外光谱信号，最后由计算机1分析得到温度信息；温度测量完成，计算机触发第一电控平移台10动作，全反射镜11移动到准备位置；
完成测量过程后，时序控制系统2触发并关闭插板阀17。
实施例一(图2)是采用位置可移动的反射镜分时复用光路实现分光。实施例二(图3)是采用固定位置的不同介质膜反射镜分光，实施例三(图4)是采用同一介质膜反射镜配合一分多光纤分光。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种同时对熔融金属的元素含量和温度进行无接触测量的系统，其特征在于，包括无接触式导光系统，所述无接触式导光系统的上方设有脉冲激光器，所述脉冲激光器发出的激光脉冲通过所述导光系统顶部的入口窗进入导光系统，所述导光系统沿激光入射方向自上而下依次设有信号光分光光路和可调焦望远镜，所述信号光分光光路之后连接有第一光谱仪和第二光谱仪，分别耦合进入，所述脉冲激光器、第一光谱仪和第二光谱仪分别与时序控制系统连接，所述时序控制系统、第一光谱仪和第二光谱仪分别与计算机连接，所述无接触式导光系统的下部设有插板阀和标准法兰接口，所述无接触式导管系统的侧壁连接有辅助真空系统。
2.根据权利要求1所述的同时对熔融金属的元素含量和温度进行无接触测量的系统，其特征在于，无接触导光系统中的分光光路包括以下任一种结构形式：
一是采用同一介质膜反射镜配合一分多光纤分光，二是采用固定位置的不同介质膜反射镜分光，三是采用位置可移动的反射镜分时复用光路实现分光。
3.根据权利要求1所述的同时对熔融金属的元素含量和温度进行无接触式测量的系统，其特征在于，元素含量检测是基于激光诱导等离子体光谱技术的成分分析方法，测温测量是基于红外光谱测温原理。
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