CN106191416A - 一种钢管感应加热过程中温度场的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢管感应加热过程中温度场的测量装置，包括依次由圆周外至内设置的感应加热线圈、隔热层、耐热层和设置在感应加热线圈内的温度检测传感器，耐热层的内径大于钢管外径，感应加热线圈用来加热钢管，温度检测传感器用来检测钢管加热过程中钢管表面温度，还包括热电偶，热电偶沿钢管圆周固定设置在钢管内壁内，热电偶检测钢管加热过程中钢管内部温度。本发明一种钢管感应加热过程中温度场的测量装置采用在钢管内壁内固定设置热电偶的方式，用温度检测传感器检测钢管加热过程中钢管表面温度，通过热电偶检测钢管感应加热过程中钢管内部温度场的变化。

Description

一种钢管感应加热过程中温度场的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及温度检测领域，尤其涉及钢管在感应加热中的温度检测。

背景技术

利用中频电流的电磁感应加热装置对无缝钢管进行感应加热，在欧美等发达国家已经是一种较成熟的工艺技术，并且在钢管制造、扩径、弯管、补偿加热等方面得到了广泛的应用。相对于一般的燃气加热炉、电阻炉，感应加热方式这种类似“体加热方式”具有加热时间短，加热均匀工艺适应柔性强，从热处理过程的连续化、自动化及热处理后钢管表面质量良好且无严重氧化铁皮的角度考虑，采用中频感应加热的方式对钢管进行连续热处理是最好的选择。被认为是极具发展前途的钢管加热方式，拥有广阔的应用前景，且满足企业对产品个性化加热需求。

感应加热的研究，实际上是对涡流场及温度场进行分析研究，温度场所需的热源是由电磁感应过程产生的涡流功率提供的。在感应加热装置中，引导激励电流的感应线圈的设计和参数是整个加热装置设计的核心所在，只有通过对感应加热涡流场准确的认识，才能对感应线圈的设计和参数及加热过程中钢管的温度变化及分布、加热时间、热流量和热效率等有明确的认识。因此，需要准确的知道感应加热过程中钢管内部温度场的变化。

现有技术中，通常采用非接触测量装置检测感应加热过程中钢管表面温度，不能够获取钢管内部温度场的变化。无法准确获知钢管内部温度变化将影响钢管的进一步加工。

因此，现有技术中的缺陷是，只能通过测量装置检测到感应加热过程中钢管表面的温度，不能够检测钢管内部温度场的变化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种钢管感应加热过程中温度场的测量装置，采用在钢管内壁内固定设置多个热电偶的方式，使用温度检测传感器检测钢管加热过程中钢管表面温度，还可以通过多个热电偶检测钢管感应加热过程中钢管内部温度场的变化。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种钢管感应加热过程中温度场的测量方法，

将温度检测传感器固定于感应加热线圈内，将热电偶固定设置在钢管内壁内，通过所述温度检测传感器检测所述钢管加热过程中的表面温度，通过所述热电偶检测所述钢管加热过程中的内部温度。

第二方面，本发明提供一种钢管感应加热过程中温度场的测量装置，包括依次由圆周外至内设置的感应加热线圈、隔热层、耐热层和设置在所述感应加热线圈内的温度检测传感器，所述耐热层的内径大于钢管外径，所述感应加热线圈用来加热所述钢管，所述温度检测传感器用来检测所述钢管加热过程中钢管表面温度，其特征在于，还包括多个热电偶，多个所述热电偶固定设置在所述钢管内壁内，多个所述热电偶用来检测所述钢管加热过程中钢管内部温度。

本发明提供的技术方案是：依次由圆周外至内设置感应加热线圈、隔热层、耐热层和设置在感应加热线圈内的温度检测传感器，耐热层的内径大于钢管外径，感应加热线圈用来加热钢管，温度检测传感器用来检测钢管加热过程中钢管表面温度，本发明钢管感应加热过程中温度场的测量装置还包括多个热电偶，多个热电偶沿钢管圆周固定设置在钢管内壁内，多个热电偶检测钢管加热过程中钢管内部温度。在感应加热线圈对钢管进行加热时，通过感应加热线圈内设置的温度检测传感器可检测出加热过程中钢管表面温度，将多个热电偶设置在钢管内壁内，通过多个热电偶可以检测到钢管加热过程中钢管内部温度。这样在钢管感应加热过程中即可以获得钢管的表面温度，也可以获得钢管的内部温度。

本发明钢管感应加热过程中温度场的测量装置，采用在钢管内壁内固定设置多个热电偶的方式，在温度检测传感器检测钢管加热过程中钢管表面温度，还可以通过多个热电偶检测钢管感应加热过程中钢管内部温度场的变化。

进一步地，多个所述热电偶分为多组热电偶，所述多组热电偶沿所述钢管中心轴的方向设置，每组热电偶沿所述钢管圆周每隔90°设置在所述钢管内壁中，且所述每组热电偶中的每个热电偶设置间距相同，所述每组热电偶沿所述钢管长度等间距设置。将多个热电偶均匀设置在钢管内壁内，可以使检测到的钢管内部温度更准确，热电偶设置的数量和位置会直接影响温度值检测的准确性，因此将热电偶沿钢管的纵向(钢管内壁厚度)和横向(钢管内壁长度)均匀设置。

进一步地，所述钢管内壁内打多个孔，用来固定多个所述热电偶。热电偶可以通过各种方式固定在钢管内壁内，本发明采用打孔的方式固定热电偶，操作简单，易于实现，且不影响钢管的使用。

进一步地，多个所述孔内填充有绝缘材料。热电偶直接测量温度，然后将温度信号转换成电信号，在对钢管进行加热时，如果热电偶与孔壁接触，则会产生测量误差，因此为了避免这种误差，且为了一定的电绝缘效果，因此在打的孔中填充绝缘材料。

进一步地，所述热电偶包括可拆卸式热电偶、隔爆式热电偶、铠装热电偶或压弹簧固定式热电偶。热电偶根据性能的不同可分为以下几种，可方便拆卸的可拆卸式热电偶；具有隔爆性能的隔爆式热电偶；在热电偶最外面加装一层金属保护的铠装热电偶，加金属保护以避免内部的效用层在运输和安装时受到损坏；还有用压弹簧固定的压弹簧固定式热电偶。根据不同的需求可选择不同的热电偶，本发明中也可以采用上述不同类型的热电偶。

进一步地，还包括显示仪表，所述显示仪表与所述热电偶连接，用来显示检测到的温度。热电偶利用热电势测量温度，将测量到的温度通过配套使用的显示仪表显示出来，方便钢管加工人员查看。

进一步地，所述温度检测传感器包括红外测温传感器、电涡流测温传感器或超声测温传感器。用温度检测传感器检测加热过程中钢管的表面温度，因此温度检测传感器不限于是何种类型的传感器，红外测温传感器是运用红外线检测温度，电涡流测温传感器是运用电涡流检测温度，超声测温传感器是运用超声检测温度，不同的传感器，检测温度的原理不同。

进一步地，所述隔热层的材质为纳米微孔隔热材料。纳米微孔隔热材料主要是由纳米级的二氧化硅制成，这种材料能够使空气在空隙中无法传递热量。再往其中加入纳米级红外遮光剂，便能更加有效地阻止热辐射。由于纳米微孔隔热材料的导热系数非常低，隔热性能也比传统的纤维类的隔热材料好几倍。它也是目前为止隔热效果最好的高温隔热材料，广泛地用于工业炉的外壳包装、轧钢加热炉、鱼雷罐等工业生产领域。

进一步地，所述耐热层的材质为无机化合物。耐热层材料可以分为有机材料和无机化合物材料，其中有机材料多半以有机硅为载体，其最高温度一般不能超过400摄氏度，超过此温度就会发生碳化或者软化，而无机化合物能承受至少1000摄氏度的高温，可见无机化合物可承受的温度更高，因此本发明耐热层材料选择无机化合物。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1示出了本发明第一实施例所提供的钢管感应加热过程中温度场的测量装置的整体剖面示意图；

图2示出了本发明第二实施例所提供的钢管感应加热过程中温度场的测量装置的热电偶位置示意图；

图3示出了本发明第二实施例所提供的钢管感应加热过程中温度场的测量装置的热电偶位置剖面示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一

图1示出了本发明第一实施例所提供的钢管感应加热过程中温度场的测量装置的整体剖面示意图。如图1所示，根据本发明第一实施例的一种钢管感应加热过程中温度场的测量装置包括：

依次由圆周外至内设置的感应加热线圈1、隔热层2、耐热层3和设置在感应加热线圈1内的温度检测传感器5，耐热层3的内径大于钢管4外径，感应加热线圈1用来加热钢管4，温度检测传感器5用来检测钢管4加热过程中钢管4表面温度，还包括多个热电偶6，多个热电偶6固定设置在钢管内壁41内，多个热电偶6用来检测钢管4加热过程中钢管4内部温度。

以钢管4外径为80mm，感应加热线圈1内径为150mm，隔热层2内径为130mm，耐热层3内径为110mm，钢管内壁41厚度为δ＝12mm为例，对钢管4加热过程中的温度检测进行说明。

感应加热线圈1、隔热层2、耐热层3由外至内依次设置，将温度传感器5设置在感应加热线圈1内，耐热层3的内径大于钢管4外径，感应加热线圈1用来加热钢管4，温度检测传感器5用来检测钢管4加热过程中钢管4表面温度，钢管感应加热过程中温度场的测量装置还包括多个热电偶6，多个热电偶6固定设置在钢管内壁41内，多个热电偶6检测钢管4加热过程中钢管4内部温度。在感应加热线圈1对钢管4进行加热时，通过感应加热线圈1内设置的温度检测传感器5可检测出加热过程中钢管4表面温度，将热电偶6设置在钢管内壁41内，通过热电偶6可以检测到钢管4加热过程中钢管4内部温度。这样在钢管感应加热过程中即可以获得钢管4的表面温度，也可以获得钢管4的内部温度。

本发明钢管感应加热过程中温度场的测量装置，采用在钢管4壁内固定设置热电偶6的方式，在温度检测传感器5检测钢管4加热过程中钢管4表面温度，还可以通过热电偶6检测钢管4感应加热过程中钢管4内部温度场的变化。

具体地，钢管内壁内打多个孔，用来固定多个热电偶6。热电偶6可以通过各种方式固定在钢管4的壁内，本发明采用打孔的方式固定热电偶6，操作简单，易于实现，且不影响钢管4的使用。

具体地，多个孔内填充有绝缘材料。热电偶6直接测量温度，然后将温度信号转换成电信号，在对钢管进行加热时，如果热电偶6与孔壁接触，则会产生测量误差，因此为了避免这种误差，且为了一定的电绝缘效果，因此在打的孔中填充绝缘材料。

具体地，热电偶6包括可拆卸式热电偶6、隔爆式热电偶6、铠装热电偶6或压弹簧固定式热电偶6。热电偶6根据性能的不同可分为以下几种，可方便拆卸的可拆卸式热电偶6；具有隔爆性能的隔爆式热电偶6；在热电偶6最外面加装一层金属保护的铠装热电偶6，加金属保护以避免内部的效用层在运输和安装时受到损坏；还有用压弹簧固定的压弹簧固定式热电偶6。根据不同的需求可选择不同的热电偶6，本发明中也可以采用上述不同类型的热电偶6。

具体地，还包括显示仪表，显示仪表与热电偶6连接，用来显示检测到的温度。热电偶6利用热电势测量温度，将测量到的温度通过配套使用的显示仪表显示出来，方便钢管4加工人员查看。

热电偶6测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势—热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect)。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶6具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶6所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶6测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。

具体地，温度检测传感器5包括红外测温传感器、电涡流测温传感器或超声测温传感器。用温度检测传感器5检测加热过程中钢管4的表面温度，因此温度检测传感器5不限于是何种类型的传感器，红外测温传感器是运用红外线检测温度，电涡流测温传感器是运用电涡流检测温度，超声测温传感器是运用超声检测温度，不同的传感器，检测温度的原理不同。

具体地，隔热层2的材质为纳米微孔隔热材料。隔热层2材料有很多，纳米微孔隔热材料主要是由纳米级的二氧化硅制成，这种材料能够使空气在空隙中无法传递热量。再往其中加入纳米级红外遮光剂，便能更加有效地阻止热辐射。由于纳米微孔隔热材料的导热系数非常低，隔热性能也比传统的纤维类的隔热材料好几倍。它也是目前为止隔热效果最好的高温隔热材料，广泛地用于工业炉的外壳包装、轧钢加热炉、鱼雷罐等工业生产领域。

由图1可以看出，隔热层2的厚度为20mm，经试验验证，隔热层2的厚度设置太薄，起不到隔热的作用，厚度设置太厚会影响感应加热线圈1对钢管4的加热，因此经试验验证隔热层2的厚度为20mm时，隔热保温效果最佳。

具体地，耐热层3的材质为无机化合物。耐热层3材料可以分为有机材料和无机化合物材料，其中有机材料多半以有机硅为载体，其最高温度一般不能超过400摄氏度，超过此温度就会发生碳化或者软化，而无机化合物能承受至少1000摄氏度的高温，可见无机化合物可承受的温度更高，因此本发明耐热层3材料选择无机化合物。由图1可以看出，耐热层3的厚度为20mm，耐热层3设置在隔热层2的下面，减少热损失。

实施例二

图2示出了本发明第二实施例所提供的钢管感应加热过程中温度场的测量装置的热电偶位置示意图。由于对钢管内壁41进行打孔设置多个热电偶6，因此会对钢管4的温度场造成破坏，测得数据的准确性也会受到影响，因此为了使测得的温度准确性更好，将多个热电偶(第一热电偶61，第二热电偶62，第三热电偶63和第四热电偶64)沿着钢管4长度，等间距安装在钢管内壁41内。如图2所示，根据钢管4的长度，将多个热电偶6按照A、B、C三点等距离设置在钢管内壁41内。

图3示出了本发明第二实施例所提供的钢管感应加热过程中温度场的测量装置的热电偶位置剖面示意图。第一热电偶61，第二热电偶62，第三热电偶63和第四热电偶64沿钢管4圆周四个方向根据钢管内壁41的厚度等间距设置在钢管41壁内。如图所示，沿钢管4圆周每隔45度设置一个热电偶6。如果钢管内壁41的厚度为δmm，定义钢管4的内边沿处为0mm处，钢管4外边沿处为δmm处，另外在0mm至δmm之间分别设置1/3δmm处和2/3δmm处，根据这四个点，分别将第一热电偶61，第二热电偶62，第三热电偶63和第四热电偶64沿钢管4圆周四个方向设置。0mm处设置第一热电偶61，1/3δmm处设置第二热电偶62，2/3δmm处设置第三热电偶63，δmm处设置第四热电偶64。由于本实施例中钢管内壁41的厚度为12mm，因此只根据钢管内壁41分厚度等间距分成四个点进行热电偶6的埋设，实际可以根据钢管内壁41厚度的变化增加或减少热电偶6的数量，以增加检测钢管4内部温度的准确性。

根据钢管内壁41的厚度，对第一热电偶61，第二热电偶62，第三热电偶63和第四热电偶64进行埋设，第一热电偶61，第二热电偶62，第三热电偶63和第四热电偶64可不在钢管4的同一个横截面上，结合钢管4的长度和钢管内壁41的厚度，均匀埋设多个热电偶6。

将多个热电偶6均匀设置在钢管内壁41内，可以使检测到的钢管4内部温度更准确，热电偶6设置的数量和位置会直接影响温度值检测的准确性，因此将热电偶6沿钢管4的纵向(钢管4壁厚度)和横向(钢管4壁长度)均匀设置，可以使测量到的温度更准确。

综上，本发明钢管感应加热过程中温度场的测量方法及装置，在感应加热线圈1对钢管4进行加热时，通过感应加热线圈1内设置的温度检测传感器5可检测出加热过程中钢管4表面温度，将多个热电偶6设置在钢管内壁41内，通过多个热电偶6可以检测到钢管4加热过程中钢管4内部温度。这样在钢管4感应加热过程中即可以获得钢管4的表面温度，也可以获得钢管4的内部温度，且通过多个热电偶6在钢管内壁41内的均匀设置，可使检测到的温度更加准确。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种钢管感应加热过程中温度场的测量方法，其特征在于，将温度检测传感器固定于感应加热线圈内，将热电偶固定设置在钢管内壁内，通过所述温度检测传感器检测所述钢管加热过程中的表面温度，通过所述热电偶检测所述钢管加热过程中的内部温度。

2.一种钢管感应加热过程中温度场的测量装置，包括依次由圆周外至内设置的感应加热线圈、隔热层、耐热层和设置在所述感应加热线圈内的温度检测传感器，所述耐热层的内径大于钢管外径，所述感应加热线圈用来加热所述钢管，所述温度检测传感器用来检测所述钢管加热过程中钢管表面温度，其特征在于，还包括多个热电偶，多个所述热电偶固定设置在所述钢管内壁内，多个所述热电偶用来检测所述钢管加热过程中钢管内部温度。

3.根据权利要求2所述钢管感应加热过程中温度场的测量装置，其特征在于，多个所述热电偶分为多组热电偶，所述多组热电偶沿所述钢管中心轴的方向设置，每组热电偶沿所述钢管圆周每隔90°设置在所述钢管内壁中，且所述每组热电偶中的每个热电偶设置间距相同，所述每组热电偶沿所述钢管长度等间距设置。

4.根据权利要求2所述钢管感应加热过程中温度场的测量装置，其特征在于，所述钢管内壁内打多个孔，用来固定多个所述热电偶。

5.根据权利要求4所述钢管感应加热过程中温度场的测量装置，其特征在于，多个所述孔内填充有绝缘材料。

6.根据权利要求2所述钢管感应加热过程中温度场的测量装置，其特征在于，所述热电偶包括可拆卸式热电偶、隔爆式热电偶、铠装热电偶或压弹簧固定式热电偶。

7.根据权利要求2所述钢管感应加热过程中温度场的测量装置，其特征在于，还包括显示仪表，所述显示仪表与所述热电偶连接，用来显示检测到的温度。

8.根据权利要求2所述钢管感应加热过程中温度场的测量装置，其特征在于，所述温度检测传感器包括红外测温传感器、电涡流测温传感器或超声测温传感器。

9.根据权利要求2所述钢管感应加热过程中温度场的测量装置，其特征在于，所述隔热层的材质为纳米微孔隔热材料。

10.根据权利要求2所述钢管感应加热过程中温度场的测量装置，其特征在于，所述耐热层的材质为无机化合物。