CN1063546C

CN1063546C - 熔质内部高温跟踪测量方法及装置

Info

Publication number: CN1063546C
Application number: CN 96117674
Authority: CN
Inventors: 王贵朝; 田建华; 余泉有; 吕秀生; 何丽华; 谭显祥; 丁伯南; 傅世勤; 刘勇; 冯婕
Original assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Current assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Priority date: 1996-08-23
Filing date: 1996-08-23
Publication date: 2001-03-21
Anticipated expiration: 2016-08-23
Also published as: CN1174986A

Abstract

熔质内部高温跟踪测量方法及装置，其方法以待测光源的辐亮度与标准光源的辐亮度比较为基础，包括采光、调光、分光、光电转换、信号放大、判读、计算及温度值输出；其装置由感温探头、光缆、多波长高温计和配有专用软件的数据存储分析仪构成。感温探头主要由金属氧化物单晶，保护壳及高低温光导耦合器组成。可测高温1000-2000℃，测温误差小于0.5%，耐高温、抗腐蚀、抗热震、抗氧化，可重复使用，连续跟踪测温，寿命长，用途广泛。

Description

熔质内部高温跟踪测量方法及装置

本发明涉及高温熔质内部的温度测量方法及专用于该方法的温度测量装置。

在本发明作出以前，国内外在冶炼工业中常用的高温测量方法多用铂一铑热电偶法。近年来又研制出钨一铼热电偶法(见《钨一铼热电偶》北京钢铁研究总院编，冶金部出版社出版，1993年)。它们均属于热电偶方法。热电偶的寿命仅为十几秒，不仅寿命短，使用这类方法不能对熔质内部温度进行跟踪测量，而且经常得出假信号，精度低，最终导致产品报废。为了提高热电偶的测量可信度，中国首都钢铁公司仪器仪表厂于1991年研究成功了测温系统的数据自动采集方法及装置，能以每秒4次的采样速率提高测试精度。但由于没有改变热电偶传感方式，因此未能从根本上改变间歇式测量手段，不能实现熔质内部温度的跟踪连续测量。1992年中科院西安光机所研制成功双波长光纤温度传感器，但只能测量物体表面温度，不能用于测量熔质内部温度。此外，美国哈里金钢石研究所和美国标准局研制出了“射流毛细管高温计”(见《科学和工业中的温度测量与控制》中译本(下册)；科学出版社，1985年)，其特点是利用气体工作介质的粘性随温度而变化的性质，通过粘性与温度的相关性确定温度。上述高温测量方法及装置均只限于在工业真空炉和高温空气炉中应用，不能应用于高温、强氧化、强侵蚀、强冲刷的金属冶炼工业领域。

本发明的目的是提供一种新型高温测量方法及装置，旨在能够进行熔质内部高温的连续跟踪测量，该装置能够耐高温、抗氧化、抗侵蚀，可用于工业高温熔炉、内燃机燃烧室、喷气发动机燃烧室的内部温度诊断测量。

本发明的目的是通过下述方案实现的。

熔质内部高温跟综测量方法是将待测物光辐射的辐亮度与标准光源的辐亮度进行比较、从而测出待测熔质内部温度，其具体步骤是：

1)采集熔质内部光辐射，通过光缆将其传输给多波长高温计；

2)将采集到的高温熔质内部的光辐射调制为间断光并将其分解成不同波长的光；

3)用光电转换方法将第2)步所得光信号转换成电信号；

4)将第3)步所得电信号放大；

5)利用电脑及数据采集控制处理软件和温度计算专用软件将电信号换算为温度数值并绘出熔质内部温度随时间变化的曲线。

本发明熔质内部高温跟踪测量方法的基本原理如下：

本发明的高温计是以普朗克热辐射理论为基础，将待测光源的辐亮度与标准光源的辐亮度进行比较，从而测得待测熔质光源温度。

对于发射率为ε的灰体光源，其辐亮度由普朗克公式给出：j(λ,T)=εJ(λ,T) (1)其中J(λ,T)为ε=1，温度为T的绝对黑体的辐射亮度，

J (λ, T) = C_{1} λ^{- 5} {[e^{\frac{C_{2}}{λT}} - 1]}^{- 1} - - - (2)

对于实际测量而言，测量量是λ_i和j_i(λ_i)，考虑到实验测量误差ν_i，则(1)式应为：根据最小二乘法原理，就是从(4)式求出满足ν_i取最小值时的ε和T的值，即：

将(7)、(9)、(10)、(11)联立求解，就可以得出ε、T。上述方程组求解起来比较麻烦，其实方程(7)还有一个特解，即：

这样，由(9)和(10)等于零求解就得出：

实践表明，用(13)得出的结果与用(7)、(9)、(10)、(11)联立求解的结果是一致的。

熔质内部高温跟踪测量装置，由感温探头、多波长高温计和数据存储分析仪构成。感温探头中心为一圆柱体形状的金属氧化物单晶，在该单晶圆柱体周围套装有一个筒形的特种陶瓷保护壳，该单晶圆柱体的后端有一高低温光导耦合器及夹层套筒形的水冷却器。其特种陶瓷保护壳筒体内腔为圆筒形，该保护壳外形可以为圆柱形或棱柱形。其后部的高低温光导耦合器的内腔及外形与特种陶瓷保护壳的内腔及外形相同，水冷却器夹层套筒的内腔形状与特种陶瓷保护壳及高低温光导耦合器的外形相同并吻合。感温探头通过光缆与多波长高温计连接。多波长高温计由光缆插座，圆盘形的光调制及波长选择器，光电转换器及跟随放大器构成。其光调制及波长选择器圆面上从前面到后面分别贯穿嵌装有二至七块圆形窄带滤光片。多波长高温计通过电缆与数据存储分析仪连接。

本发明的实施例结合附图说明给出。

附图说明：

图1，熔质内部高温跟踪测量装置总体结构图；

图2，感温探头中心纵剖面结构图；

图3，多波长高温计总体结构图；

图4，光调制及波长选择器结构图；

图5，跟随放大器电路图；

图6，数据存储分析仪原理方框图；

图7，感温探头嵌入式安装示意图；

图8，本发明用于10％铬钢钢水测温结果图；

图9，多波长高温计标定原理图。

图中序号含义：1.光缆，2.多波长高温计，3.电缆，4.数据存储分析仪，5.感温探头，6.待测熔质，7.熔炉，8.陶瓷保护壳，9.进水口，10.冷却水，11.水冷却器，12.高低温光导耦合器，13.出水口，14.金属氧化物单晶圆棒，15.光缆插头，16.窄带滤光片，17.光调制及波长选择器，18.驱动马达，19.光电转换器，20.高压电源，21.跟随放大器，22.低压电源，23.信号输出电缆，24.配重片，25.CPU(NPU)，26.键盘，27.高分辨率显示器，28.程控放大器，29.A/D转换器，30.高速双口缓冲器，31.存储管理控制器，32.显示控制器，33.软盘控制器，34.软盘，35.对接法兰，36.熔炉外壳，37.熔炉壁，38.Y轴指示钢水温度(K)，39.10％铬钢钢水温升曲线，40.X轴指示时间(min)，41.黑体炉，42.反射镜，43.标准光电高温计，44.光学透镜。

实施例1，感温探头(图2)及采光：

感温探头5的中心为圆柱体形状的金属氧化物单晶，直径0.50-5mm，长度300-1000mm，可采用Al₂O₃单晶或MgO单晶制作。该金属氧化物单晶圆棒14的四周被陶瓷保护壳8包围，其前端爆露在外，其后端被高低温光导耦合器12包围和密封，其后端中心连接有光缆1，该光缆从高低温光导耦合器12中间伸出，接入多波长高温计2，陶瓷保护壳8由TiB₂加入适量的高温氧化物(如Al₂O₃、MgO等)压制成型再经高温烧结而成，也可热压成型，具有抗氧化、抗热震、抗侵蚀的特点，可保护感温探头5中心的金属氧化物单晶14不碎裂。同时，它又具有良好的导热性，能在流动熔质的冲刷、磨蚀下保证金属氧化物单晶能有效地采光和传光。该种陶瓷保护壳8的内腔与圆柱形的金属氧化物单晶14的四周外表面吻合。其外形为园柱形，可为正四棱柱或正六棱柱等，高、低温光纤的耦合对接由Al、Cu、Fe等金属螺母联结，使高、低温光纤端面间留有1-5mm的间距。水冷却器11两端用金属Al、Cu、Fe等环片焊封形成包围在高低温光纤耦合器12周围的空腔。在空腔的前、后部侧壁上设有进水口9和出水口13，该空腔长5-20cm。水冷却器11借助于流动的冷水可将感温探头5从熔质中传出的热量及时吸收带走，以保证低温光纤能长期工作。感温探头5后端的光缆由石英光纤制成，芯径50-100μm，数值孔径N_A=0.16-0.20，长度一般为30-200m，它可将感温探头5采集到的熔质内部的光辐射能传至多波长高温计2。

实施例2，多波长高温计(图3、图4)及光调制、光波长选择、光电转换和电信号放大：

多波长高温计2依次由光缆1、光缆插座15、光调制及波长选择器17、光电转换器19、跟随放大器21及信号输出电缆23构成。光缆1与感温探头5的光缆1相同。光调制及波长选择器17(图4)为一个直径为φ80-150mm的金属圆盘，该圆盘由一个高速马达驱动，可以绕其圆心旋转。该金属圆盘在表面的一个圆圈上贯穿性嵌有2-7块不同波长的窄带滤光片16及1个配重片24，滤光片16的中心波长可在0.7-1.1μm之间选择2-7个不同波长作为工作波长，最好在0.7-1.1μm之间均匀分布或接近均匀分布。滤光片的半高宽为10-20nm，透过率不低于50％。滤光片16一方面可以将光缆1传来的光束调制为间断光，以保护光电转换器件，另一方面可以将光缆1传来的白光分解成不同波长的光，以便以多波长光来确定出温度。光电转换器19选用S₁型光阴极材料制作的光电倍增管，其分压器按生产厂家给出的参考参数制作，阴极灵敏度大于9mA/lm，增益大于10⁵，上升时间小于5ns。光电转换器19由高压电源20供电，其作用是将由光缆1传来、穿过光调制及波长选择器17上的滤光片16而射入的光信号转换成电信号。跟随放大器21可将该电信号放大，图5给出的电路图是在光电转换元件的负载电阻是高阻抗电阻时，为了避免信号发生反射而采用的跟随放大器参考线路图。跟随放大器21由低压电源22供电。高压电源20技术要求是，输出电压范围500-2000V连续可调，稳定度8小时漂移小于0.1％，输出电流2A/路，输出路数2路。低压电源22的指标：电压10-50V.D.C。

实施例3，数据存储分析仪(图6)及熔质温度的读写：

数据存储分析仪4的主要组成部分为：计算机为工业级486，内存4M，硬盘540M，监视器9″或14″，数据采集板采样速率20MSPS，双通道，分辨率8bit，精度1％。此外，数据存储分析仪4还包括数据采集控制处理软件和温度计算专用软件。数据存储分析仪4及其部件，可以从市场上购得，经过选择，可以适合本发明使用，将电信号换算为温度数值并绘出熔质内部温度随时间变化的曲线。

实施例4，多波长高温计的标定(图9)：

使用本发明测温前，需要对多波高温计2进行标定，以确定其系统常数。标定的原理和方法如下：

标定时先将反射镜42转向标准光电高温计43测量黑体炉41温度，再将反射镜42转向光学透镜44，使黑体炉41的发光面成像在感温探头5处。标准光源的光经高、低温光纤传给多波长高温计2，进行光电转换后传输至数据存储分析仪，当多波长高温计接受到的光能处于其线性范围时，数据存储分析仪记录的信号幅度(电压)与光纤采集的光能成正比，即：

h_{0} (λ) = K (λ) . K_{1} . K_{2} K_{3} \frac{\sin^{2} α_{0}}{\sin^{2} a_{c}} eJ (λ, T_{0}) - - - (14)

其中：K(λ)－多波长高温计的系统常数(在波长λ时)，

K₁－光学透镜的透过率，

K₂－光源窗口玻璃透过率，

K₃－反射镜的反射率，

α₀为光纤的数值孔径角，

a_o为透镜的相对孔径角。当给定T_o后，只要确定相应的信号幅度h_o(λ)后，就可求出系统常数K(λ)。单个温度点的标定往往使K(λ)值不够精确，要扩宽测温范围，会使测量结果产生较大误差，最好的办法是在整个测温范围内采用多点标定。多点标定时可用下式对标定点进行拟合，确定出K(λ)值。

实施例5，色温测量：

除了用公式〔7〕〔9〕〔10〕〔11〕联立求解或直接用(13)式计算出温度外，还可用两个波长下辐亮度之比值确定出待测光源的色温。色温也叫颜色温度，是科学和工业上应用最广的接近发射体真实温度的一个假设温度。其定义为：当黑体与非黑体在两个波长λ1和λ2下的单色辐射亮度之比相等时，则称黑体的温度为非黑体的颜色温度。

根据色温的定义，利用维恩辐射定律，可导出色温的计算公式：

λ₁和λ₂是两个观测波长(m)；h₁，h₂是光电转换后输出信号的幅度(V)；α为测试系统常数，通过标定确定。

实施例6，本发明装置的实验室标定：

根据实施例5介绍的色温测量原理，利用多波长高温计的任意两个波长可实现色温测量。但需通过标定确定其系统常数α。

利用钨灯确定系统常数α，进行实验室标定的方法如下：

由色温的计算公式(16)可得出：

e^{\frac{K}{T_{c}}} = α (\frac{h_{1}}{h_{2}}) - - - (17)

在实验测量中，由于存在测量误差，只有在(17)式中加上残差才能成立：

e^{\frac{K}{T_{c}}} = α (\frac{h_{1}}{h_{2}}) + ν - - - (18)

为了减小测量误差，一般采用多点标定。在标定时，改变标准光源温度T_coi(i=1,…,n)，确定出多波长温度计对每个T_coi的响应幅度h_1oi，h_2oi(i=1,…,n)这样就得到了如下的条件方程：

e^{\frac{k}{T_{coi}}} = α (\frac{h_{1 oi}}{h_{2 oi}}) + v_{i} (i = 1, . . ., n) - - - - (19)

Σ_{i = 1}^{n} ν_{i}^{2} = Σ_{i = 1}^{n} [e^{\frac{K}{T_{coi}}} - α (\frac{h_{1 oi}}{h_{2 oi}})] - - - (20)

根据最小二乘法原则，就是选取一个α值，使得

Σ_{i = 1}^{n} ν_{i}^{2}

取得最小值，即

\frac{d}{dα} Σ_{i = 1}^{n} ν_{i}^{2} = 0 - - - (21)

从而就可以得出：

α = Σ_{i = 1}^{n} (\frac{h_{1 oi}}{h_{2 oi}} e^{\frac{K}{T_{coi}}}) / Σ_{i = 1}^{n} {(\frac{h_{1 oi}}{h_{2 oi}})}^{2} - - - (22)

实施例7，本发明装置的操作：

1)本实用新型装置的总体组装(图1，图7)：

(1)将感温探头5与石英光缆1对接在一起，注意在拧紧耦合螺母时，防止光缆随螺母转动，以防光缆折断；

(2)将水冷却器11的进出水口9、14的水管接上；

(3)将石英光缆1另一端插接在多波长高温计2的光输入插头15上；

(4)将多波长高温计2的信号输出插头上接好信号输出电缆23，将信号输出电缆23的另一端接在数据存储分析仪4的信号输入插口上；

(5)将多波长高温计2、数据存储分析仪4的电源线分别插接在220V，50Hz的电源插接板上。

2)测试准备：

(1)测试开始前30分钟，打开多波长高温计2的高压电源开关，电压表上显出500V左右的电压指示，5分钟后，转动高压旋扭，使电压表上的示数达到预定值(该值在标定时确定，并在使用说明书中给出)；

(2)打开数据存储分析仪4电源开关，检查各项功能是否正常，按测量需要设置好各种参数；

(3)测量前5分钟，打开多波长高温计2的跟随放大器21的低压电源22，该开关上的指示灯“亮”；

(4)测量前2分钟，打开驱动器马达18的电源，调制分光器开始转动工作。

3)测量：

(1)单点测量：单点测量是指将感温探头5安装在一个固定点上(如将感温探头嵌入炉壁图7或从炉顶插入的固定式)，探头5不再移动；

(2)多点测量：多点测量可通过改变感温探头5的插入位置来实现，测量不同深度的温度变化，可通过改变探头5的插入深度来完成；

如果在同一时刻要求测量不同地点的温度，则应采用多个感温探头5同时并用，分别放置于不同测点来实现；

(3)测量的起动和进行：

①在完成测试准备后，只需在数据存储分析仪4上给出“RUN”指令，测量工作将按预先设定的程序自动进行；测量结果将在显示器上按设定时间步长定时显示温度结果，并显示出温度随时间的变化曲线：

②当温度达到设定温度时，数据存储分析仪4将发出铃声，提醒升(降)温已达到预定值，并发出必要的主控信号(切断加热电源或打开加热电源等)；

4)关机：

(1)将高压调节旋扭旋至最小，电压表示数降至500V左右；

(2)关闭高压电源21的开关；

(3)关闭跟随放大器22、低压电源23的开关；

(4)关闭驱动马达18的开关；

(5)关闭数据存储分析仪4的电源；

(6)拔掉数据存储分析仪4和多波长高温计工的电源线。

图8为用本发明装置实际测定10％铬钢钢水温度的升温曲线图。

本发明具有如下特点：

1．本发明感温探头由于采用了近年来新开发出的特种陶瓷和耐高温光纤，因而可插入1000-2000℃熔融介质(如AL,Cu,Fe及其合金等)中而不被侵蚀，损坏，可耐高温、不熔化、不腐蚀、抗氧化、抗垫震、不炸裂、不掉渣，可重复多次使用，可连续工作一个月以上，其寿命长于一个炉龄。

2．由于使用光纤传感并结合光电子、计算机部件，从而实现了冶炼炉中熔质内部高温的精确、连续、跟踪测量，测量误差小于0.5％。为冶炼业以温度为基准、实现自动化提供了可靠测试手段。

3．用途广泛，可用于工业高温炉、内燃机燃烧室、喷气发动机燃烧室等的内部温度诊断测量。

Claims

1．熔质内部高温跟踪测量方法，其特征是将待测物光辐射的辐亮度与标准光源的辐亮度进行比较，从而测出待测熔质内部温度，具体步骤是：

1)采集溶质内部光辐射，通过光缆将其传输给多波长高温计；

2)将采集到的高温熔质内部的光辐射调制为间断光并分解成不同波长的光；

3)用光电转换方法将第2)步所得光信号转换成电信号；

4)将第3)步所得电信号放大；

2．熔质内部高温跟踪测量装置，其特征是由感温探头、多波长高温计和数据存储分析仪构成，感温探头通过光缆与多波长高温计连接，多波长高温计同时又通过电缆与数据存储分析仪连接，感温探头中心为一圆柱体形状的Al2O3单晶或MgO单晶该单晶圆柱体周围有一个筒形的陶瓷保护壳，该单晶圆柱体的后端有一高低温光导耦合器及夹层套筒形的水冷却器，多波长高温计由光缆插座、圆盘形的光调制及波长选择器、光电转换器及跟随放大器构成。

3．按照权利要求2的高温测量装置，其特征是感温探头的陶瓷保护壳筒体内腔为圆筒形，该保护壳外形可以为圆柱形或棱柱形，高低温光导耦合器的内腔及外形与陶瓷保护壳的内腔及外形相同，水冷却器夹层套筒内腔形状与陶瓷保护壳及高低温光导耦合器的外形相同并吻合。

4．按照权利要求2的高温测量装置，其特征是在多波长高温计的光调制及波长选择器上从前面到后面贯穿嵌装有二至七块圆形窄带虑光片。