CN113000802A - 一种连铸结晶器内保护渣厚度测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连铸结晶器内保护渣厚度测量装置及方法，属于连铸结晶器控制技术领域。装置包括安装支架、线性调频连续波雷达，所述线性调频连续波雷达包括发射天线、接收天线、回波信号处理系统，通过安装支架安装在连铸结晶器保护渣的上方，线性调频连续波雷达用于经发射天线发出电磁波信号，回波信号经过回波信号处理系统进行混频、放大、滤波后转换成包含距离信息的差频信号，差频信号经过回波信号处理系统处理后得到粉渣层的厚度以及粉渣层表面位置信息。方法通过装置实现。本发明实现了精准地测量保护渣的厚度。同时精准掌握保护渣厚度还能节省保护渣，降低成本。

Description

一种连铸结晶器内保护渣厚度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及属于连铸结晶器控制技术领域，具体涉及一种连铸结晶器内保护渣厚度测量装置及方法。
背景技术
连铸结晶器是一个钢水制冷成型设备。基本由框架，水箱和铜板(背板与铜板)，调整系统(调整装置，减速机等)；润滑系统(油管油路)，冷却系统和喷淋等设备组成。
结晶器内壁承受着高温钢水的静压力及与坯壳相对运动的摩擦力等产生的机械应力和热应力的综合作用，其工作条件极为恶劣。
结晶器内保护渣在钢水之上形成粉、液二层结构，液渣层厚度严重影响结晶器内传热、润滑性能和铸坯质量。由于保护渣分层厚度测量要求精度高、且环境恶劣，目前仍是急待解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连铸结晶器内保护渣厚度测量装置及方法，以解决在炼钢连铸生产过程中，在结晶器里面的保护渣厚度严重影响钢坯的质量，加渣量过大和过小都会引起不同程度的影响的问题。
具体的，连铸结晶器内保护渣厚度测量装置，包括安装支架、线性调频连续波雷达，所述线性调频连续波雷达包括发射天线、接收天线、回波信号处理系统，通过安装支架安装在连铸结晶器保护渣的上方，线性调频连续波雷达用于经发射天线发出电磁波信号，一部分信号在空气-粉渣界面发生第一次反射被接收天线接收；另一部分信号透射进入粉渣层，在粉渣-熔融渣界面发生第二次反射并透射回空气被接收天线接收，回波信号经过回波信号处理系统进行混频、放大、滤波后转换成包含距离信息的差频信号，差频信号经过回波信号处理系统处理后得到粉渣层的厚度以及粉渣层表面位置信息。
进一步的，所述安装支架为升降支架，所述装置还包括微米直线电机，微米直线电机安装在结晶器铜壁上，微米直线电机用于控制安装支架的升降。
进一步的，所述装置还包括涡流传感器，涡流传感器安装在结晶器铜壁上，涡流传感器用于检测粉渣层表面的位置信息。
另一方面，本发明还提供了一种基于上述装置实现的连铸结晶器内保护渣厚度测量方法，所述方法具体为：
发射天线和接收天线距离保护渣料面的距离为R1，保护渣厚度为R，电磁波信号经发射天线发出后，一部分信号在空气-粉渣界面发生第一次反射被接收天线接收；另一部分信号透射进入粉渣层，在粉渣-熔融渣界面发生第二次反射并透射回空气被接收天线接收，回波信号经过混频、放大、滤波后转换成包含距离信息的差频信号，差频信号经过回波信号处理系统的软件处理后得到粉渣层的厚度以及粉渣层表面位置信息。
本发明的有益效果在于：本发明设计一种连铸结晶器内保护渣厚度测量装置及方法，能够通过毫米波测量系统获得保护渣上表面位置及粉渣层厚度，测量误差在1mm以内。实现了精准地测量保护渣的厚度。同时精准掌握保护渣厚度还能节省保护渣，降低成本。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是本发明方法的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：
毫米波电磁波，可以在空气中良好地传播，因此在远距离可以进行距离的非接触测量。另外，电磁波在不同材料间的界面中产生了反射和透射可以测量从测量对象的表面和背面反射的波，这样就可以测量对象的厚度。毫米波速度取决于传播材料的相对介电常数，而空气因温度不同，相对介电常数几乎不会发生变化，另外，波长为毫米级别，像粉尘一样微米级的粒子不会影响毫米波的传播。因而毫米波特别适合连铸现场。
本发明采用线性频率调制方式的LFMCW(Line Frequency Modulated ContinuousWave)。线性调频连续波(LFMCW)雷达具有以下特点(1)动态范围大，抗干扰能力比较强。(2)结构简单，发射功率低，功耗低。LFMCW雷达无大功率器件的使用，其系统工作电压相对较低，降低了整个系统的功耗；(3)分辨力高。调频带宽决定雷达的分辨力，带宽越宽，雷达分辨力越高。而LFMCW雷达的带宽相比于其他雷达而言比较大，这表明它的最高分辨力相比其他类型的雷达要高。(4)LFMCW雷达发射信号与接收信号是同时进行的，无距离盲区。
本发明的装置如图1所示，图1中包括：线性调频连续波雷达1、微米直线电机2、涡流传感器3、结晶器铜壁4、钢水5、液渣6、粉渣7。
本发明通过研究80GHz调频连续毫米波在空气及保护渣层中的传播特性，并研究中频信号频率估计、相位估计混合测距算法及小波去噪、非线性补偿等与优化的硬件系统设计综合提高测距精度，获得粉渣层厚度。
发射天线和接收天线距离保护渣料面的距离为R1，保护渣厚度为R，电磁波信号经发射天线发出后，一部分信号在空气-粉渣界面发生第一次反射被接收天线接收；另一部分信号透射进入粉渣层，在粉渣-熔融渣(液渣)界面发生第二次反射并透射回空气被接收天线接收，回波信号经过混频、放大、滤波后转换成包含距离信息的差频信号，差频信号经过软件处理后得到粉渣层的厚度以及粉渣层表面位置信息。
雷达发射的线性扫频信号随时间变化的规律如图2所示，其中纵轴表示频率，横轴表示时间，TX为发射信号，RX1和RX2分别为接收机接收到的空气-粉渣层界面和固态渣层-液态渣层界面的回波信号，RX1和RX2与TX具有相同的调制规律，但在时间上RX1和RX2分别滞后TX为τ1＝2R1/C和
Figure BDA0002946546720000031
(R1为天线到粉渣层的距离，R为粉渣层厚度)，fIF1和fIF2为发射信号和两个回波信号的差频，B为调制带宽，T为调制周期。
Figure BDA0002946546720000032
Figure BDA0002946546720000033
则粉渣层厚度R与中频的关系表达式为：
Figure BDA0002946546720000034
其中，C为电磁波在真空中的传播速度，ε为粉渣的相对介电常数，R1为天线到粉渣层上表面的距离.同理可计算天线到粉渣层下表面的距离R2.
将反射高频信号和发
Figure BDA0002946546720000035
射信号进行混频，即发射信号和回波信号相乘，经过滤去高频信号后可得中频信号，该信号的频率为发射信号和回波信号的频率差。
将线性调频连续波雷达测距系统应用到固态粉层测量厚度，首先需要根据应用场合进行系统整体兼容性分析，例如雷达系统的合成器部分对于不同的设备来说，对线性调频带宽的限制不同。中频IF信号通过低通滤波后送至AD转换器，所以需要在IF信号的大小与所选AD转换芯片的采样率之间进行对比设计，权衡折中后得到系统的设计参数。根据上述工作原理可以得到最大测量距离、最大，测量速度、距离分辨率、速度分辨率等理论信息。
上述是通过硬件上分析雷达系统的可靠性，而根据应用场合与被测目标材质的特性以及天线的性能也会影响被测目标的最远探测距离。当天线发出固定功率的信号强度后如何被天线接收，当发射天线的辐射功率密度为
Figure BDA0002946546720000041
时经过目标反射后最终被接收天线捕获的功率为
Figure BDA0002946546720000042
瓦。其中Pt是发射功率，
GTX是发射天线增益，GRX是接收天线增益，σ是代表被测目标的雷达散射截面积。接收器能否探测到目标不仅与接收到的信号功率有关，还与取决于信号的信噪比(SNR)关系，当信噪比最小时，可求得探测最远距离如式(2-6)所示。
Figure BDA0002946546720000043
其中是TF连续波信号一帧持续时间，K是玻尔兹曼常量，T为天线温度。F为噪声系数。
需检测出粉渣层上下表面的返回信号与发射信号的频率差以及粉渣层的相对介电常数，LFMCW雷达就能得到粉渣层的厚度信息。
为此，基于上述分析，结合锯齿波测距原理与系统的综合性能指标，设计工作频率为77–81GHz(对应波长约为4mm)，中心频率77GHz，调频脉冲斜率S为4.8x1013。由此可得系统可测最大距离为19.5m，距离分辨率为0.0375m，这个距离分辨率为雷达系统的固有分辨率。为了进一步提高测量精度，需要应用高精度算法通过数据处理将精度提高至毫米级。利用一种频率相位混合估计算法来比较60GHz和122GHz两种毫米波FMCW雷达的精度。使用这两种雷达获得的最终精度约为几微米。利用高频FPGA或DSP产生的数字三角波调制电压信号控制VCO产生线性扫频信号，经功分器后，分为两路等幅同向的信号：一路信号通过适当的放大作为混频器的本振信号；另一路信号通过功率放大器放大后经发射天线发射出去。经目标反射时延后的回波信号通过低噪声放大器放大和带通滤波器滤波后进入混频器，与发射信号进行混频得到中频信号，该信号经过中频电路处理后进入FPGA或DSP进行小波去噪、存储和处理，得到粉渣层厚度和粉渣上表面位置信息。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种连铸结晶器内保护渣厚度测量装置，包括安装支架，其特征在于，所述装置还包括线性调频连续波雷达，所述线性调频连续波雷达包括发射天线、接收天线、回波信号处理系统，通过安装支架安装在连铸结晶器保护渣的上方，线性调频连续波雷达用于经发射天线发出电磁波信号，一部分信号在空气-粉渣界面发生第一次反射被接收天线接收；另一部分信号透射进入粉渣层，在粉渣-熔融渣界面发生第二次反射并透射回空气被接收天线接收，回波信号经过回波信号处理系统进行混频、放大、滤波后转换成包含距离信息的差频信号，差频信号经过回波信号处理系统处理后得到粉渣层的厚度以及粉渣层表面位置信息。
2.如权利要求1所述的连铸结晶器内保护渣厚度测量装置，其特征在于，所述安装支架为升降支架，所述装置还包括微米直线电机，微米直线电机安装在结晶器铜壁上，微米直线电机用于控制安装支架的升降。
3.如权利要求1所述的连铸结晶器内保护渣厚度测量方法，其特征在于，所述装置还包括涡流传感器，涡流传感器安装在结晶器铜壁上，涡流传感器用于检测粉渣层表面的位置信息。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的连铸结晶器内保护渣厚度测量装置实现的连铸结晶器内保护渣厚度测量方法，其特征在于，所述方法具体为：
发射天线和接收天线距离保护渣料面的距离为R1，保护渣厚度为R，电磁波信号经发射天线发出后，一部分信号在空气-粉渣界面发生第一次反射被接收天线接收；另一部分信号透射进入粉渣层，在粉渣-熔融渣界面发生第二次反射并透射回空气被接收天线接收，回波信号经过混频、放大、滤波后转换成包含距离信息的差频信号，差频信号经过回波信号处理系统的软件处理后得到粉渣层的厚度以及粉渣层表面位置信息。
5.如权利要求4所述的连铸结晶器内保护渣厚度测量方法，其特征在于，所述方法中的粉渣层的厚度测量计算过程为：
TX为发射信号，RX1和RX2分别为接收机接收到的空气-粉渣层界面和固态渣层-液态渣层界面的回波信号，RX1和RX2与TX具有相同的调制规律，但在时间上RX1和RX2分别滞后TX为τ1＝2R1/C和
Figure FDA0002946546710000011
R1为天线到粉渣层的距离，R为粉渣层厚度，fIF1和fIF2为发射信号和两个回波信号的差频，B为调制带宽，T为调制周期；如公式一、公式二所示；
Figure FDA0002946546710000021
Figure FDA0002946546710000022
则粉渣层厚度R与中频的关系表达式为公式三所示；
Figure FDA0002946546710000023
其中，C为电磁波在真空中的传播速度，ε为粉渣的相对介电常数，R1的计算如公式四所示，同理可计算天线到粉渣层下表面的距离R2；
Figure FDA0002946546710000024
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