PL248170B1 - Głowica pomiarowa przeznaczona do urządzenia do optycznego pomiaru wysokich temperatur - Google Patents

Abstract

Głowica urządzenia do optycznego pomiaru wysokich temperatur, zawierającego głowicę pomiarową i układ detekcyjny, połączone elementem transmitującym w postaci głównego światłowodu, przekazującym promieniowanie cieplne ze źródła termicznego do układu detekcyjnego charakteryzuje się tym, że głowicę pomiarową stanowią tuleje ceramiczne (7) w liczbie n ≥ 1, zawierające układy optyczne.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest głowica pomiarowa przeznaczona do urządzenia do optycznego pomiaru wysokich temperatur w procesie spalania, zgazowania lub przetwórstwie metali, szczególnie w piecach do spalania, zgazowania lub kadziach hutniczych.

Z opisu patentowego PL225056 znana jest sonda światłowodowa do pomiaru wysokich temperatur w reaktorze podziemnego zgazowania węgla, udostępnionego otworami pionowymi z powierzchni, zawierającej współpracujący ze światłowodem pręt transmitujący promieniowanie optyczne. Światłowód jest umieszczony w elastycznym płaszczu ochronnym, którego górny koniec jest połączony z wlotowym pulsacyjnym dozownikiem powietrza, a dolny koniec ma dwie przeciwnie skierowane wylotowe dysze i jest połączony z pomiarową głowicą. Pomiarowa głowica jest utworzona z trzech zagiętych prętów, najlepiej kwarcowych, transmitujących promieniowanie optyczne, ustawionych w płaszczyźnie poziomej pod kątem 120° względem siebie i połączonych optycznie z wejściem światłowodu.

Pulsacyjne przedmuchiwanie elastycznego płaszcza ochronnego powietrzem wypływającym przez wylotowe dysze wywołuje efekt pary sił, obracających płaszcz ze światłowodem. Obrót światłowodu w przeciwną stronę następuje wskutek reakcji sprężystej elastycznego płaszcza, a kolejny nadmuch powietrza wywołuje jego obrót w przeciwnym kierunku. Ruch ten jest przenoszony na pomiarową głowicę, a tym samym któryś z zagiętych prętów transmitujących promieniowanie optyczne będzie miał zawsze kontakt optyczny z poziomym otworem kanału prowadzącego do wnętrza reaktora, przez co jest możliwa rejestracja tego promieniowania na powierzchni i odczyt temperatury z jego charakterystyk emisyjności.

Z opisu patentowego US4278349 znane jest także światłowodowe urządzenie do pomiaru temperatury, które opiera się na zdolności niektórych materiałów do zmiany koloru w zależności od zmian temperatury. Widoczne lub niewidzialne światło o co najmniej dwóch różnych długościach fali jest dostarczane do materiału, a światło emitowane przez materiał jest wykrywane w celu określania zmian właściwości absorpcji materiału przy emitowanych falach poprzez określenie ilorazu między wykrytymi sygnałami z materiału.

Z opisu patentowego US4652143 znane jest również rozwiązanie dotyczące optycznej techniki pomiaru temperatury, która wykorzystuje rozkładającą się intensywność luminescencji charakterystyczną dla czujnika złożonego z luminescencyjnego materiału wzbudzanego luminescencją za pomocą impulsu świetlnego lub innego okresowego lub przerywanego źródła promieniowania. Emisje luminescencyjne z korzystnego czujnika wykazują w przybliżeniu wykładniczy zanik z czasem, który jest średnią z rozkładu powtarzalnych chemicznie krystalitów i są powtarzalne z wysokim stopniem dokładności, niezależnie od poziomu wzbudzenia lub historii wcześniejszych temperatur czujnika.

Z opisu patentowego US2004007668 znane jest urządzenie do pomiaru temperatury za pomocą światłowodu mającego obszar sprzężenia radiacyjnego i obszaru sprzężenia promieniowania związanego z detektorem. Takie urządzenie charakteryzuje się tym, że włókno światłowodowe jest skonstruowane z wysoką transmisją w zakresie spektralnym w podczerwieni (IR).

Z opisu patentowego US6357910 znany jest też pirometr do pomiaru temperatury przedmiotu umożliwiający pomiar temperatury z jednego punktu czy kierunku, zawierający, wykorzystujący zarówno techniki pirometrii wielofalowej, jak i nanotechnologię. Promieniowanie od obiektu jest przesyłane kablem światłowodowym, odbierane przez cienkowarstwowy modulator o wielu długościach fal i wykrywane przez układ detektorów optycznych. Dokładniej, pirometr zawiera środki do przenoszenia światła; soczewka optyczna; światłowód; środki do optycznej modulacji długości fali światła; środki do optycznego wykrywania modulowanego światła; środki do przekształcania optycznie wykrytych długości fal na sygnały elektryczne; oraz środki do przetwarzania i rejestracji sygnałów elektrycznych. Środki do optycznej modulacji długości fali obejmują co najmniej jedną warstewkę piezoelektryczną osadzoną metodą samoorganizacji elektrostatycznej. Pirometr może być wykonany jako urządzenie w trybie kontaktowym lub bezkontaktowym, z których oba są odpowiednie do użytku w nieprzyjaznym środowisku, takim jak kocioł, gazogenerator, piec.

Niedogodnością tego rozwiązania jest to, że zbiera dane pomiarowe z jednego kierunku.

Rozwiązania znane ze stanu techniki wykorzystują pręty kwarcowe, światłowody lub ich wiązki do transmisji promieniowania cieplnego ze źródła termicznego do układu detekcyjnego. Niedogodnością urządzeń tego typu jest to, że nie umożliwiają one równoczesnego zbierania danych pomiarowych z różnych kierunków i przesyłania ich do układu detekcyjnego za pośrednictwem jednego, głównego światłowodu.

Istotą wynalazku w postaci głowicy pomiarowej przeznaczonej do urządzenia do optycznego pomiaru wysokich temperatur, zawierającego głowicę pomiarową i układ detekcyjny, połączone elementem transmitującym w postaci głównego światłowodu, przekazującym promieniowanie cieplne ze źródła termicznego do układu detekcyjnego jest to, że głowicę pomiarową stanowią przynajmniej dwie tuleje ceramiczne zawierające układy optyczne, ustawione w płaszczyźnie poziomej pod kątem nie większym niż 120° względem siebie, a przy tym układ optyczny każdej tulei ceramicznej stanowi osadzona na końcu tulei ceramicznej kulista soczewka szafirowa albo kwarcowa i osadzony we wnętrzu tulei ceramicznej krótki światłowód, zaś końce tulei ceramicznych, od strony układu detekcyjnego urządzenia, zamknięte są przesłoną z otworem niecentrycznym w postaci szczeliny.

Korzystnym skutkiem wynalazku jest ograniczenie wad i niedogodności znanych rozwiązań poprzez umożliwienie równoczesnego zbierania danych pomiarowych w szerokim zakresie, z różnych kierunków, i przesyłania ich do układu detekcyjnego za pośrednictwem jednego głównego światłowodu.

Zrealizowano to poprzez wykorzystanie do transmisji promieniowania cieplnego głowicy pomiarowej urządzenia optycznego, składającej się z co najmniej dwóch tulei ceramicznych, wygiętych pod dowolnym kątem, ale nie większym niż 120°, w których zamontowano szafirową albo kwarcową soczewkę kulistą oraz krótki światłowód. Na końcu światłowodów, w osłonie (najlepiej w postaci tulei) znajduje się przesłona z otworem, niecentrycznym, w postaci szczeliny, umożliwiająca przesyłanie promieniowania cieplnego z jednego światłowodu w danej chwili, za pośrednictwem dwuwypukłej soczewki kwarcowej, do światłowodu głównego i dalej do układu detekcyjnego.

Takie rozwiązanie zapewnia dogodny pomiar temperatury w szerokim zakresie, jednocześnie dla punktów pomiarowych zlokalizowanych w różnych kierunkach, w piecach do spalania, zgazowania lub kadziach hutniczych i przesyłanie sygnału pomiarowego z głowicy pomiarowej do układu detekcyjnego, za pośrednictwem jednego światłowodu.

Zastosowanie soczewek kulistych, osadzonych na końcach tulei ceramicznych, pozwala na uzyskanie dużego pola widzenia urządzenia dla jednego kanału. Głowica pomiarowa może być dowolnie modyfikowana poprzez dołączanie dodatkowych tulei ceramicznych z układami optycznymi.

Przedmiot wynalazku, w postaci głowicy pomiarowej urządzenia do optycznego, zwłaszcza wielopunktowego pomiaru wysokich temperatur, został przedstawiony w przykładach wykonania oraz na rysunku, na którym: Fig. 1 przedstawia schemat głowicy przytwierdzonej do urządzenia, w widoku z boku i przykładzie realizacji I, Fig. 2 przedstawia schemat głowicy przytwierdzonej do urządzenia, w przekroju wzdłuż linii A-A zaznaczonej na Fig. 1, Fig. 3 przedstawia schemat głowicy przytwierdzonej do urządzenia, w przekroju wzdłuż linii B-B zaznaczonej na Fig. 1, Fig. 4 przedstawia głowicę w przykładzie realizacji I, IV.

Przykład I

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładowym wykonaniu na Fig. 1, 2, 3 i 4. Układ detekcyjny 1 połączony jest ze światłowodem głównym 2, którego drugi koniec połączony jest optycznie, w osłonie 3 (najlepiej w postaci tulei), poprzez dwuwypukłą soczewką kwarcową 4, z głowicą pomiarową.

Głowica pomiarowa złożona jest z trzech dowolnie wygiętych tulei ceramicznych 7 transmitujących promieniowanie optyczne, ustawionych w płaszczyźnie poziomej pod pewnym kątem względem siebie. W zasadzie tuleje ceramiczne 7 mogą być ustawione pod dowolnym kątem w zależności od kierunku z jakiego emitowane jest promieniowanie, przy czym kąt maksymalny wynosi 120°.

W każdej z tulei ceramicznych 7 umieszczony jest układ optyczny, złożony z krótkiego światłowodu 6 oraz z szafirowej albo z kwarcowej soczewki kulistej 8, umieszczonej na końcu każdej tulei ceramicznej 7. Pomiędzy końcami krótkich światłowodów 6, w osłonie 3 (najlepiej w postaci tulei), zamontowano przesłonę 5 z niecentrycznym otworem 9 w postaci szczeliny. Promieniowanie cieplne zbierane przez soczewki kuliste 8 jest przesyłane przez krótkie światłowody 6 i otwór 9 w postaci szczeliny na dwuwypukłą soczewkę kwarcową 4 i dalej przez światłowód główny 2 do układu detekcyjnego 1.

Przykład II

Urządzenie wykonane jest jak przedstawiono w Przykładzie I z tym, że głowica pomiarowa ma dwie tuleje ceramiczne 7 z układem optycznym.

Przykład III

Urządzenie wykonane jest jak przedstawiono w Przykładzie I z tym, że głowica pomiarowa ma cztery tuleje ceramiczne 7 z układem optycznym.

Przykład IV

Urządzenie wykonane jest jak przedstawiono w Przykładzie I z tym, że głowica pomiarowa ma n tulei ceramicznych 7 z układem optycznym, przy czym n > 2 (Fig. 4).

Dodatkowo, na Fig. 5 i Fig. 6, przedstawiono rozwiązanie z jedną tuleją ceramiczną, gdzie Fig. 5 przedstawia schemat głowicy przytwierdzonej do urządzenia w Przykładzie V, a Fig. 6 przedstawia głowice w Przykładzie V.

Przykład V

Urządzenie wykonane jest jak przedstawiono w Przykładzie I z tym, że głowica pomiarowa składa się z 1 tulei ceramicznej 7 z układem optycznym. W takim przykładzie wykonania, za tuleją ceramiczną 7, od strony układu detekcyjnego 1, nie ma przegrody 5 (Fig. 5 i Fig. 6).

Oznaczenia na rysunkach

- układ detekcyjny

- światłowód główny

- osłona

- soczewka dwuwypukła

- przesłona

- światłowód krótki

- tuleje ceramiczne

- soczewka kulista

- otwór w przesłonie 5

Claims (1)

1. Głowica pomiarowa przeznaczona do urządzenia do optycznego pomiaru wysokich temperatur, zawierającego głowicę pomiarową i układ detekcyjny, połączone elementem transmitującym w postaci głównego światłowodu, przekazującym promieniowanie cieplne ze źródła termicznego do układu detekcyjnego, znamienna tym, że głowicę pomiarową stanowią przynajmniej dwie tuleje ceramiczne (7) zawierające układy optyczne, ustawione w płaszczyźnie poziomej pod kątem nie większym niż 120° względem siebie, a przy tym układ optyczny każdej tulei ceramicznej (7) stanowi osadzona na końcu tulei ceramicznej (7) kulista soczewka (8) szafirowa albo kwarcowa i osadzony we wnętrzu tulei ceramicznej (7) krótki światłowód (6), zaś końce tulei ceramicznych (7), od strony układu detekcyjnego urządzenia, zamknięte są przesłoną (5) z otworem (9) niecentrycznym w postaci szczeliny.