TW201014665A - Temperature measurement in a chill mold by a fiber optic measurement method - Google Patents

Description

201014665 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種利用光纖測量方法在一鑄模中測量 溫度的方法及一種採用相應設計的鑄模。為此，鑄模外表 面設有用於傳導雷射光的光波導。本發明用於使鑄模内之 溫度偵測的空間解析度相對於習知溫度偵測系統而言得到 改良，藉由本發明可進行更佳之縱向裂痕識別及斷裂識別。 Ο 【先前技術】 鑄模中的溫度偵測係一關鍵問題，在快速鑄造設備的 、發展過程中其重要性亦日益增強。一般情況下主要藉由熱 電偶在鑄模中進行溫度偵測，此等熱電偶或穿過鑄模銅板 上的鑽孔，或焊接在鑄模銅板上。此類測量方法均基於對 熱電動勢的分析。此等熱電偶數量及大小有限。故熱電偶 在不進行過大規模t改造的情況下通常僅可使用在拉力螺 ❹检所在的位置上。此外，熱電偶數量的增加亦會帶來極高 的接線成本。此等感測器易受電磁場（例如電磁制動器或 搜拌器所產生的電磁場）影響。此外在保護熱電偶及其配 ㈣提供較複雜之保護設備1期為鑄模更換銅板 、’須重新為該等熱敏元件接線，在此過程中，除工作量 極大外’亦可能出現接線錯誤。 WO 2004/082869揭示一瀚剎田舳帝加+ , 禮利用熱電偶在一連續鑄造鑄 ;^中測定溫度的方法，續楚： 等"、、電偶布置在鑄模外部的銅板 上’穿過鑽孔伸入該鑄模内。 3 201014665 de 3436331揭示一種用於在冶_ α 鏵模）内測量溫度的類似方法連績鑄& 橫孔中。 丹甲熱電偶布置在大量 ▲此兩種方法均具有上述之缺點。此外，大量錢孔的製 &亦需要較高之經濟成本及時間 按此方式安裝極大 量之熱電偶會產生極大的接線成本。 DE 102 36 G33揭示—種在㈣（特別是感應電爐）之 火裏襯監測領域内藉由光纖進行溫度測量的方法，其 中，多個光纖安裝在一位於多個絕緣層後面的片狀 上，用於進行光纖背向散射測量。但此種形式之系統不適 用於鑄模中的溫度測量，且並非設計用於在—鑄模中進行 精確的局部溫度偵測。 【發明内容】 因此，本發明之技術目的在於改良鑄模中的溫度測 量，特定言之係提高該溫度測量之空間解析度，此外亦須 儘可能簡化安裝難度，以便使對該鑄模的縱向裂痕識別及/ 或斷裂識別得到改良。 上述之技術目的藉由下文所揭示之發明而達成，本發 明特定言之係關於一種在鑄造設備的铸模中測量溫度的方 去’其中，在該鑄模的至少一銅板中使用多個用於測量溫 度的感測器，並將該等感測器與一溫度偵測系統連接，其 特徵在於’將至少一用於傳導雷射光的光波導纖維用作感 ’則器’其中，在該鑄模銅板之外表面構建多個凹槽，將該 201014665 至少一光波導纖維布置在該等凹槽内。 與在鑄模中使用熱電偶相比，藉由光纖進行溫度偵測 可大幅降低接線成本。此外亦可大幅減少該等纖維在該鑄 模銅板中進行安裝所需的工作量及成本。此外，與藉由上 述之系統利用布置在鑽孔内的熱電偶進行溫度測量相比， 按該方法使用光波導亦可顯著提高空間解析度。因此，一 條玻璃纖維線可代替一百個以上包括電纜在内的熱電偶。 Φ 此外亦無需再為熱電偶及其配線提供複雜的保護設備。 根據另一較佳實施方式，該方法使用至少一光波導纖 維’該至少一光波導纖維婉挺曲折地布置在該鑄模銅板之 外表面上的該等凹槽内。 根據另一較佳實施方式，該方法使用至少兩個按其長 度錯開布置的光波導纖維，該等光波導纖維分別布置在一 個凹槽内。藉此可進一步改良該溫度測量的空間解析度。 根據另一較佳實施方式，該方法使用多個位於多個冷 ❹卻通道之間的凹槽，該等冷卻通道布置在該鑄模銅板之外 表面。 根據另一較佳實施方式，該方法使用多個光波導纖 維’該等光波導纖維分別布置在該鑄模之固定側、未固定 側及較佳兩個縱側面上。 根據另一較佳實施方式，分別藉由一耦合裝置及一其 他分立式光波導將各側之光波導與該溫度偵測系統連接。 根據另一較佳實施方式，藉由多個耦合裝置將各侧之 光波導串聯，該等光波導藉由另一耦合裝置與該溫度偵測 201014665 系統相連。 很據該方法之另一較佳眘 置向該鋒模傳輸該雷射光式，藉由至少-執合装 光波導纖維的通路。 ^料合裝置㈣傳輪多個 :據該方法之另一較佳實施方 鏡耦合裝置。 在夏馬透 根據該方法之另一較祛眘 的眘㈣終 實施方式，將該溫度偵測系統 /3至—處理電腦’該處理電腦對該等資料進行處 理，並藉由該等資料對鑄造過程進行控制。 本發明此外亦關於一種用於鑄造金屬的鑄模，該鱗模 具有至少-銅板，其特徵在於，該鑄模銅板之外表面設有 多個凹槽’該等凹槽内布置有用於測量溫度的光波導纖維。 根據該鑄模之另-較佳實施方式，該等光波導纖維婉 挺曲折地布置在該等凹槽内。 根據該鑄模之另一較佳實施方式，每個凹槽内均布置 有至少兩個按其長度錯開布置的光波導纖維。 根據該鑄模之另一較佳實施方式，該等凹槽布置在該 鑄模銅板之外表面上的多個冷卻通道之間。 【實施方式】 圖1展示本發明的一種實施例’其中，一光波導纖維2 蜿蜒曲折地敷設在位於一鑄模銅板1之背面的冷卻通道6 間的凹槽4内。清楚起見，本實施例所選用的光波導2僅 包括幾個測量點3。亦可設置更多之測量點3。此圖亦對本 201014665 實施例所用之拉力螺栓5進行了圖示，該等拉力螺栓本用 於布置或可用於布置熱電偶。自本實施例中可看出，垂直 於鑄造方向的解析度為僅在拉力螺栓5上布置熱電偶之方 案的多倍，例如兩倍。在使用並以此種有利方式布置光波 導纖維2之情況下，可對縱向裂痕之產生進行更有效的監 測。此種解析度改良甚至具有決定性作用，因為拉力螺栓5 的間距通常大於熱電偶之溫度偵測半徑。因此，若僅在拉 φ 力螺栓5上布置熱電偶，則銅板上會出現無法藉由熱電偶 加以監測的區域。光纖2如圖i所示的布置方式則克服了 此問題，可確保對鑄模銅板丨的全面溫度監測。 、 光波導纖維2可藉由澆鑄樹脂澆鑄在凹槽4内，亦可 藉由其他常用方法固定在該等凹槽内，此點不受本實施例 影響。此外亦可使光波導纖維2具有一不鐵鋼外套，以便 在受外部因素影響方面為其提供更佳之保護。一般情況 下，-個不鏽鋼外套或不鐘鋼護套内可布置多個此種光纖 ❿2,故在其中一纖維2發生故障時（此種情況極少發生）亦 可繼續對已敷設在該護套内的其他纖維2加以使用。此外 套内部布置多個測量用纖維2,從而提高測量 精雄度，藉此可為測量點3選擇任意程度之窄距。 光波導纖維2可具有較佳介於 λα 士 π m 兴 υ.2 mm 之間 的直彳i，或可具有其他常用直彳 且仕護套（例如不鏽銦鳟矣、 的直徑可在0.5 mm與6 mm之傲π 罈綱謾套） 興0 mm之間變化。凹槽4之直 可介於1 mm與1 〇 之門，+較佳 分。 麵之間或視用途而定亦可為好幾公 7 201014665 此外亦可在一個凹槽4内布置多個光波導纖維，以便 達到改良空間解析度之目的。藉此可大幅增加測量點數量 3。藉此可隨意地成倍（例如兩倍或四倍）提高朝冷卻通道 6方向（即沿鑄造方向）的解析度。 -般情況下可用—到兩個玻璃纖維線或光波導纖維2 代替60至12G個包括配線在内的熱電偶。測量點數量原則 上僅受所用溫度偵測系統1〇的計算能力的限制。因此，藉 由相應之溫度制系統1G還可顯著増加測#點數量，從而 達到每光波導纖維2實％ 500個以上的測量點的目的在 測量點數量大幅增加之情況下’ $間解析度亦可得到進一 步的成倍提高。 圖2展示-採用本發明另一實施例之鱗模之橫側面上 的鑄模純i，的截面圖。該圖下部所示者為該鑄模之内表 面。鑄模銅板Γ之外表面（上部）布置有多個冷卻通道6,， 該等冷卻通道之間設有空隙或凹# 4,，此等空$或凹㈣ 布置有與該鑄模銅板接觸的光波導2。在本實施例中，光波 導2具有-不鏽鋼外套7，但該等光波導亦可㈣於系統 中。此外，此種特7内亦可布置多個光波導或光波導纖 維2。在本實施例中’光波導2較佳藉由料樹脂洗铸在凹 槽4’内。® 2未展示凹槽4，、冷卻通道6、光波導2與鱗 模銅板1，之間的真實尺寸比。凹槽4，、光波導2及冷卻通 道6,之尺寸與鑄模之具體用途有關，可處於上文針對圖i 所說明的數量級内。 圖3展示與溫度偵測系統1〇相連之光波導2的示範性 201014665 線路圖。在本實施例中，光波導纖維2布置在鑄模之固定 侧11、未固定侧13及兩個縱側面12、14上。此等布置於 各側的光波導藉由光纖電纜或其他光波導與分析單元相 連。設有用於連接每一單個光波導纖維2與溫度偵測系統 10的透鏡耦合裝置9。視情況可在該分析單元與鑄模之纖 維間設置更多的透鏡麵合裝置（或不設透鏡耗合裝置），此 點不會使信號品質受到明顯影響。亦可在每個鑄模側面 瘳 11、12、丨3、14設置多個纖維2，並將其與溫度偵測系統 10耦合。此外，亦可僅在該等鑄模侧面U、12、13、14中 的其中一個、兩個或三個鑄模侧面上進行溫度债測。 溫度偵測系統10與一處理電腦20相連。藉由此溫度 偵測系統10或視情況亦藉由其他外部系統產生雷射光，並 將該雷射光饋入光波導2中。光波導纖維2所收集之資料 由溫度偵測系統10換算成溫度，並被分配給該鎢模的不同 位置。舉例而言’此分析可按習知的光纖Bragg光柵法（fbg Q 法）進行。此方法所用之光波導隨折射率之週期性變化以 外加方式獲得測量點或亦做此種變化的光柵。折射率的此 種週期性變化會使該光波導根據該週期性在某些波長下於 此等測量點上構成一介質反射鏡。當一點上發生溫度變化 時’ Bragg波長亦會發生變化，其中，所需反射者即為此 Bragg波長。不滿足Bragg條件的光受Bragg光栅的影響不 大。隨後即可根據傳播時間差來區分不同測量點的不同信 號。此種光纖Bragg光柵及相應之分析單元的具體構造係眾 所周知的技術。空間解析率之精確度取決於該等外加測量 9 201014665 mm 至 5 mm 點之數量。一測量點之大小可處於（例如

Jt^r rag χ- 範圍内。 作為替代方案，亦可利用“光頻域反射，，法（〇fdr法） 或“光時域反射，’法（OTDR法）進行溫度測量。此兩種方 法以光纖拉曼背向散射原理為基礎，_光導體一點上的溫 度變化會引起該光波導材料拉曼背向散射變化的情況加以 利用。在此情況下，可藉由分析單元（例如拉曼反射儀）

以空間解析之方式對沿一纖維的溫度值進行測定，其中， 此方法係在該導體的一定長度上求平均值。目前，此長度 為幾公分。仍根據傳播時間差來區分不同測量點。此類按 上述之習知方法運行的分析系統的構造係為眾所周知的技 術’在纖維2内產生雷射光所需的雷射器亦如此。 隨後將溫度偵測系統1〇所獲得的空間解析溫度資料較 佳傳輸至一處理電腦2〇，該處理電腦可根據該鑄模内的溫 度为布對鑄造參數（例如鑄造速度或冷卻）及/或其他常規 參數進行調節。

圖4展示多個布置在一鑄模之侧壁中的光波導纖維2 的線路圖。與圖3不同之處在於，該等位於鑄模各側壁中 的光波導2彼此串聯。亦即，第一縱側面12之光波導纖維 2藉由一透鏡耦合裝置9與未固定側13之光波導纖維2相 連’該未固定侧13之光波導纖維2藉由一透鏡耦合裝置9 與第二縱側面14之光波導纖維2相連，該第二縱側面14 之光波導纖維2藉由一透鏡耦合裝置9與固定側11之光波 導纖維2相連’該固定側11之光波導纖維2藉由一透鏡耦 10 201014665 合裝置9與/jnL度偵測系統丨〇相連。此四側之感測器視需要 亦可選用其他任意之順序。藉由此種形式之_聯可進一步 大幅降低接線成本。亦可在每個鑄模側面u、12、13、u 使用多個纖維2，並將該等纖維亦串聯起來❶此外，亦可僅 在該等鑄模側面11、12、13、14中的其中一個、兩個或三 個鑄模側面上進行溫度傾測。 可如圖3所示利用fbg法、OTDR法或0FDR法進行 ©分析。一般情況下亦可利用其他恰當的方法來測定沿該等 纖維的溫度分布。 圖5展示如圖3及圖4所示之透鏡耦合裝置9的示範 性截面圖。該柄合裝置9由兩半構成，此兩個部分在其兩 個末端上均各與一光波導2耦合。此等耦合裝置具有一内 部透鏡系統，在該透鏡系統的作用下，待傳輸雷射束在纖 維出口處被展開，在該耦合裝置的另一側被再度集束。該 射束在此兩半耦合裝置部分之間平行傳播。此種耦合裝置 ❹中同時可傳輸多個光波導通路。該等透鏡耦合裝置亦可實 施為所謂的“戶外EBC ( Extended Beam Connector，擴束 連接器）連接器”。此種耦合裝置極為堅固，且不易受污 染物影響。 【圖式簡單說明】 圖1為铸模銅板外表面之二維視圖，該銅板包括多個 凹槽及布置在該等凹槽中的光纖； 圖2為鑄模橫侧面之載面圖，該鑄模橫側面包括多個 11 201014665 冷卻槽及多個布置在該等冷卻槽之間的光導體，該簡化圖 未顯示真正尺寸比； 圖3為鑄模各側的光波導布置方案及該等光波導與一 溫度偵測單元及一處理電腦的連接方案； 圖4為鑄模各側的另一光波導布置方案，該等光波導 的串聯方案及該等串聯光波導與一溫度偵測單元及一處理 電腦的連接方案；及 圖5為一透鏡耦合裝置的截面圖。 【主要元件符號說明】 1 :鑄模銅板 P :鑄模銅板 2 :光波導纖維/光波導/光纖 3 :測量點 4 :凹槽 4':凹槽 5 :拉力螺栓 6 :冷卻通道 6^冷卻通道 7 :不鏽鋼外套 9:透鏡耦合裝置 10 :溫度偵測系統/分析單元 11 :固定側/鑄模側面 12 :第一縱側面/鑄模側面 201014665 13 :未固定側/鑄模側面 14 :第二縱側面/鑄模側面 20 :處理電腦

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Claims (1)

1. 201014665 興取先提中請時所送原文中請範圍内容—致的中文申請範圍 七、申請專利範圍·· 1. 一種在鑄造設備的鑄模中測量溫度的方法，其中，在該 鑄模的至少一銅板（1，1丨）中秭用炙棚田 1 ^甲便用多個用於測量溫度的感 測器，並將該等感測器與一溫度偵測系統（1〇)連接其 特徵在於， ' 將至少—用於料雷射光的光波導纖維（2)用作感測 器，其中，在該轉模銅板（1，Γ)之外表面構建多個凹槽 (4’4)’將該至少—光波導纖維⑺布置在該等凹槽内。 2. 如申請專利範圍第丨項之方法其中， 該至少-光波導纖維（2)婉蜒曲折地布置在該禱模銅 板（1，1')之外表面上的該等凹槽内。 3. 如前述申請專利範圍任一項之方法，其中， 在每個凹槽I V 4)内均布置至少兩個按其長度錯開 布置的光波導纖維（2 )。 4’如刖述申5青專利範圍任一項之方法，其中 將該等凹槽（4，4，）布置在該鑄模銅板（1，1')之外 表面上的多個冷卻通道（6，6')之間。 5.如前述申請專利範圍任一項之方法，其中， 將該等光波導纖維⑺分別布置在該禱模之固定側 (1 )未固疋側（13 )及較佳兩個縱側面（12，14 )上。 6.如申請專利範圍第5項之方法，其中， 分別藉由一相合裝置（9)及一其他分立式光波導⑺ 將各側（11，12，1/1、 ，4)之光波導（2)與該溫度偵測系 統（1 〇)連接。 201014665 7.如申請專利範圍第5項之方法其中， 藉由多個耦合裝置（9)將各側（11，12’ M 、 光波導⑺串聯’藉由另一耦合裝 ’⑷之 ⑺與該溫度傾測系統（1。)相連。將該等光波導 8·如前述申請專利範圍任-項之方法，其中， ❹ ⑩ 柄合裝置（9)向料模傳輸該雷射光，夢 由該柄二裝置同時傳輸多個光波導纖維（2)的通路， 9. 如則述中請專利範圍任__項之方法，其中， 該等麵合裝置（9)為透鏡麵合裝置〃 10. 如前述申請專利範圍任一 將該溫度偵測系統（1〇)的資料方傳去輸至其中處 (叫，該處理電腦對該等f料進行處理，並藉由 對鑄造過程進行控制。 等資料 η.一種用於鑄造金屬的鑄模，該铸模 (1，厂），其特徵在於， 夕銅板 該鑄模銅板（卜n之外表面設有多個凹槽（4，， 該等凹槽内布置有用於測量溫度的光波導纖維（2 )。 12. 如申請專利範圍第u項之鑄模，其中， 該等光波導纖維（2)婉蜒曲折料置在該等凹槽（4， 13. 如申請專利範圍第u項之鑄模其中， 每個凹槽（4, 4，）内均布置有至少兩個按 布置的光波導纖維（2 )。 又錯開 14. 如申請專利範圍第u項之鑄模其中， 15 201014665 該等凹槽（4, 布置在該鑄模銅板（1，Γ)之外表 面上的多個冷卻通道（6，之間。 八、圖式： (如次頁）

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