CN1052536C - 光电快速测量热熔物内部温度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种光电快速测量热熔物内部温度的方法，用一端带有透光元件的热辐射采集器插入热熔物中采集热辐射，并用光电测温枪将采集到的热辐射转换成电信号，该信号经信号数据处理装置处理后获得该热熔物的温度。用本发明制成的测温系统具有测温速度快，测量精度高，准确可靠，生产工艺简单，制造成本低，抗工作环境电磁干扰能力强等优点，可以代替传统的浸入式一次性使用的热电偶测温器，广泛应用于冶金等行业，测量钢水、铁水、铝水、铜水等热熔物的温度。
Description
本发明涉及一种光电快速测温的方法，特别是一种光电快速测量热熔物内部温度的方法。
在钢铁、有色冶金等行业的生产过程中需要对热熔物(如铁水、钢水、铜水、铝水)测量温度，传统的方法是将一个很小的热电偶装在纸管上，用测量枪将热电偶插入热熔物中进行测温，由于这种测温方法需要待测热熔物与热电偶达到充分热平衡才能准确测出该热熔物的温度，而这种测量方法是将热电偶丝套人石英管中，石英管外还有金属护帽，在测量时，热熔物必须先熔化金属帽并加热石英管，在待测热熔物与该石英管达到热平衡后，石英管再与热电偶的偶头达到热平衡时才产生正确的测量数据，这一系列的热平衡过程使得这种传统的方法测量速度缓慢，因此测量效率不高，而且由于对于是否已达到充分的热平衡的时间不易掌握，因此也增加了误测率。另一方面由于测量时热电偶电极与测温枪插接不良也会造成测量失败。由于上面所述的测量失败和误测率高，因此其测量的可靠性较差。同时由于测量速度慢，使测量工人需要较长的时间在环境温度很高的测量现场进行操作，增加工人的劳动强度。这种测量方法的另一个缺点是制造工艺复杂，需要用稀贵金属，制造成本较高。
热电偶是金属材质的传感器，容易受到电磁干扰，而其使用的环境大多具有很强的电磁干扰源，这也是这种方法不可靠的因素之一。
本发明的目的在于克服上述热电偶测温的不足之处，提出一种利用光电技术测量热熔物内部温度的方法。按照这种方法，测温速度快，测量准确可靠，抗电磁干扰能力强，且用这种方法可以避免使用铂铑等稀贵金属，简化生产工艺，从而降低生产成本。
上述本发明的目的是这样完成的，即本发明提供一种光电快速测量热熔物内部温度的方法，其中，用热辐射采集器插入热熔物中采集热辐射，并用光电测温枪将采集到的热辐射转换成电信号E，该电信号E经信号数据处理装置处理后获得该热熔物的温度，其特征在于：采集热辐射的方法是通过一端带有透光元件的管状热辐射采集器采集热辐射的，且热辐射采集的方法为二次采集法，即若设通过透光元件采集的总的热辐射量为M0，则通过采集器内部，在离采集器透光元件介质表面一定距离的位置上设置一光栏孔来再次采集热辐射量M，从而满足公式M＝BM0，式中B为小于的比例常数。
在所述的热辐射方法中，还可在被采集的热辐射的光路中设有遮光元件，此遮光元件可以是一个光开关，此光开关在透光元件插入热熔物内部时能自动打开而透光，在待工作状态时关闭，截住环境光，避免环境光的干扰，此遮光元件也可以是设置在透光元件外面的遮光膜，此遮光膜不透光，但当它与热熔物接触后会因熔化或升华而立即消失，从而让热熔物内部的热辐射通过透光元件进入该管状热辐射采集器的内腔。
在所述的热辐射采集方法中，所述的透光元件可采用表面光平、质地均匀、透光性好的扁平式透光元件。
在上述的热辐射采集方法中，还可以采用一种端面光平、质地均匀的透明杆状物作为所述的透光元件，所述的透明杆状物在将要描述的本发明的实施例中例举了如光纤、玻璃或透明单晶体等材料。
优选地，在上述的热辐射采集方法中，也可以采用一段光纤作为所述的透光元件采集热辐射。
有利的是，本发明对热辐射采集的方法中还使用了二次采集法，即若设采集器直接采集的热辐射量为M0，则通过采集器内部，在离采集器透光元件介质表面一定距离的位置上设置一光栏孔来再次采集热辐射量M，从而满足公式M＝BM0，式中B为小于1的比例常数。用此方法有利于提高测量精度。
用本发明的上述方法采集到热熔物内部的热辐射后，由光电测温枪将该热辐射转换成电信号E，对此电信号的数据处理是在对包括热辐射采集器、光电转换测温枪和信号数据处理装置的测量系统，事先实测标定了电信号F与热熔物内部温度T的函数关系，并事先将此实测E与T的函数关系作为系统的E与T的标定函数储存到计算机中的基础上进行的，从而在进行实时测量时，只要通过所述方法获得经光电转换的电信号E，并将此电信号E送入上述信号数据处理装置中，该信号数据处理装置就能按照系统中事先标定的E与T的函数关系，确定和输出相应的热熔物内部温度T值。
光电转换部件一般都有温度漂移，在环境温度有变化时这种漂移影响测量的准确性。为了补偿这种因环境温度变化造成的测量偏差，本发明在上述系统位于热熔物之外的适当部位(例如位于热熔物之外的光电测温枪的光电转换部件的附近或在光电转换部件上)设置环境温度传感器。通过事先实测标定环境温度传感器在各种环境温度下的电信号Ec对应的相应于各种温度T的电信号E的漂移值ΔE的函数关系，并将由此标定的Ec与ΔE的函数关系事先存储到所述的信号数据处理装置中，从而在现场测量时，通过上述环境温度传感器测得的电信号Ec和相应于当前的热熔物温度T的电信号E，即可按照事先标定储存在所述的数据处理装置中的Ec与ΔE的函数关系，确定应该进行补偿的漂移值ΔE，并通过ΔE补偿现场测量的相应于热熔物内部温度的电信号E，从而通过用此方法补偿的电信号E获取准确的热熔物内部温度值T。
本发明有如下特点：
(1)本发明是在传统的热电偶快速测温法之外创造的光电快速测量热熔物内部温度的方法，开辟了新一代快速测量热熔物内部温度的途径。
(2)由于热熔物的热辐射M0与其温度T在一般原则上遵从斯蒂芬-坡尔兹曼定律M0＝σT4，σ为系数，因此本发明在高温测量领域具有更高的灵敏度的精确度。
(3)用本发明的方法测量热熔物内部温度比传统的浸人式热电偶测温法快速可靠。实践证明，用侵入式热电偶测温法测温时由于热电偶头需要通过石英套管、金属护帽等外护物与待测热熔物达到热平衡，使其需要在热熔物中停留足够长的时间才能有可靠的数据产生，而用本发明的方法测量热熔物内部温度时，不需要热平衡过程，其温度信息是通过待测热熔物的热辐射以光速来传递的，并且光电转换及数据处理的速度可以高到微秒量级，因此使用本发明消除了由于测量时间短而造成的测量误差及错测量数据，并且大大减少测量工人炉前持枪的时间，降低了工人的劳动强度。
(4)本发明免去采用制造热电偶的稀贵金属，制造工艺比热电偶方式简单，使生产成本大为降低。
(5)由于采用环境温度的自动补偿，本发明的测量精度能够得到进一步提高。
(6)在有强电磁干扰的生产环境中，本发明的抗干扰能力较热电偶方式强，因为本发明是用光作为温度信息的载体，而光对电磁干扰不敏感。
下面结合附图进行说明：
图1为实施本发明的系统示意图
图2为本发明的热辐射采集器与光电测温枪组合的一种实施例纵剖面图
图3为图2的P-P剖视图
图4为本发明的透光元件的另一种实施例
图5为图4的N-N剖视图
图6为本发明的信号数据处理装置框图
图7为本发明的信号数据处理装置的一种实施例
图8为本发明的实施例中实测标定的光电转换的电信号E与热熔物内部温度T的函数关系示意图
图9为本发明的实施例中实测标定的环境温度传感器电信号Ec与光电转换的电信号漂移值ΔE的函数关系示意图
图中，1、热辐射采集器 2、光电测温枪 3、信号数据处理装置 4、热熔物 5、电缆 11、透光元件 12、遮光膜 13、泥头 14、泥头通光孔 15、套管 21、光栏 22、光栏孔 23、枪头 24、支承套 25、光电转换部件 26、光敏面 27、枪身 28、电导线 29、航空插座 210、手把。
图1是实施本发明方法的示意图，其中用光电测温枪2将套在其上的热辐射采集器1插入待测热熔物4中，热辐射采集器1采集到的热辐射由光电测温枪转换成电信号经电缆5传人信号数据处理装置3进行处理后获得该热熔物4的温度。
本发明的热辐射采集器1和光电测温枪2的一种组合实施例，如图2所示，在这个实施例中，热辐射采集器1由透光元件11、遮光膜12、泥头13和套管15组成。透光元件11采用质地均匀、表面光平、透光性能好的扁平透光材料制成。本实施例的遮光元件采用一种遮光膜，即透光元件11的外侧粘贴的遮光膜12，遮光膜12是不透光薄膜，它的作用是在热辐射采集器1进入热熔物之前挡住环境光，免除环境光的干扰。一旦热辐射采集器1进入热熔物4，且尚未到达测量位置之前，该遮光膜12已经消失，例如熔化掉或升华掉，以使热辐射直接通过透光元件11进入热辐射采集器1。本例的透光元件11嵌装在泥头13上，泥头13是用耐火材料烧制的，其轴向中部有泥头通光孔14，泥头13轴向插入纸管15并用胶粘接，透光元件还可采用本领域普通技术人员知识范围内的其他措施以类似的方式安装在采集器1上。套管15可用纸制造，也可用导热性低的其它材料制造，此套管15可一次性使用，也可多次使用，其长度依测量现场的需要确定。同时应有足够强度，保证在测量过程中不被折损。
图3是图2的P-P剖视图，表明热辐射采集器1的泥头通光孔14与光电测温枪2的支承套24套接时轴向对中。
图4表示本发明的关于热辐射采集器1的另一个实施例，它与图2所示的热辐射采集器1的实施例不同之处在于，用质地均匀、端面光平的透明杆状物代替扁平透光元件11，泥头13也相应改成适应于该透明杆状物的形状。透明秆状物最好为光纤，然而其他例如玻璃或透明单晶体材料也可采用，但其光学均匀性及透光率均有更高的要求。
图5是图4的N-N剖视图，表明杆状透光元件11与光电测温枪2的支承套24套接时轴向对中。
在图2表示的实施例中，光电测温枪2要由光栏21、枪头23、光电转换部件25组成。光栏孔22被设置在测温枪的枪头23上，在另外的实施例中光栏孔也可用其它方式设置在透光元件11内表面与光敏面26之间的中央光轴上的其它位置。在本实施例中，光栏孔22位于光栏21的中心，光栏孔的中心与光电转换部件25的光敏面26的中心同轴，光栏孔22的直径小于透光元件11的通光直径，并在测量中与透光元件11保持一定距离，以便实施热辐射的二次采集法。光栏21嵌装在枪头23上，枪头23轴向套装在支承套24上，支承套24的内腔装有光电转换部件25，此光电转换部件25中设置有一个环境温度传感器，支承套24的尾端与枪身27连结。该测温枪2可以反复使用。
用图2所示的实施例进行测量时，在热辐射采集器1开始插入到热熔物4中但尚未达到测量位置之前，遮光膜12已经受热消失，在热辐射采集器1到达测量位置时，热熔物4已与透光元件11完全接触，热熔物4的热辐射M0立即透过透光元件11的表面经泥头通光孔14沿套管15的轴射向光电测温枪2的光栏21。光栏21上的光栏孔22取其中的一部分热辐射M＝BM0沿光电测温枪2的轴射到光电转换部件25的光敏面26上，由光电转换部件25转换成电信号E，该电信号E经电导线28、航空插座29和电缆5传至本发明的信号数据处理装置3。
在上述的热辐射采集过程中，本发明使用了二次采集法，即在透光元件11采集的热辐射M0中用光栏孔22截取其中的一部分M＝BM0射到光电转换部件25的光敏面26上作为有效热辐射转换成电信号E，B是小于1的系数，使用二次采集法，可以使透光元件11的有效通光孔径比其总的通光孔径足够小，以保证对泥头13的制造公差有较大的宽容度，从而提高测量的准确度。
本发明的信号数据处理装置由前置放大，模数变换，CPU和显示等四部分组成，其组成框图如图6所示。从光电转换部件25来的电信号和环境温度信号Ec经前置放大器放大后再经模数变换送人CPU进行处理，经CPU处理得到待测热熔物的温度值，该温度值可由显示器显示出来。
图7是本发明的信号数据处理装置的一个实施例。图中E是光电转换部件25送来的光电转换电信号，Ec是环境温度传感器送来的电信号、它们分别由运算放大器U1和U2放大，U1和U2可以采用LM358或其它高精度的运算放大器芯片。被U1放大的光电信号，经用作偏差较正的多圈电位器U3分压后输入模数变换器U4，U4可以采用ADC0809或其它高精度的模数变换器芯片，被U2放大的环境温度信号也同时输入U4，由中央处理器U5(CPU)分时控制这两路输人信号的模数变换信号。
本实施例的CPU可以采用MCS-51系列的单片微处理器(如8031，8032)，也可以采用MCS-96系列的单片微处理器(如8094，8095)。U6是只读式程序存储器，通常用EPROM27256芯片。U7是LED数字显示器的寄存译码器，可以采用MC14499或其它有同类功能的芯片，U7输出的控制信号经驱动器U8对数字显示器U9驱动控制，使其显示出当前测量到的准确温度值。U8可以采用7406或7407芯片。U9是七段LED数字显示器。
图8为本发明的实施例中实测标定的光电转换的电信号E与热熔物内部温度T的函数关系示意图。它是事先实测标定的E-T关系曲线，该曲线大致符合M＝σT4的函数关系，其中M为热辐射量，在本实施例中是以光电转换信号E反映的，此标定的E-T关系曲线被预先存储到存储器U6中，在现场测量时，CPU根据从U4中取得的信号E即可从U6中的E-T标定曲线上查得相应的温度值T。
图9为本发明的实施例中实测标定的环境温度传感器电信号Ec与光电转换的电信号变化值ΔE的函数关系示意图。在图2所示的实施例中，为了补偿温度漂移，在光电转换部件25内设置一个环境温度传器，用本实施例测量系统事先实测标定出环境温度传感器在各种环境温度下输出的电信号Ec对应的相应于各种温度T的光电转换信号E的变化值ΔE的函数关系，并将由此标定的Ec与ΔE的函数关系预先存储到程序存储器U6中。Ec与ΔE的标定曲线实际上是一个曲线簇，这个曲线簇是这样产生的：在现场实际需要测量的温区内，设置等间隔的若干个温度点，例如T1、T2、T3直到Tn，n的大小由测量的容许误差和所采用的光电转换元件的温度漂移特性确定。进行标定时，在每个T值下，标定一条Ec-ΔE曲线，将所标定出的这n条Ec-ΔE曲线全部存入存储器U6中。
在图7所示的实施例中，信号数据的处理是按以下方式进行的：CPU先从U4中取得信号E，根据此E值从储存器U6中查到其相应的T值，据T值及此时从U4中取得的Ec值，到存储器U6中的Ec-ΔE曲线簇中查算得相应的漂移值ΔE，然后将此ΔE补偿上述从U4中取得的E值，用这个经过补偿的E值到存储器U6中查出实际的热熔物温度T并输出给U7，U8，U9进行显示或将输出信号用于控制。
所述的测温系统的热辐射采集器1、光电测温枪2以及信号处理装置3都可以采用不同的规格。但具有相同规格的同一种测温系统的标定函数E-T和Ec-ΔE只需一次标定即可。
Claims (9)
1、一种光电快速测量热熔物内部温度的方法，其中，用热辐射采集器插入热熔物中采集热辐射，并用光电测温枪将采集到的热辐射转换成电信号E，该电信号E经信号数据处理装置处理后获得该热熔物的温度，其特征在于：采集热辐射的方法是通过一端带有透光元件的管状热辐射采集器采集热辐射的，且热辐射采集的方法为二次采集法，即若设通过透光元件采集的总的热辐射量为M0，则通过采集器内部，在离采集器透光元件介质表面一定距离的位置上设置一光栏孔来再次采集热辐射量M，从而满足公式M＝BM0，式中B为小于的比例常数。
2、如权利要求1所述的测量热熔物内部温度的方法，其特征是对于待工作的透光元件进行遮光，并使透光元件在插入热熔物内部进行工作时而透光。
3、如权利要求1或2所述的测量热熔物内部温度的方法，其特征是，所述的透光元件采用一种表面光平、质地均匀、透光性好的扁平式透光元件。
4、如权利要求1或2所述的方法、其特征是，采用一种端面光平、质地均匀的透明杆状物作为所述的透光元件。
5、如权利要求1或2所述的方法，其特征是，采用光纤作为所述的透光元件。
6、如权利要求3所述的测量热熔物内部温度的方法，其特征是，所述的对电信号的数据处理是在对包括热辐射采集器、光电测温枪和信号数据处理装置的测量系统，事先实测标定了电信号E与热熔物内部温度T的函数关系，并事先将此实测E与T的函数关系作为系统的E与T的标定函数储存到计算机中的基础上进行的，从而在进行现场测量时，只要通过所述方法获得经光电转换的电信号E，并将此电信号E送人上述信号数据处理装置中，该信号数据处理装置就能按照系统中事先标定的E与T的函数关系，确定和输出相应的热熔物内部温度T值。
7、如权利要求6所述的测量热熔物内部温度的方法，其特征在于，该方法还包括对所述测量系统因环境温度变化造成的测量偏差进行补偿的方法，该方法是借助于在上述系统上位于热熔物之外的光电测温枪的光电转换部件的附近设置的或在光电转换部件上设置的环境温度传感器进行的，并且通过事先实测标定环境温度传感器在各种环境温度下的电信号Ec对应的相应于各种温度T的电信号E的漂移值ΔE的函数关系，并将由此标定的Ec与ΔE的函数关系事先存储在所述的信号数据处理装置中，从而在现场测量时，通过上述环境温度传感器测得的电信号Ec和相应于当前的热熔物温度T的电信号E，即可按照事先标定并储存在所述的数据处理装置中的Ec与ΔE的函数关系，确定应该进行补偿的漂移值ΔE，并通过ΔE补偿现场测量的相应于热熔物内部温度的电信号E，从而通过用此方法补偿的电信号E获取准确的热熔物内部温度值T。
8、如权利要求4所述的测量热熔物内部温度的方法，其特征是，所述的对电信号的数据处理是在对包括热辐射采集器、光电测温枪和信号数据处理装置的测量系统，事先实测标定了电信号E与热熔物内部温度T的函数关系，并事先将此实测E与T的函数关系作为系统的E与T的标定函数储存到计算机中的基础上进行的，从而在进行现场测量时，只要通过所述方法获得经光电转换的电信号E，并将此电信号E送人上述信号数据处理装置中，该信号数据处理装置就能按照系统中事先标定的E与T的函数关系，确定和输出相应的热熔物内部温度T值。
9、如权利要求8所述的测量热熔物内部温度的方法，其特征在于，该方法还包括对所述测量系统因环境温度变化造成的测量偏差进行补偿的方法，该方法是借助于在上述系统上位于热熔物之外的光电测温枪的光电转换部件的附近设置的或在光电转换部件上设置的环境温度传感器进行的，并且通过事先实测标定环境温度传感器在各种环境温度下的电信号Ec对应的相应于各种温度T的电信号E的漂移值ΔE的函数关系，并将由此标定的Ec与ΔE的函数关系事先存储在所述的信号数据处理装置中，从而在现场测量时，通过上述环境温度传感器测得的电信号Ec和相应于当前的热熔物温度T的电信号E，即可按照事先标定并储存在所述的数据处理装置中的Ec与ΔE的函数关系，确定应该进行补偿的漂移值ΔE，并通过ΔE补偿现场测量的相应于热熔物内部温度的电信号E，从而通过用此方法补偿的电信号E获取准确的热熔物内部温度值T。
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