專利名稱：光電快速測量熱熔物內(nèi)部溫度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電快速測溫的方法，特別是一種光電快速測量熱熔物內(nèi)部溫度的方法。
在鋼鐵、有色冶金等行業(yè)的生產(chǎn)過程中需要對熱熔物(如鐵水、鋼水、銅水、鋁水)測量溫度，傳統(tǒng)的方法是將一個很小的熱偶裝在紙管上，用測量槍將熱電偶插入熱熔物中進行測溫。由于這種測溫方法需要待測熱熔物與熱電偶達到充分熱平衡才能準確測出該熱熔物的溫度，而這種測量方法是將熱電偶絲套入石英管中，石英管外還有金屬護帽，在測量時，熱熔物必須先熔化金屬帽并加熱石英管，在待測熱熔物與該石英管達到熱平衡后，石英管再與熱電偶的偶頭達到熱平衡時才產(chǎn)生正確的測量數(shù)據(jù)。這一系列的熱平衡過程使得這種傳統(tǒng)的方法測量速度緩慢，因此測量效率不高，而且由于對于是否已達到充分的熱平衡的時間不易掌握，因此也增加了誤測率。另一方面由于測量時熱電偶電極與測溫槍插接不良也會造成測量失敗。由于上面所述的測量失敗和誤測率高，因此其測量的可靠性較差。同時由于測量速度慢，使測量工人需要較長的時間在環(huán)境溫度很高的測量現(xiàn)場進行操作，增加工人的勞動強度。這種測量方法的另一個缺點是制造工藝復雜，需要用稀貴金屬，制造成本較高熱電偶是金屬材質(zhì)的傳感器，容易受到電磁干擾，而其使用的環(huán)境大多具有很強的電磁干擾源，這也是這種方法不可靠的因素之一。
本發(fā)明的目的在于克服上述熱電偶測溫的不足之處，提出一種利用光電技術(shù)測量熱熔物內(nèi)部溫度的方法。按照這種方法，測溫速度快，測量準確可靠，抗電磁干擾能力強，且用這種方法可以避免使用鉑銠等稀貴金屬、簡化生產(chǎn)工藝，從而降低生產(chǎn)成本。
上述本發(fā)明的目的是這樣完成的，即本發(fā)明提供一種光電快速測量熱熔物內(nèi)部溫度的方法，其特征是用帶有透光元件的熱輻射采集器插入熱熔物中采集熱輻射，并用光電測溫槍將采集到的熱輻射轉(zhuǎn)換成電信號E，該電信號E經(jīng)信號數(shù)據(jù)處理裝置處理后獲得該熱熔物的溫度。
所述的采集熱輻射的方法是通過一端帶有透光元件的管狀熱輻射采集器采集熱輻射的。
在所述的熱輻射方法中，還需在被采集的熱輻射的光路中設(shè)有遮光元件，此遮光元件可以是一個光開關(guān)，此光開關(guān)在透光元件插入熱熔物內(nèi)部時能自動打開而透光，在待工作狀態(tài)時關(guān)閉，截住環(huán)境光，避免環(huán)境光的干擾。此遮光元件也可以是設(shè)置在透光元件外面的遮光膜，此遮光膜不透光但當它與熱熔物接觸后會因熔化或升華而立即消失，從而讓熱熔物內(nèi)部的熱輻射通過透光元件進入該管狀熱輻射采集器的內(nèi)腔。
在所述的熱輻射采集方法中，熱輻射是通過表面光平、質(zhì)地均勻、透光性好的扁平式透光元件而被采集的。
在上述的熱輻射采集方法中，還可以通過一種端面光平、質(zhì)地均勻的透明桿狀物采集熱輻射。
在上述的熱輻射采集方法中，也可以采用一段光纖作為透光元件采集熱輻射。
有利的是，本發(fā)明對熱輻射采集的方法中還使用了二次采集法，即若設(shè)采集器直接采集的熱輻射量為M0，則通過采集器內(nèi)部，在離采集器透光元件介質(zhì)表面一定距離的位置上設(shè)置一光欄孔來再次采集熱輻射量M，從而滿足公式M＝BM0，式中B為小于1的比例常數(shù)。用此方法有利于提高測量精度。
用本發(fā)明的上述方法采集到熱熔物內(nèi)部的熱輻射后，由光電測溫槍將該熱輻射轉(zhuǎn)換成電信號E，對此電信號的數(shù)據(jù)處理是在對包括熱輻采從而在進行實時測量時，只要通過所述方法獲得經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的電信號E，并將此電信號E送入上述信號數(shù)據(jù)處理裝置中，該信號數(shù)據(jù)處理裝置就能按照系統(tǒng)中事先標定的E與T的函數(shù)關(guān)系，確定和輸出相應(yīng)的熱熔物內(nèi)部溫度T值。
光電轉(zhuǎn)換部件一般都有溫度漂移，在環(huán)境溫度有變化時這種漂移影響測量的準確性。為了補償這種因環(huán)境溫度變化造成的測量偏差，本發(fā)明在上述系統(tǒng)位于熱熔物之外的適當部位設(shè)置環(huán)境溫度傳感器。通過事先實測標定環(huán)境溫度傳感器在各種環(huán)境溫度下的電信號Ec對應(yīng)的相應(yīng)于各種溫度T的電信號E的漂移值ΔE的函數(shù)關(guān)系，并將由此標定的Ec與ΔE的函數(shù)關(guān)系事先存儲到所述的信號數(shù)據(jù)處理裝置中，從而在現(xiàn)場測量時，通過上述環(huán)境溫度傳感器測得的電信號Ec和相應(yīng)于當前的熱熔物溫度T的電信號E，即可按照事先標定并儲存在所述的數(shù)據(jù)處理裝置中的Ec與ΔE的函數(shù)關(guān)系，確定應(yīng)該進行補償?shù)钠浦郸，并通過ΔE補償現(xiàn)場測量的相應(yīng)于熱熔物內(nèi)部溫度的電信號E，從而通過用此方法補償?shù)碾娦盘朎獲取準確的熱熔物內(nèi)部溫度值T。
本發(fā)明有如下特點(1)本發(fā)明是在傳統(tǒng)的熱電偶快速測溫法之外創(chuàng)造的光電快速測量熱熔物內(nèi)部溫度的方法，開辟了新一代快速測量熱熔物內(nèi)部溫度的途徑。
(2)由于熱熔物的熱輻射M0與其溫度T在一般原則上遵從斯蒂芬-坡爾茲曼定律M0＝σT4，σ為系數(shù)，因此本發(fā)明在高溫測量領(lǐng)域具有更高的靈敏度的精確度。
(3)用本發(fā)明的方法測量熱熔物內(nèi)部溫度比傳統(tǒng)的浸入式熱電偶測溫法快速可靠。實踐證明，用浸入式熱電偶測溫法測溫時由于熱電偶頭需要通過石英套管、金屬護帽等外護物與待測熱熔物達到熱平衡，使其需要在熱熔物中停留足夠長的時間才能有可靠的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，而用本發(fā)明的方法測量熱熔物內(nèi)部溫度時，不需要熱平衡過程，其溫度信息是通過待測熱熔物的熱輻射以光速來傳遞的，并且光電轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理的速度可以高到微秒量級，因此使用本發(fā)明消除了由于測量時間短而造成的測量誤差及錯誤測量數(shù)據(jù)，并且大大減少測量工人爐前持槍的時間，降低了工人的勞動強度。
(4)本發(fā)明免去采用制造熱電偶的稀貴金屬，制造工藝比熱電偶方式簡單，使生產(chǎn)成本大為降低。
(5)由于采用環(huán)境溫度的自動補償，本發(fā)明的測量精度能夠得到進一步提高。
(6)在有強電磁干擾的生產(chǎn)環(huán)境中，本發(fā)明的抗干擾能力較熱電偶方式強，因為本發(fā)明是用光作為溫度信息的載體，而光對電磁干擾不敏感。
下面結(jié)合附圖進行說明

圖1為實施本發(fā)明的系統(tǒng)示意2為本發(fā)明的熱輻射采集器與光電測溫槍組合的一種實施例縱剖面3為圖2的P-P剖視4為本發(fā)明的透光元件的另一種實施例圖5為圖4的N-N剖視6為本發(fā)明的信號數(shù)據(jù)處理裝置框7為本發(fā)明的信號數(shù)據(jù)處理裝置的一種實施例圖8為本發(fā)明的實施例中實測標定的光電轉(zhuǎn)換的電信號E與熱熔物內(nèi)部溫度T的函數(shù)關(guān)系示意9為本發(fā)明的實施例中實測標定的環(huán)境溫度傳感器電信號Ec與光電轉(zhuǎn)換的電信號漂移值ΔE的函數(shù)關(guān)系示意中，1、熱輻射采集器 2、光電測溫槍 3、信號數(shù)據(jù)處理裝置 4、熱熔物 5、電纜 11、透光元件 12、遮光膜 13、泥頭14、泥頭通光孔 15、套管 21、光欄 22、光欄孔 23、槍頭24、支承套 25、光電轉(zhuǎn)換部件 26、光敏面 27、槍身 28、電導線 29、航空插座 210、手把。
圖1是實施本發(fā)明方法的示意圖，其中用光電測溫槍2將套在其上的熱輻射采集器1插入待測熱熔物4中，熱輻射采集器1采集到的熱輻射由光電測溫槍2轉(zhuǎn)換成電信號經(jīng)電纜5傳入信號數(shù)據(jù)處理裝置3進行處理后獲得該熱熔物4的溫度。
本發(fā)明的熱輻射采集器1和光電測溫槍2的一種組合實施例，如圖2所示，在這個實施例中，熱輻射采集器1由透光元件11、遮光膜12、泥頭13和紙管15組成。透光元件11采用質(zhì)地均勻、表面光平、透光性能好的扁平透光材料制成。本實施例的遮光元件采用一種遮光膜，即透光元件11的外側(cè)粘貼的遮光膜12，遮光膜12是不透光薄膜，它的作用是在熱輻射采集器1進入熱熔物4之前擋住環(huán)境光，免除環(huán)境光的干擾。一旦熱輻射采集器1進入熱熔物4，且尚未到達測量位置之前，該遮光膜12已經(jīng)消失，例如熔化掉或升華掉，以使熱輻射直接通過透光元件11進入熱輻射采集器1。本例的透光元件11嵌裝在泥頭13上，泥頭13是用耐火材料燒制的，其軸向中部有泥頭通光孔14，泥頭13軸向插入紙管15并用膠粘接，透光元件還可采用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知識范圍內(nèi)的其他措施以類似的方式安裝在采集器1上。套管15可用紙制造，也可用導熱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，其長度依測量現(xiàn)場的需要確定。同時應(yīng)有足夠強度，保證在測量過程中不被折損。
圖3是圖2的P-P剖視圖，表明熱輻射采集器1的泥頭通光孔14與光電測溫槍2的支承套24套接時軸向?qū)χ小?br> 圖4表示本發(fā)明的關(guān)于熱輻射采集器1的另一個實施例，它與圖2所示的熱輻射采集器1的實施例不同之處在于，用質(zhì)地均勻、端面光平的透明桿狀物代替扁平透光元件1，泥頭1也相應(yīng)改成適應(yīng)于該透明桿狀物的形狀。透明桿狀物最好為光纖，然而其他例如玻璃或透明單晶體材料也可采用，但其光學均勻性及透光率均有更高的要求。
圖5是圖4的N-N剖視圖，表明桿狀透光元件11與光電測溫槍2的支承套24套接時軸向?qū)χ小?br> 在圖2表示的實施例中，光電測溫槍2要由光欄21、槍頭23、光電轉(zhuǎn)換部件25組成。光欄孔22被設(shè)置在測溫槍的槍頭23上，在另外的實施例中光欄孔也可用其它方式設(shè)置在透光元件11內(nèi)表面與光敏面26之間的中央光軸上的其它位置。在本實施例中，光欄孔22位于光欄21的中心，光欄孔22的中心與光電轉(zhuǎn)換部件25的光敏面26的中心同軸，光欄孔22的直徑小于透光元件11的通光直徑，并在測量中與透光元件11保持一定距離，以便實施熱輻射的二次采集法。光欄21嵌裝在槍頭23上，槍頭23軸向套裝在支承套24上，支承套24的內(nèi)腔裝有光電轉(zhuǎn)換部件25，此光電轉(zhuǎn)換部件25中設(shè)置有一個環(huán)境溫度傳感器，支承套24的尾端與槍身26連結(jié)。該測溫槍2可以反復使用。
用圖2所示的實施例進行測量時，在熱輻射采集器1開始插入到熱熔物4中但尚未達到測量位置之前，遮光膜12已經(jīng)受熱消失，在熱輻射采集器1到達測量位置時，熱熔物4已與透光元件11完全接觸，熱熔物4的熱輻射M0立即透過透光元件11的表面經(jīng)泥頭通光孔14沿套管15的軸射向光電測溫槍2的光欄21。光欄21上的光欄孔22取其中的一部分熱輻射M＝BM0沿光電測溫槍2的軸射到光電轉(zhuǎn)換部件25的光敏面26上，由光電轉(zhuǎn)換部件25轉(zhuǎn)換成電信號E，該電信號E經(jīng)電導線27、航空插座28和電纜5傳至本發(fā)明的信號數(shù)據(jù)處理裝置3。
在上述的熱輻射采集過程中，本發(fā)明使用了二次采集法，即在透光元件11采集的熱輻射M0中用光欄孔22截取其中的一部分M＝BM0射到光電轉(zhuǎn)換部件25的光敏面26上作為有效熱輻射轉(zhuǎn)換成電信號E，B是小于1的系數(shù)。使用二次采集法，可以使透光元件11的有效通光孔徑比其總的通光孔徑足夠小，以保證對泥頭13的制造公差有較大的寬容度，從而提高測量的準確度。
本發(fā)明的信號數(shù)據(jù)處理裝置由前置放大，模數(shù)變換，CPU和顯示等四部分組成，其組成框圖如圖6所示。從光電轉(zhuǎn)換部件25來的電信號和環(huán)境溫度信號Ec經(jīng)前置放大器放大后再經(jīng)模數(shù)變換送入CPU進行處理，經(jīng)CPU處理得到待測熱熔物的溫度值，該溫度值可由顯示器顯示出來。
圖7是本發(fā)明的信號數(shù)據(jù)處理裝置的一個實施例。圖中E是光電轉(zhuǎn)換部件25送來的光電轉(zhuǎn)換電信號，Ec是環(huán)境溫度傳感器送來的電信號，它們分別由運算放大器U1和U2放大，U1和U2可以采用LM358或其它高精度的運算放大器芯片。被U1放大的光電信號，經(jīng)用作偏差較正的多圈電位器U3分壓后輸入模數(shù)變換器U4，U4可以采用ADC0809或其它高精度的模數(shù)變換器芯片，被U2放大的環(huán)境溫度信號也同時輸入U4，由中央處理器U5(CPU)分時控制這兩路輸入信號的模數(shù)變換信號。
本實施例的CPU可以采用MCS-51系列的單片微處理器(如8031，8032)，也可以采用MCS-96系列的單片微處理器(如8094，8095)。U6是只讀式程序存儲器，通常用EPROM27256芯片。U7是LED數(shù)字顯示器的寄存譯碼器，可以采用MC14499或其它有同類功能的芯片，U7輸出的控制信號經(jīng)驅(qū)動器U8對數(shù)字顯示器U9驅(qū)動控制，使其顯示出當前測量到的準確溫度值。U8可以采用7406或7407芯片。U9是七段LED數(shù)字顯示器。
圖8為本發(fā)明的實施例中實測標定的光電轉(zhuǎn)換的電信號E與熱熔物內(nèi)部溫度T的函數(shù)關(guān)系示意圖。它是事先實測標定的E-T關(guān)系曲線，該曲線大致符合M＝σT4的函數(shù)關(guān)系，其中M為熱輻射量，在本實施例中是以光電轉(zhuǎn)換信號E反映的。此標定的E-T關(guān)系曲線被預先存儲到存儲器U6中。在現(xiàn)場測量時，CPU根據(jù)從U4中取得的信號E即可從U6中的E-T標定曲線上查得相應(yīng)的溫度值T。
圖9為本發(fā)明的實施例中實測標定的環(huán)境溫度傳感器電信號Ec與光電轉(zhuǎn)換的電信號變化值ΔE的函數(shù)關(guān)系示意圖。在圖2所示的實施例中，為了補償溫度漂移，在光電轉(zhuǎn)換部件25內(nèi)設(shè)置一個環(huán)境溫度傳器，用本實施例測量系統(tǒng)事先實測標定出環(huán)境溫度傳感器在各種環(huán)境溫度下輸出的電信號Ec對應(yīng)的相應(yīng)于各種溫度T的光電轉(zhuǎn)換信號E的變化值ΔE的函數(shù)關(guān)系，并將由此標定的Ec與ΔE的函數(shù)關(guān)系預先存儲到程序存儲器U6中。Ec與ΔE的標定曲線實際上是一個曲線簇，這個曲線簇是這樣產(chǎn)生的在現(xiàn)場實際需要測量的溫區(qū)內(nèi)，設(shè)置等間隔的若干個溫度點，例如T1、T2、T3直到Tn，n的大小由測量的容許誤差和所采用的光電轉(zhuǎn)換元件的溫度漂移特性確定。進行標定時，在每個T值下，標定一條Ec-ΔE曲線，將所標定出的這n條Ec-ΔE曲線全部存入存儲器U6中。
在圖7所示的實施例中，信號數(shù)據(jù)的處理是按以下方式進行的CPU先從U4中取得信號E，根據(jù)此E值從存儲器U6中查到其相應(yīng)的T值，據(jù)T值及此時從U4中取得的Ec值，到存儲器U6中的Ec-ΔE曲線簇中查算得相應(yīng)的漂移值ΔE，然后將此ΔE補償上述從U4中取得的E值，用這個經(jīng)過補償?shù)腅值到存儲器U6中查出實際的熱熔物溫度T并輸出給U7，U8，U9進行顯示或?qū)⑤敵鲂盘栍糜诳刂啤?br> 所述的測溫系統(tǒng)的熱輻射采集器1、光電測溫槍2以及信號處理裝置3都可以采用不同的規(guī)格。但具有相同規(guī)格的同一種測溫系統(tǒng)的標定函數(shù)E-T和Ec-ΔE只需一次標定即可。
權(quán)利要求
1.一種光電快速測量熱熔物內(nèi)部溫度的方法，其特征在于用帶有透光元件的熱輻射采集器插入熱熔物中采集熱輻射，并用光電測溫槍將采集到的熱輻射轉(zhuǎn)換成電信號E，該電信號E經(jīng)信號數(shù)據(jù)處理裝置處理后獲得該熱熔物的溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的測量熱熔物內(nèi)部溫度的方法，其特征是，在該方法中，采集熱輻射的方法是通過一端帶有透光元件的管狀熱輻射采集器采集熱輻射的。
3.如權(quán)利要求2所述的測量熱熔物內(nèi)部溫度的方法，其特征是對于待工作的透光元件進行遮光，并使透光元件在插入熱熔物內(nèi)部進行工作時而透光。
4.如權(quán)利要求2所述的測量熱熔物內(nèi)部溫度的方法，其特征是，所述的熱輻射是通過一種表面光平、質(zhì)地均勻、透光性好的扁平式透光元件而被采集的。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征是，所述的熱輻射是通過一種端面光平、質(zhì)地均勻的透明桿狀物而被采集的。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征是，所述的熱輻射是通過一段光纖而被采集的。
7.如權(quán)利要求1至6之一的任意一個權(quán)利要求所述的測量熱熔物內(nèi)部溫度的方法，其特征是，熱輻射采集的方法為二次采集法，即若設(shè)通過透光元件采集的總的熱輻射量為M0，則通過采集器內(nèi)部，在離采集器透光元件介質(zhì)表面一定距離的位置上設(shè)置一光欄孔來再次采集熱輻射量M，從而滿足公式M＝BM0，式中B為小于1的比例常數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的測量熱熔物內(nèi)部溫度的方法，其特征是，所述的對電信號的數(shù)據(jù)處理是在對包括熱輻射采集器、光電測溫槍和信號數(shù)據(jù)處理裝置的測量系統(tǒng)，事先實測標定了電信號E與熱熔物內(nèi)部溫度T的函數(shù)關(guān)系，并事先將此實測E與T的函數(shù)關(guān)系作為系統(tǒng)的E與T的標定函數(shù)儲存到計算機中的基礎(chǔ)上進行的，從而在進行現(xiàn)場測量時，只要通過所述方法獲得經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的電信號E，并將此電信號E送入上述信號數(shù)據(jù)處理裝置中，該信號數(shù)據(jù)處理裝置就能按照系統(tǒng)中事先標定的E與T的函數(shù)關(guān)系，確定和輸出相應(yīng)的熱熔物內(nèi)部溫度T值。
9.如權(quán)利要求8所述的測量熱熔物內(nèi)部溫度的方法，其特征在于，該方法還包括對所述測量系統(tǒng)因環(huán)境溫度變化造成的測量偏差進行補償?shù)姆椒?，該方法是借助于在上述系統(tǒng)上位于熱熔物之外的光電測溫槍的光電轉(zhuǎn)換部件的附近設(shè)置的或在光電轉(zhuǎn)換部件上設(shè)置的環(huán)境溫度傳感器進行的，并且通過事先實測標定環(huán)境溫度傳感器在各種環(huán)境溫度下的電信號Ec對應(yīng)的相應(yīng)于各種溫度T的電信號E的漂移值ΔE的函數(shù)關(guān)系，并將由此標定的Ec與ΔE的函數(shù)關(guān)系事先存儲在所述的信號數(shù)據(jù)處理裝置中，從而在現(xiàn)場測量時，通過上述環(huán)境溫度傳感器測得的電信號Ec和相應(yīng)于當前的熱熔物溫度T的電信號E，即可按照事先標定并儲存在所述的數(shù)據(jù)處理裝置中的Ec與ΔE的函數(shù)關(guān)系，確定應(yīng)該進行補償?shù)钠浦郸，并通過ΔE補償現(xiàn)場測量的相應(yīng)于熱熔物內(nèi)部溫度的電信號E，從而通過用此方法補償?shù)碾娦盘朎獲取準確的熱熔物內(nèi)部溫度值T。
全文摘要
一種光電快速測量熱熔物內(nèi)部溫度的方法，用帶有透光元件的熱輻射采集器插入熱熔物中采集熱輻射，并用光電測溫槍將采集到的熱輻射轉(zhuǎn)換成電信號，該信號經(jīng)信號數(shù)據(jù)處理裝置處理后獲得該熱熔物的溫度。用本發(fā)明制成的測溫系統(tǒng)具有測溫速度快，測量精度高，準確可靠，生產(chǎn)工藝簡單，制造成本低，抗工作環(huán)境電磁干擾能力強等優(yōu)點，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的浸入式一次性使用的熱電偶測溫器，廣泛應(yīng)用于冶金等行業(yè)，測量鋼水、鐵水、鋁水、銅水等熱熔物的溫度。
文檔編號G01J5/00GK1142048SQ9610637
公開日1997年2月5日 申請日期1996年6月7日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月7日
發(fā)明者肖昱, 肖敬孝 申請人:肖昱, 肖敬孝