專利名稱：連鑄二冷密閉室鑄坯表面溫度場測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測溫裝置，具體指在連鑄二冷密閉室內實現鑄坯表面溫度 場長期準確的測量裝置。本測溫裝置主要應用于連鑄二次冷卻過程鑄坯表面溫 度場在線測量、加熱爐內加熱鋼坯在線測溫、軋制過程軋件表面溫度場在線測 量等連續性生產系統，對實現在粉塵、水氣、氧化鐵皮及強磁場干擾等復雜環 境下長期在線、連續、準確的溫度場測量，提高生產工藝控制水平和產品質量 具有重要意義。
背景技術：
連鑄坯表面溫度場的測量和控制，對提高鑄坯表面質量具有重要的意義， 具體體現在如下幾個方面1、實時監控鑄坯矯直溫度是否避開脆性溫度區間， 防止鑄坯在矯直段出現脆性變形；2、在線監控表面溫度的回升速度，減少鑄 坯內部裂紋；3、在線監控鑄坯冷卻速度，減少表面裂紋缺陷；4、在線監控 帶液芯鑄坯表面溫度實時值，防止鼓肚產生；5、在線監控連鑄坯橫向表面溫 度的均勻性，為連鑄二冷水各噴嘴控制回路提供反饋溫度場信號，實現連鑄 二冷水動態反饋控制。
在連續鑄錠二冷密閉室中，連鑄坯是高溫運動的物體，且處在高水霧、 高熱輻射和強磁場的環境中，同時鑄坯表面布滿不規整的氧化鐵皮和水膜， 鑄坯表面不規整的氧化鐵皮和水膜導致被測表面各點的發射率s不是一個常 數，發生無規律的非線性變化。探測器與鑄坯表面光路中的高水霧彌散介質 的存在，使鑄坯表面輻射電磁波受到反射、折射、吸收等彌散作用，導致較 大的溫度測量誤差。強磁場環境導致探測器輸出信號發生嚴重的干擾，也影 響測量精度。這些因素導致采用常規的接觸式測溫法(如采用熱電偶、熱電阻等測量方法)和非接觸測溫法(如常規紅外測溫儀、熱像儀等)，都無法實 現二冷密閉室的連鑄坯表面溫度(包括單點溫度和溫度場)的在線測量。而 當今的高質量、自動化連鑄坯生產又要求較準確的、實時的(在線)溫度數 據，以反映當前鑄坯質量及作相應的調整操作，實現二冷區配水的動態控制。 目前，對運動目標的溫度測量方法大都采用基于光電效應和熱輻射相關原理
的非接觸式測溫，如單點溫度測量儀主要包括西光IRT-1200D型、HCW-III型、 HCW-V型；YHCW-9400型；WHD4015型(雙瞄準，目標D40mm，可達15m)、 WFHX330型(光學瞄準，目標D50mm，可達30m);美國生產的PM-20、 30、 40、 50、 HAS-201測溫儀；瑞典AGA公司TPT20、 30、 40、 50等紅外 測溫儀。紅外熱像儀主要包括日本TVS-2000、 TVS-100;美國PM-250，瑞典 AGA-THV510、 550、 570等，但這些非接觸式測溫儀和紅外熱像儀在這種測 溫環境中無法長期運行且保證測量的精度，無法直接應用于二冷密閉室內連 鑄坯表面溫度場的在線測量。
為避免水霧介質和鑄坯表面水膜等對輻射電磁波的影響，通常的做法是 采用高速氣流吹掃光路的方法以減弱水霧介質對輻射電磁波的彌散作用，并 且考慮光路的要求，氣流是垂直噴向鑄坯表面的，吹掃氣一般采用室溫壓縮 空氣或工業氮氣，在被測高溫鑄坯表面發生對流熱交換，使鑄坯測試點的溫 度產生較大幅度的降低，大大增加溫度測量誤差。對于彌散介質對測溫的影 響，有的根據光路在彌散介質的反射、折射及吸收概率事件，采用蒙特卡洛 法(Monte Carlo Method, MCM)對輻射傳遞方程求解并重構被測空間的溫 度場，這種重構方法由于很難準確獲得光路空間彌散介質的粒子濃度場，且 計算收斂時間長，因而獲得的溫度準確度低且無法實現實時測量。為了減少 彌散介質對測溫精度的影響，也有采用比色模型進行測量的，這種方法采用 兩種波長的電磁波進行比色測量，光路中的水霧等彌散介質對兩種電磁波都 有吸收，吸收率雖不同，但對單色輻射強度比值的影響相對較少，與單色法 比，比色法能提高測量精度，但受彌散介質的影響，且比色模型中的系數難 以標定，也無法保證測量的精度。有的采用三色法進行溫度測量，這種方法不需知道被測固體表面的發射率，通過避開選擇性氣體的吸收峰對紅外波長 的電磁波能量的吸收來提高測溫的準確度，由于這種儀表的穩定性受限于濾 光片、探測器的光譜穩定性和波長(波長段)選擇的局限，同時結構復雜， 價格昂貴，目前在工業上還沒有得到廣泛的應用。
目前對連鑄現場鑄坯表面溫度測量基本側重于采用手持式紅外測溫儀離 線測量鑄坯表面溫度，也有采用紅外熱像儀離線測量鑄坯表面溫度場，屬于 離線便攜式測量方式，且這種方法無法實現連鑄二冷密閉室內鑄坯表面溫度 及溫度場的在線測量。對二冷密閉室內高溫、高水霧、強磁場的惡劣環境下， 如何保證測量儀長期在線、連續的工作，并對穩定測溫誤差不產生太大的影 響的情況下，獲得鑄坯表面溫度場的研究工作基本沒有涉及。目前，在連鑄 生產現場，還沒有一套能長期穩定、準確測量二冷密閉室內鑄坯表面溫度場 的在線測量系統，而保證高質量鑄坯生產的二冷水動態控制技術，亟需解決 二冷密閉室內連鑄坯表面溫度場能穩定可靠在線測量。
綜上所述，在線測量二冷密閉室鑄坯表面溫度場在工程上是一個難題。 既要解決被測物體與測溫探測器之間的高濃度水霧介質對輻射測溫的影響， 又要防止因測溫環境的惡劣使得測溫探頭被污染而造成溫度測量誤差，同時， 在強磁場環境條件下保證信號的可靠傳輸，實現連鑄二冷密閉室鑄坯表面溫 度場長時間穩定、準確、連續測量，是本領域技術人員亟待解決的問題。
發明內容
針對現有技術存在的上述不足和技術上亟待解決的問題，本發明的目的是 提供一種鑄坯表面溫度場測溫裝置，以實現連鑄二冷密閉室鑄坯表面溫度場的 長期、準確在線測量。
本發明的目的是這樣實現的連鑄二冷密閉室鑄坯表面溫度場測量裝 置，它包括紅外線陣CCD攝像機、冷卻套管和隔熱保護套管，在隔熱保護套
管前端設有耐高溫的石英玻璃，紅外線陣CCD攝像機設于隔熱保護套管內。 冷卻套管套于隔熱保護套管外，冷卻套管與隔熱保護套管之間形成氣流通道。在冷卻套管后端和前端分別設有入口氣體分流器和出口氣流分離器，入口氣體分流器上設有冷卻氣體入口、冷卻氣體出口和信號線出口，冷卻氣體入口和信號線出口為同一個口，冷卻氣體出口對應著氣流通道。出口氣流分離器上設有冷卻氣體出口 ，在出口氣流分離器前端設有使氣流呈線狀橫向吹掃至鑄坯表面的導向機構。
所述紅外線陣CCD攝像機包括CCD探測器，CCD探測器為響應光譜為0.95-1.1 m的硅二極紅外探測器線陣陣列；或者所述紅外線陣CCD攝像機包括CCD探測器和濾光片，濾光片窄帶中心波長為l.Oym。
進一步地，在石英玻璃側前方設有清洗機構，清洗機構包括輸水管道和位于輸水管道尾端且對著石英玻璃的噴水嘴，在輸水管道上設有電磁閥，隔熱保護套管內設有通過檢測透過石英玻璃的光強信號來判斷石英玻璃污染程度的光強傳感器，光強傳感器與電磁閥連接。當石英玻璃臟到一定程度而影響紅外線陣CCD攝像機所獲圖片效果時，就對石英玻璃進行清洗。
在隔熱保護套管內設有溫度傳感器，溫度傳感器與冷卻氣體控制閥連接以調節冷卻氣體流量，從而始終使紅外線陣CCD攝像機在控制的溫度范圍內工作。所述溫度傳感器為熱敏電阻。
為了達到更好的隔熱效果，所述隔熱保護套管由同心、等高的三層構成，紅外線陣CCD攝像機、溫度傳感器和光強傳感器位于最里層隔熱保護套管內。
相比現有技術，本發明的最大優點在于能夠在二冷密閉室實現鑄坯表面溫度場的長期、穩定、連續、準確的測量，具體體現在以下幾點
① 采用線陣紅外CCD探測器，響應波譜選擇在水霧介質很強的0.95-l.lpm近紅外波長段，采用透射式光學系統，透鏡采用能透過相應波段輻射的材料，測量700。C以上的波段主要在l.(Vm范圍的近紅外區，能有效克服探測器與被測鑄坯表面測量光路彌散水霧介質帶來的影響；同時采用線陣紅外CCD,能實現連鑄二冷密閉室某一橫向位置上不同時序的鑄坯表面溫度場熱圖像和溫度值分布，表達直觀、形象。
② 線陣紅外CCD探測器采用四層保護結構，冷卻套筒與最外層隔熱保護套管采用壓縮空氣或工業氮氣進行氣冷，最外層與中間層、中間層與最內層
隔熱保護套管為空氣間隙；同時設置有熱敏電阻，對內部工作環境溫度進行 實時監控，檢測信號通過1000M以太網采用TCP/IP協議進行傳輸，保證探 測器耐高溫環境能力強，完全滿足連鑄二冷密閉室高溫環境測量的要求。同 時，探測器成像鏡頭處于一個高度密封的環境中，以形成一個高潔凈度的空 間。
③設置有使氣流呈線狀橫向吹掃至鑄坯表面的導向機構，導向機構根據 鑄坯橫向測量范圍而定，能在測量光路空間形成一條壓縮空氣或工業氮氣彌散 介質，減少水霧介質和鑄坯表面水膜帶到的測溫誤差；同時，設置有臟窗口自 動檢測與清洗機構，以保證石英玻璃的潔凈度。
采用1000M以太網接口，通過快門時間接口模塊實現CCD快門時間的 遠程控制，防止CCD探測器熱輻射過大導致勢阱中的電荷飽和并出現電荷"溢 出"而導致的圖像"發白"現象。
圖l-本發明結構示意圖。
具體實施例方式
參見圖l，從圖上可以看出，本發明連鑄二冷密閉室鑄坯表面溫度場測 量裝置，主要包括清洗機構l、石英玻璃2、紅外線陣CCD攝像機3、入口氣 體分流器5、冷卻套管6、隔熱保護套管7、冷卻氣體出口8、出口氣流分離 器9、導向機構IO。
紅外線陣CCD攝像機3設于隔熱保護套管7內，石英玻璃2設于隔熱保 護套管7前端,石英玻璃的作用是防止污染介質進入隔熱保護套管內而對CCD 攝像機帶來損害，由于鑄坯溫度很高，因此石英玻璃應當耐高溫。冷卻套管 6套于隔熱保護套管7夕卜，冷卻套管6與隔熱保護套管7之間形成氣流通道4。 在冷卻套管6后端和前端分別設有入口氣體分流器5和出口氣流分離器9，入口氣體分流器5上設有冷卻氣體入口 11、冷卻氣體出口 12和信號線出口 13， 冷卻氣體入口 ll和信號線出口 13為同一個口，冷卻氣體出口 12對應著氣流 通道4。出口氣流分離器9上設有冷卻氣體出口 8，在出口氣流分離器9前端
設有使氣流呈線狀橫向吹掃至鑄坯表面的導向機構10。
紅外線陣CCD攝像機3包括紅外CCD探測器、成像光路裝置，紅外CCD 探測器響應光譜為0.95-1.lpm的硅二極紅外探測器陣列，光學聚焦系統采用 鍺材料制成的透鏡和窄帶中心波長為L0nm的濾光片，CCD探測器帶有 1000M以太網接口，同時具備快門時間可控功能，可根據成像效果通過遠程 設定CCD快門時間。
進一步地，在石英玻璃2側前方設有清洗機構1，清洗機構包括輸水管道 和位于輸水管道尾端且對著石英玻璃的噴水嘴，在輸水管道上設有電磁閥，隔 熱保護套管內設有通過檢測透過石英玻璃的光強信號來判斷石英玻璃污染程 度的光強傳感器，光強傳感器與電磁閥連接。當石英玻璃臟到一定程度而影響 紅外線陣CCD攝像機所獲圖片效果時，就對石英玻璃進行清洗。具體說，當 光強傳感器檢測到光強信號，判斷窗口 (石英玻璃)臟程度，發出控制信號， 控制電磁閥的開啟及關閉，開啟時間由電磁閥內部參數根據需要設定，對高溫 石英玻璃2進行清洗。
在隔熱保護套管內設有溫度傳感器，溫度傳感器與冷卻氣體控制閥連接以 調節冷卻氣體流量，從而始終使紅外線陣CCD攝像機在控制的溫度范圍內工 作。所述溫度傳感器為熱敏電阻。
為了達到更好的隔熱效果，所述隔熱保護套管由同心、等高的三層構成， 紅外線陣CCD攝像機、溫度傳感器和光強傳感器位于最里層隔熱保護套管內。
開始測量時，將壓縮空氣或工業氮氣(壓力為0.3-0.5MPa，空氣流量為 300~500L/h)經附屬裝置(油水分離器、干燥器及過濾器)處理后，通過耐 高溫阻燃金屬軟管，通過冷卻氣體入口 11進入入口氣體分流器5，在入口氣 體分流器5內對氣體進行恒壓后由冷卻氣體出口 12送入氣流通道4，對紅外 線陣CCD攝像機3所在環境進行氣體冷卻，冷卻氣體通過氣流通道4后再進入出口氣流分離器9，在出口氣流分離器9內進行恒壓后，送入導向機構IO， 形成擴散型線狀噴射氣體流，對成像光路及鑄坯表面水膜進行吹掃。
高溫鑄坯表面輻射電磁波，通過吹掃介質及部分水霧介質，穿過石英玻 璃，通過成像聚焦鏡頭，達到線陣CCD探測器，CCD探測器響應0.95-1.lpm 的波譜，并根據設定的成像參數，形成鑄坯溫度熱圖像，通過1000M以太網 接口送出。根據溫度熱圖像的情況，通過以太網接口控制CCD探測器的快門 時間，以獲得滿意的熱圖像，通過獲得熱圖像，進行圖像分析和計算，并采 用最大化處理算法，消除鑄坯表面氧化鐵皮對測溫的干擾，獲取鑄坯橫向不 同時序的溫度場梯度分布。同時，CCD探測器內部熱敏傳感單元(溫度傳感 器)檢測內部工作溫度，并通過以太網接口將工作溫度信號送出并控制冷卻 氣光路的調節闊，對冷卻氣體的流量進行反饋控制，以保證合適的冷卻強度。 通過最里層隔熱保護套管內的光強傳感器對透光窗口 (石英玻璃)進行檢測， 根據檢測的光強信號判斷石英玻璃的污染程度，并控制噴水嘴管道的電磁閥， 開啟時間由電磁閥內部參數確定，對石英玻璃窗口進行清洗。
權利要求
1、連鑄二冷密閉室鑄坯表面溫度場測量裝置，其特征在于它包括紅外線陣CCD攝像機(3)、冷卻套管(6)和隔熱保護套管(7)，在隔熱保護套管(7)前端設有耐高溫的石英玻璃(2)，紅外線陣CCD攝像機(3)設于隔熱保護套管(7)內；冷卻套管(6)套于隔熱保護套管(7)外，冷卻套管(6)與隔熱保護套管(7)之間形成氣流通道(4)；在冷卻套管(6)后端和前端分別設有入口氣體分流器(5)和出口氣流分離器(9)，入口氣體分流器(5)上設有冷卻氣體入口(11)、冷卻氣體出口(12)和信號線出口(13)，冷卻氣體出口(12)對應著氣流通道(4)，出口氣流分離器上設有冷卻氣體出口；在出口氣流分離器(9)前端設有使氣流呈線狀橫向吹掃至鑄坯表面的導向機構(10)。
2、 根據權利要求1所述的連鑄二冷密閉室鑄坯表面溫度場測量裝置， 其特征在于所述紅外線陣CCD攝像機包括CCD探測器，所述CCD探測器 為響應光譜為0.95-1.1 ii m的硅二極紅外探測器線陣陣列。
3、 根據權利要求1所述的連鑄二冷密閉室鑄坯表面溫度場測量裝置， 其特征在于所述紅外線陣CCD攝像機包括CCD探測器和濾光片，濾光片窄 帶中心波長為1.0 um。
4、 根據權利要求1或2或3所述的連鑄二冷密閉室鑄坯表面溫度場測 量裝置，其特征在于在石英玻璃(2)側前方設有清洗機構(1)，清洗機構 包括輸水管道和位于輸水管道尾端且對著石英玻璃的噴水嘴，在輸水管道上設 有電磁閥，隔熱保護套管內設有通過檢測透過石英玻璃的光強信號來判斷石 英玻璃污染程度的光強傳感器，光強傳感器與電磁閥連接。
5、 根據權利要求4所述的連鑄二冷密閉室鑄坯表面溫度場測量裝置， 其特征在于在隔熱保護套管內設有溫度傳感器，溫度傳感器與冷卻氣體控制 閥連接以調節冷卻氣體流量，所述溫度傳感器為熱敏電阻。
6、 根據權利要求5所述的連鑄二冷密閉室鑄坯表面溫度場測量裝置，其特征在于所述隔熱保護套管(7)由同心、等高的三層構成，紅外線陣CCD攝像機、溫度傳感器和光強傳感器位于最里層隔熱保護套管內。
7、根據權利要求5或6所述的連鑄二冷密閉室鑄坯表面溫度場測量裝 置，其特征在于入口氣體分流器(5)上的冷卻氣體入口 (11)和信號線出 口 (13)為同一個口。
全文摘要
本發明涉及連鑄二冷密閉室鑄坯表面溫度場測量裝置，隔熱保護套管前端設有耐高溫的石英玻璃，在石英玻璃側前方設有清洗機構。紅外線陣CCD攝像機設于隔熱保護套管內，冷卻套管套于隔熱保護套管外。在冷卻套管上設有入口氣體分流器和出口氣流分離器，出口氣流分離器前端設有使氣流呈線狀橫向吹掃至鑄坯表面的導向機構。本發明能有效克服測量光路彌散水霧介質帶來的影響，通過溫度傳感器使紅外線陣CCD攝像機在控制的溫度范圍內工作，攝像機耐高溫能力強，而清洗機構的設置可保證石英玻璃的潔凈度，因此能夠在二冷密閉室實現鑄坯表面溫度場的長期、穩定、連續、準確的測量。
文檔編號B22D11/16GK101664794SQ20091019087
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月16日 優先權日2009年9月16日
發明者健 張, 歐陽奇, 溫良英, 趙和明, 趙立明, 陳登福 申請人:重慶大學