用于熔融金属等物质温度测量的浸入式传感器及其测量方
法
[0001]
技术领域
[0003]
背景技术
[0004] 必须掌握液体金属的温度，因为它直接影响了最终产品的品质以及金属厂的生产效率。为了测量熔融金属温度，我们使用了多种浸入式温度测量工艺。在所有这些工艺中，光学温度测量和热电温度测量得到了广泛应用。
[0005] 从传统意义上来讲，浸入式热电温度传感器均采用
热电偶，但这些传感器在很多应用情况下并不可行。具体而言，原因在于他们不能避免电磁
辐射的干扰，响应时间较慢，且只允许较低的取样
频率。采用非
接触式高温测定法，用于测量
钢温度是一项已知工艺，且很多
专利都对这项工艺进行了详细介绍，例如：US 4462698、US 5769540等等。非接触式高温测定法的主要缺点在于，不仅从待测热体，而且还从附近总是存在的其它热体处，都收到了入射辐射。由于这些热体本身的发射率不同且引起的误差错综复杂，难以得到量化，甚至消除。大致来讲，非接触式高温测定工艺的误差大，而且有些误差还可能超出该行业能接受的公差。
[0006] 此项技术中同样已知的是，即采用接触式/浸入式温度传感器，它不是从热体表面接收辐射并进行温度分析，而是将一个包含光纤的
探头浸在金属中。US 6004031和US6357910 B1描述了一种温度测量的相似工艺，其中，光纤以卷筒的形式存在。卷筒的一端浸在熔融金属中，而另一端则连在辐射
温度计上，优选地为光测
高温计。尽管如此，由于使用了卷筒形式的光纤，每次浸润时都要消耗一段光纤，长度与炉渣厚度相当。因此，每次测量都会损耗昂贵的光纤。
[0007] 第二个与现用接触式/浸入式测量相关的问题，就是当金属包覆的光纤尖头，在检测好钢液温度后，长时间浸在钢液中，光纤的金属涂层在高温环境下就容易变成气体。然后，产生的气体就从光纤尖头处逸出，与
氧气结合
后燃烧。为了避免此类事故的发生，在测量好钢液温度后，
马上将金属包覆的光纤尖头从钢液中拿出。然后，作为温度测量元件使用的尖头就必须在下一次温度测量循环前切断，并在下一次测量循环时将新的尖头浸在钢液中。
[0008] 第三个缺点在于热体的
信号会随着光纤长度而大大衰减。因此，辐射温度计接收的信号较弱，信号噪音比较低。此外，衰减与长度成非线性关系，由于光纤长度不时在变化，因此需要不断做调整，来适应不断变化的衰减，从而给测量带来了误差。
[0009] 第四个局限在于上述提到的工艺，旨在设计成连续测量工艺，但并不适用于某些只需要测试临界时刻的瞬时温度的领域。通过使用连续工艺，用户必须在整个时间范围内，甚至温度不在
临界点的阶段，持续测量温度，从而导致了经济效率低下。
[0010] 除了现用测量系统上述构造上的局限外，同样已知的是这些系统在取得准确以及较快温度测量方面也存在某些限制。该行业内使用辐射高温计进行温度测量的典型工艺有单色和双色高温测定法两种。在单色高温测定法中，
波长没有得到区分，且高温计上的整个辐射入射通过斯蒂芬-波尔兹曼定律进行了温度的测量和关联。在双色高温测定法中，选用了两种波长，且这两种波长的辐射强度，通过普朗克定律进行了温度的测量和关联。普朗克定律是热体温度和发出辐射强度之间的一种类关联。将普朗克定律减到只有2个波长，就可实现很大的简化。一个内在假设就是热体的发射率不随波长变化而变化。多波长高温测定法排除了双色高温测定法的假设。此外，
光谱上的任何化学作用都得以消除。多波长高温测定法为一项已知工艺，且US 6357910 B1公开了一种方法和器具，其系通过多波长高温测定工艺，来测量辐射体的温度。尽管如此，由于通过处理大量数据来准确预测温度，多波长高温测定法倾向于包含强烈以及耗时的工艺步骤。
[0011] 因此，所有此类已知工艺，特别是用于熔融金属温度测量的接触式温度传感器，要么为结构复杂或使用成本高的设备，不便多次重复用于熔融金属温度测量，要么存在某些局限，难以达到准确以及较快测定熔融金属/钢液温度的预期
水平。因此，本技术需要为熔融金属温度测量开发一种方法和器具，专
门用于多种用途，并适用于任何一种金属，且能准确较快的完成预期温度水平的测定。
[0012]
发明内容
[0013] 针对
现有技术的不足，本发明的目的旨在于提供一种用于熔融金属等物质温度测量的浸入式传感器及其测量方法，其涉及熔融金属等物质温度测量的多项改进措施，特别是熔融金属温度测量用浸入式传感器的多项改进，更特别是一种光纤温度传感器。重要的是，本发明传感器旨在为熔融金属提供方便、节约成本以及离散时间的温度测量。有利的是，本发明旨在开发的一种温度传感器装置，不易受到外部
电磁辐射干扰，节约成本，且不会随着材料发射率的变化而变化，并能用于测量熔融金属温度，而无须考虑金属特性。
[0014] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：这种传感器包括：
a. 一个能浸在熔融金属中的探头插座；
b. 至少一条光纤，装设于探头插座内，其用于探测和收集包括熔融金属所发出的辐射的
光信号，所述探头插座使得光纤的入射辐射接近
黑体发射率；
c. 一个与上述光纤有效连接的检测器组件，用于根据所探测到和收集到的由熔融金属所发出的辐射有效测量熔融金属的温度。
[0015] 进一步地，上述熔融金属温度测量用浸入式传感器，包括一层保护性难熔材料，包围光纤并使其牢牢固定在所述的探头插座内。
[0016] 进一步地，在浸入式传感器中，所述装设于探头插座的光纤外
覆盖有缓冲材料或包括可提高强度的金属元素的材料。
[0017] 进一步地，在浸入式传感器中，探头插座是由以下任何一种或多种材料选取得到，其中陶瓷包括
树脂复模砂、氧化
铝、堇青石、镁
碳、
石墨、氧化锆等；塑料包括胶木；而金属则包括
不锈钢。
[0018] 进一步地，在浸入式传感器中，光纤包括以下任何一种或多种材料，例如：
石英玻璃、塑料涂覆石英、石英和蓝
宝石、氟化
钙、氟化镁等以及其他适于温度测量的传输性光纤。进一步地，在浸入式传感器中，保护性材料包括难熔材料，优选地是从氧化铝、树脂复模砂、镁碳、氧化锆或石英中选取，并与有机和
无机粘结剂混合。
[0019] 进一步地，在浸入式传感器中，保护性材料包括一个实心的难熔陶瓷
块，优选地为氧化铝、石英、镁碳、氧化锆等。
[0020] 进一步地，在浸入式传感器中，所述探头插座为杯状，光纤收容于探头插座中，且光纤的前端部延伸至探头插座外，以使得探头插座浸在熔融金属中时，光纤的前端部直接与熔融金属接触。
[0021] 进一步地，在浸入式传感器中，所述探头插座为杯状的难熔材料涂层，该难熔材料涂层完全包围光纤，包括覆盖光纤的前端部，使得光纤在与金属接触时得到所述难熔材料涂层的保护，而涂层优选地具有较高的热导率，优选地包含碳。
[0022] 进一步地，在浸入式传感器中，所述有效连接的探头插座指的是适用于多次浸润以及多次测量熔融金属温度。
[0023] 进一步地，在浸入式传感器中，探头插座与喷头有效连接，从而有助于将内含光纤的探头插座浸在熔融金属中，取出后还能继续使用。
[0024] 进一步地，在浸入式传感器中，所述检测器组件通过所述喷管内的绝缘光缆与光纤有效连接之后，将
纤维接收到的光信号进行解码。
[0025] 进一步地，在浸入式传感器中，所述检测器组件包含光检测
电路，用于根据所输入的光信号和处理单元生成
数字信号，其中该数字信号可为任何包括熔融金属温度的合适物理量值。
[0026] 进一步地，在浸入式传感器中，所述检测器组件包含一只高温计，用于根据来自光纤的
输入信号感测熔融金属的温度。
[0027] 进一步地，浸入式传感器包含一个校准用
光源，在熔融金属每次浸润前，对光纤传感器进行校准。
[0028] 进一步地，在浸入式传感器中，所述光纤所测量的温度范围为150℃-2000℃。
[0029] 进一步地，在浸入式传感器中，所述难熔材料涂层具有表面粗糙度，从而加强了发射率。
[0030] 进一步地，浸入式传感器包括将整个探头插座包围在难熔保护性材料中，从而在熔融金属中确保更长的滞留时间。
[0031] 进一步地，在浸入式传感器中，光纤被包围在一个保护性
套管中，优选地为钢护套，套管的一端固定在包含保护性材料的探头插座中。
[0032] 进一步地，在浸入式传感器中，选取的光纤用于测量熔融金属温度，而熔融金属则从元素周期表中的任何金属中选取。
[0033] 根据本发明的另一方面，公开了一种测量熔融金属等物质的方法，涉及一种浸入式传感器，包括：a. 将探头插座浸在熔融金属中；
b. 采集光信号，其包括经由探头插座内含光纤从熔融金属中发出的辐射；
c. 将光信号发送至检测器组件并对所述光信号进行处理，从而测定熔融金属的温度。 [0034] 根据上述熔融金属温度测量方法的另一方面，所述熔融金属温度在所述检测器组件中进行检测，并基于所述光纤发出的光信号，涉及多色高温测定工艺。
[0035] 根据上述熔融金属温度测量方法的另一方面，所述高温测定工艺包括：a. 接收探测组件的金属辐射，其中该金属辐射通过所述光纤获得；
b. 通过双色高温测定公式估算温度，其中两个波长为任意选取值；
c. 通过多色高温测定工艺完善估算的温度。
[0036] 进一步地，熔融金属温度测量方法包括使用每次浸润前的已知光源对传感器进行校准。
[0037] 因此，本发明涉及开发一种用于测量熔融金属温度的浸入式传感器。传感器探头优选地包含一个插座，插座则包含一条光纤来检测温度。最好是插座为陶瓷材料，但也可包含塑料/金属或能耐受高温的其他材料。最好是插座为杯状，这样就能容纳光纤。光纤可为标准单模/多模玻璃纤维或蓝宝石纤维。光纤直径为1μm~30mm。最好直径在9μm~1mm之间。光纤对熔融金属发出的辐射进行检测并采集后，再传输给检测器组件。最好光纤的缓冲材料或覆盖材料包含金属元素，这样就能增强强度。传感器也可配置炉渣
保护罩，这样就能避免炉渣或其他材料粘在传感器上。
[0038] 重要的是，在探头体内，光纤周围被保护性材料包围。保护性材料最好为难熔材料，原因在于难熔材料有以下多种作用，包括：第一，光纤上的辐射入射更接近于黑体辐射，而发射率更接近于黑体发射率。
[0039] 第二，具有不同发射率的外部光源所发出的辐射在光纤上可以避免入射。
[0041] 在本发明一个
实施例中，光纤的前端部得到，具有已知发射率和较佳热导率的难熔材料的保护。光纤完全不会与熔融金属有直接接触。只有难熔材料才会与液体金属接触，待测定难熔材料的温度后将其校准到熔融金属的温度水平。这样做的优势在于金属组成和发射率的变化，不会引起温度的变化，而且探头还能准确测定温度。此外，既然不同金属的金属发射率变化不会影响测定温度，那么该探头就可通用于所有金属和材料。
[0042] 在另一个实施例中，光纤内置在一个套管中，而套管则内置在保护性难熔材料中。套管最好是金属或石英材质。
[0043] 通过金属或陶瓷或其他能耐受1500℃-1700℃温度的材料所制的喷管，该传感器被浸在熔融金属中。喷管内含一条铠装的光纤，并经由接点块与探头内的光纤连接。喷管通过一层保护性涂层免受液体金属的影响，而保护性涂层则由纸板或其它合适的绝缘材料构成，取决于熔融金属的浸润时间，并经由
粘合剂紧紧贴在探头上。牢牢地将纸板卷成一个纸管并用相应的粘合剂粘牢，这样在燃烧时就不会与熔融金属接触，只会逐层燃烧，给浸润以及将传感器从熔融金属中拿出都留足了时间。
[0044] 在喷管的远端，光纤连在检测组件上。检测部件可包括光检测器或多色高温计。如果为光检测电路，那么该电路基于输入信号生成的数字输出，可以解读为多个不同的物
质量值，比如：温度（摄氏度或华氏度），且被一台电脑监控；如果为多色高温计，温度则通过多色高温测定公式得到。根据所用保护性护套的厚度，探头可多次浸润，只要测量的温度低于光纤材料的熔点即可。
[0045] 上述传感器装置不易受到外部电磁辐射干扰，节约成本，且不会随着材料发射率的变化而变化，并能用于测量熔融金属温度，而无须考虑金属特性。
[0047] 附图1和附图2为按照本发明，进行熔融金属等物质温度测量的浸入式传感器的，两个较佳实施例的示意图；附图3为按照本发明，进行熔融金属等物质温度测量，并带有检测器组件的浸入式传感器的实施例示意图。
[0048] 附图4和附图5为按照本发明，进行熔融金属等物质温度测量的浸入式传感器的更多实施例的示意图。
[0049]
具体实施方式
[0050] 下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：请参考附图1，传感器的较佳实施例包括一个杯状插座1，而插座1收容一光纤2，而光纤2则密封在一层保护性难熔材料3中。光纤2为单模/多模玻璃/石英/蓝宝石/其它光学导电材料，光纤2的直径为1μm~30mm（最好在9μm~1mm之间），保护性难熔材料3由氧化铝、树脂复模砂、镁碳、氧化锆或石英混合有机和无机粘合剂组成，从而为光纤提供结构支撑，并将发射率转移给黑体发射率。所示的夹片4是为了确保传感探头和喷管在浸润期间有更好的对准，插销5固定在夹片上，确保探头装置内的光纤能与附图3所示喷管上的光缆能对准，纸板做的纸管6则包含探头装置。
[0051] 附图2为浸入式温度传感器另一种传感探头的图示，其中该装置包含上述附图1实施例中所述的所有功能性元件，除了插销5以外。本实施例不采用插销作为连接器装置，这个实施例中，插槽16固定在夹片上，确保探头装置与喷管上的插销连接。
[0052] 附图4为按照本发明的另一传感探头实施例的示意图。在这个装置中，所有功能性元件与附图1中所示实施例一样，再加上一层难熔材料涂层7，其包围光纤的前端部。
[0053] 附图5为按照本发明的另一传感探头实施例的示意图。在这个装置中，所有功能性元件与附录1中所示实施例一样，再加上一个圆筒管8，其包围整根光纤2。
[0054] 附图3为按照本发明的浸入式温度传感器示例性组件的图示，其中该装置包含附图1、2、4或5中所示传感探头的任意一个，以及金属/陶瓷或其他能耐受高温的材料所制的喷管13，从而包含并支撑绝缘光纤9，将传感探头中的信号导向检测部件10，用于连接光缆和光纤的连接器11，包含连接器11的接点块12，包含光检测器或多色高温计的检测部件10以及传输检测器输出至电脑15的
电缆14。
[0055] 因此，在所示附图1和2中的实施例中，传感探头优选地包括一杯状的探头插座1，内含光纤2，从而捕获传输熔融金属发出的电磁辐射。插座应该为这样一种材料所制，即能耐受高温，为了使插座能够浸在熔融金属中，传感器本体最好为陶瓷材料，但可包含塑料/金属。直径为1μm~30mm（最好在9μm~5mm之间）的光纤，可以为标准单模/多模玻璃纤维或石英纤维或蓝宝石纤维的形式。光纤通过由氧化铝、树脂复模砂、镁碳、氧化锆或石英混合有机和无机粘合剂组成的保护性难熔材料3而固定在插座上。保护性难熔材料为光纤提供了结构支撑，并避免了金属渗透进入喷管。夹片4系固于光纤的后端。该夹片能确保传感器探头和装置其余部分之间对准到位。
[0056] 探头光纤和喷管13之间的耦合在附图1和2所示的实施例中有稍微不同之处。在一个实施例中，如附图1所示，插销5固定在夹片上，而该插销则连在喷管上的连接器上。或者在另一个实施例中，如附图2所示，插销位于喷管上，而插销用插槽16则位于传感器上。整个装置牢牢固定在套管6上，套管最好为纸板材料。
[0057] 在附图4所示的另一个实施例中，光纤部分或装置全部，被具有已知发射率和较佳热导率的难熔材料7覆盖在顶面上。该难熔涂层使得光纤不会与熔融金属直接接触，从而确保了该系统的更大应用范围，这样它就能用于测量任何金属的温度。此外，它还减少了因外部光源存在而产生的误差，原因在于光纤屏蔽了所有外部光源。在附图5所示的另一个实施例中，光纤2内含在一个套管内，材质为金属或石英或其它能耐受高温的材料。除了提供结构支撑外，该套管还能对光纤进行外部辐射源的屏蔽，并转移发射率给黑体发射率。
[0058] 如附图3所示，上述描述的装置通过一个内含连接器11的接点块12与喷管13连接。这两个连接器装置11、12的结合，确保了附图1、2、4或5所述的探头内光纤2，以及喷管内铠装光缆9的准确对齐。光缆接收光纤2的信号并将其传输给喷管的远端，其中光缆连在信号检测部件10上。在信号检测部件中，光信号通过光检测电路换算成等同数值。转换的数字信号经由光缆14送至电脑15。光缆14可为带毫伏信号的电缆或带数字输出数字电缆的串行电缆或将的数字输出至电脑的以太电缆。电缆14也可为任何将信号传至电脑的电缆。电脑15被当作算术和逻辑处理部件，其中数字信号被解读成任何合适的物理量值，例如：温度。其他实施例中，用其他基于算术和逻辑处理部件的
微处理器替代电脑。其他实施例中，将光检测电路和数值处理组成一个单独部件。
[0059] 根据本发明的另一方面，检测器组件可为简单的光检测电路，或者在随后温度测量必要的某些情况下，检测器组件可通过采用多色高温测定工艺进行改良。在这个方法中，首先两个波长为任意选取值（或由用户
选定），而温度则通过双色高温测定公式算得。在第一种猜测的
基础上，使用多色（至少3种
颜色）高温测定法进行温度的完善。
[0060] 一种校准用光源用来每次测量前的传感器校准，以减少不当连接而产生的误差。
[0061] 因此，可能的是，通过现有改良措施提供一种浸入式温度传感器，可用来测量不同金属不断变化的温度。本发明的传感器也适用于钢工业、铝熔炼以及具有较少变化或没有变化的
铸造业中的温度测量。此外，该装置还具有成本投入低、便于使用以及制造简便的特点。
[0062] 本发明的额外
修改和改进也应被所属领域的技术人员所了解。因此，本文中描述和解释的具体部件组合反而介绍了本发明较佳的实施例，而且也不是旨在于，限制本发明实质和范围内包含的其他装置或/和组合。
[0063] 本发明中描述的熔融金属温度测量系统，被用来开展预期准确熔融温度的测量以及准确较快的测量。
[0064] 本发明系统的测量则根据以下实例中详细介绍的协议进行：实例：测量熔融温度涉及本发明系统
为了测量熔融金属温度，采用了根据本发明的熔融金属温度测量用浸入式传感器。
[0065] 为了测量目的，采用了以下步骤：a. 将含有光纤的探头插座浸在熔融金属中；
b. 接收探测组件的金属辐射，其中该金属辐射通过所述光纤获得；
c. 将光信号发送至检测器组件，并对所述光信号进行处理，以测量熔融金属的温度，同时应用双色高温测定法和多色高温测定法。
[0066] 根据本发明系统上述方法，就热电耦和非接触性高温计工艺得到的有关数据，对对比性熔融金属温度测量进行了研究。
[0067] 对比性能研究结果见下表，其中给出了本发明优于现有其他熔融温度测量系统的优势所在。
[0068] 就现有已知热电偶和非接触性高温计以及表I中提供的结果，然后对根据本发明的测量系统性能和方法进行了研究：表I
这些结果表明，本发明方法，除了准确外，
比热电偶温度测量方法也更快。相比非接触性测量方法来说，虽然它也能提供结果时速度也比较快，但是测量工艺清楚表明，在准确计算熔融金属时存在问题，原因在于该方法有很多限制，例如：环境湿度、与测量系统的距离，等等。上述结果清楚并充分揭示了本测量系统和方法的优势所在，不管在测量速度还是准确度上，都占有优势，但最重要的就是它满足了本发明装置/系统重复使用的需求，使得本改进措施更易使用，且节约了成本，是实现熔融金属等物质温度测量简便、迅速以及准确的最佳选择。
[0069] 对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及
变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明
权利要求的保护范围之内。
