[发明专利]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

说明书

 

技术领域

本发明涉及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。

 

背景技术

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。

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。

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US 6357910 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。

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。

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。

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。

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。

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。

 

发明内容