连铸二冷密闭室铸坯表面温度场测量装置 【技术领域】
本发明涉及一种测温装置，具体指在连铸二冷密闭室内实现铸坯表面温度场长期准确的测量装置。本测温装置主要应用于连铸二次冷却过程铸坯表面温度场在线测量、加热炉内加热钢坯在线测温、轧制过程轧件表面温度场在线测量等连续性生产系统，对实现在粉尘、水气、氧化铁皮及强磁场干扰等复杂环境下长期在线、连续、准确的温度场测量，提高生产工艺控制水平和产品质量具有重要意义。
背景技术
连铸坯表面温度场的测量和控制，对提高铸坯表面质量具有重要的意义，具体体现在如下几个方面：1、实时监控铸坯矫直温度是否避开脆性温度区间，防止铸坯在矫直段出现脆性变形；2、在线监控表面温度的回升速度，减少铸坯内部裂纹；3、在线监控铸坯冷却速度，减少表面裂纹缺陷；4、在线监控带液芯铸坯表面温度实时值，防止鼓肚产生；5、在线监控连铸坯横向表面温度的均匀性，为连铸二冷水各喷嘴控制回路提供反馈温度场信号，实现连铸二冷水动态反馈控制。
在连续铸锭二冷密闭室中，连铸坯是高温运动的物体，且处在高水雾、高热辐射和强磁场的环境中，同时铸坯表面布满不规整的氧化铁皮和水膜，铸坯表面不规整的氧化铁皮和水膜导致被测表面各点的发射率ε不是一个常数，发生无规律的非线性变化。探测器与铸坯表面光路中的高水雾弥散介质的存在，使铸坯表面辐射电磁波受到反射、折射、吸收等弥散作用，导致较大的温度测量误差。强磁场环境导致探测器输出信号发生严重的干扰，也影响测量精度。这些因素导致采用常规的接触式测温法(如采用热电偶、热电阻等测量方法)和非接触测温法(如常规红外测温仪、热像仪等)，都无法实现二冷密闭室的连铸坯表面温度(包括单点温度和温度场)的在线测量。而当今的高质量、自动化连铸坯生产又要求较准确的、实时的(在线)温度数据，以反映当前铸坯质量及作相应的调整操作，实现二冷区配水的动态控制。目前，对运动目标的温度测量方法大都采用基于光电效应和热辐射相关原理的非接触式测温，如单点温度测量仪主要包括西光IRT-1200D型、HCW-III型、HCW-V型；YHCW-9400型；WHD4015型(双瞄准，目标D40mm，可达15m)、WFHX330型(光学瞄准，目标D50mm，可达30m)；美国生产的PM-20、30、40、50、HAS-201测温仪；瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等红外测温仪。红外热像仪主要包括日本TVS-2000、TVS-100；美国PM-250，瑞典AGA-THV510、550、570等，但这些非接触式测温仪和红外热像仪在这种测温环境中无法长期运行且保证测量的精度，无法直接应用于二冷密闭室内连铸坯表面温度场的在线测量。
为避免水雾介质和铸坯表面水膜等对辐射电磁波的影响，通常的做法是采用高速气流吹扫光路的方法以减弱水雾介质对辐射电磁波的弥散作用，并且考虑光路的要求，气流是垂直喷向铸坯表面的，吹扫气一般采用室温压缩空气或工业氮气，在被测高温铸坯表面发生对流热交换，使铸坯测试点的温度产生较大幅度的降低，大大增加温度测量误差。对于弥散介质对测温的影响，有的根据光路在弥散介质的反射、折射及吸收概率事件，采用蒙特卡洛法(Monte Carlo Method，MCM)对辐射传递方程求解并重构被测空间的温度场，这种重构方法由于很难准确获得光路空间弥散介质的粒子浓度场，且计算收敛时间长，因而获得的温度准确度低且无法实现实时测量。为了减少弥散介质对测温精度的影响，也有采用比色模型进行测量的，这种方法采用两种波长的电磁波进行比色测量，光路中的水雾等弥散介质对两种电磁波都有吸收，吸收率虽不同，但对单色辐射强度比值的影响相对较少，与单色法比，比色法能提高测量精度，但受弥散介质的影响，且比色模型中的系数难以标定，也无法保证测量的精度。有的采用三色法进行温度测量，这种方法不需知道被测固体表面的发射率，通过避开选择性气体的吸收峰对红外波长的电磁波能量的吸收来提高测温的准确度，由于这种仪表的稳定性受限于滤光片、探测器的光谱稳定性和波长(波长段)选择的局限，同时结构复杂，价格昂贵，目前在工业上还没有得到广泛的应用。
目前对连铸现场铸坯表面温度测量基本侧重于采用手持式红外测温仪离线测量铸坯表面温度，也有采用红外热像仪离线测量铸坯表面温度场，属于离线便携式测量方式，且这种方法无法实现连铸二冷密闭室内铸坯表面温度及温度场的在线测量。对二冷密闭室内高温、高水雾、强磁场的恶劣环境下，如何保证测量仪长期在线、连续的工作，并对稳定测温误差不产生太大地影响的情况下，获得铸坯表面温度场的研究工作基本没有涉及。目前，在连铸生产现场，还没有一套能长期稳定、准确测量二冷密闭室内铸坯表面温度场的在线测量系统，而保证高质量铸坯生产的二冷水动态控制技术，亟需解决二冷密闭室内连铸坯表面温度场能稳定可靠在线测量。
综上所述，在线测量二冷密闭室铸坯表面温度场在工程上是一个难题。既要解决被测物体与测温探测器之间的高浓度水雾介质对辐射测温的影响，又要防止因测温环境的恶劣使得测温探头被污染而造成温度测量误差，同时，在强磁场环境条件下保证信号的可靠传输，实现连铸二冷密闭室铸坯表面温度场长时间稳定、准确、连续测量，是本领域技术人员亟待解决的问题。
【发明内容】
针对现有技术存在的上述不足和技术上亟待解决的问题，本发明的目的是提供一种铸坯表面温度场测温装置，以实现连铸二冷密闭室铸坯表面温度场的长期、准确在线测量。
本发明的目的是这样实现的：连铸二冷密闭室铸坯表面温度场测量装置，它包括红外线阵CCD摄像机、冷却套管和隔热保护套管，在隔热保护套管前端设有耐高温的石英玻璃，红外线阵CCD摄像机设于隔热保护套管内。冷却套管套于隔热保护套管外，冷却套管与隔热保护套管之间形成气流通道。在冷却套管后端和前端分别设有入口气体分流器和出口气流分离器，入口气体分流器上设有冷却气体入口、冷却气体出口和信号线出口，冷却气体入口和信号线出口为同一个口，冷却气体出口对应着气流通道。出口气流分离器上设有冷却气体出口，在出口气流分离器前端设有使气流呈线状横向吹扫至铸坯表面的导向机构。
所述红外线阵CCD摄像机包括CCD探测器，CCD探测器为响应光谱为0.95-1.1μm的硅二极红外探测器线阵阵列；或者所述红外线阵CCD摄像机包括CCD探测器和滤光片，滤光片窄带中心波长为1.0μm。
进一步地，在石英玻璃侧前方设有清洗机构，清洗机构包括输水管道和位于输水管道尾端且对着石英玻璃的喷水嘴，在输水管道上设有电磁阀，隔热保护套管内设有通过检测透过石英玻璃的光强信号来判断石英玻璃污染程度的光强传感器，光强传感器与电磁阀连接。当石英玻璃脏到一定程度而影响红外线阵CCD摄像机所获图片效果时，就对石英玻璃进行清洗。
在隔热保护套管内设有温度传感器，温度传感器与冷却气体控制阀连接以调节冷却气体流量，从而始终使红外线阵CCD摄像机在控制的温度范围内工作。所述温度传感器为热敏电阻。
为了达到更好的隔热效果，所述隔热保护套管由同心、等高的三层构成，红外线阵CCD摄像机、温度传感器和光强传感器位于最里层隔热保护套管内。
相比现有技术，本发明的最大优点在于能够在二冷密闭室实现铸坯表面温度场的长期、稳定、连续、准确的测量，具体体现在以下几点：
①采用线阵红外CCD探测器，响应波谱选择在水雾介质很强的0.95-1.1μm近红外波长段，采用透射式光学系统，透镜采用能透过相应波段辐射的材料，测量700℃以上的波段主要在1.0μm范围的近红外区，能有效克服探测器与被测铸坯表面测量光路弥散水雾介质带来的影响；同时采用线阵红外CCD，能实现连铸二冷密闭室某一横向位置上不同时序的铸坯表面温度场热图像和温度值分布，表达直观、形象。
②线阵红外CCD探测器采用四层保护结构，冷却套筒与最外层隔热保护套管采用压缩空气或工业氮气进行气冷，最外层与中间层、中间层与最内层隔热保护套管为空气间隙；同时设置有热敏电阻，对内部工作环境温度进行实时监控，检测信号通过1000M以太网采用TCP/IP协议进行传输，保证探测器耐高温环境能力强，完全满足连铸二冷密闭室高温环境测量的要求。同时，探测器成像镜头处于一个高度密封的环境中，以形成一个高洁净度的空间。
③设置有使气流呈线状横向吹扫至铸坯表面的导向机构，导向机构根据铸坯横向测量范围而定，能在测量光路空间形成一条压缩空气或工业氮气弥散介质，减少水雾介质和铸坯表面水膜带到的测温误差；同时，设置有脏窗口自动检测与清洗机构，以保证石英玻璃的洁净度。
④采用1000M以太网接口，通过快门时间接口模块实现CCD快门时间的远程控制，防止CCD探测器热辐射过大导致势阱中的电荷饱和并出现电荷“溢出”而导致的图像“发白”现象。
【附图说明】
图1-本发明结构示意图。
【具体实施方式】
参见图1，从图上可以看出，本发明连铸二冷密闭室铸坯表面温度场测量装置，主要包括清洗机构1、石英玻璃2、红外线阵CCD摄像机3、入口气体分流器5、冷却套管6、隔热保护套管7、冷却气体出口8、出口气流分离器9、导向机构10。
红外线阵CCD摄像机3设于隔热保护套管7内，石英玻璃2设于隔热保护套管7前端，石英玻璃的作用是防止污染介质进入隔热保护套管内而对CCD摄像机带来损害，由于铸坯温度很高，因此石英玻璃应当耐高温。冷却套管6套于隔热保护套管7外，冷却套管6与隔热保护套管7之间形成气流通道4。在冷却套管6后端和前端分别设有入口气体分流器5和出口气流分离器9，入口气体分流器5上设有冷却气体入口11、冷却气体出口12和信号线出口13，冷却气体入口11和信号线出口13为同一个口，冷却气体出口12对应着气流通道4。出口气流分离器9上设有冷却气体出口8，在出口气流分离器9前端设有使气流呈线状横向吹扫至铸坯表面的导向机构10。
红外线阵CCD摄像机3包括红外CCD探测器、成像光路装置，红外CCD探测器响应光谱为0.95-1.1μm的硅二极红外探测器阵列，光学聚焦系统采用锗材料制成的透镜和窄带中心波长为1.0μm的滤光片，CCD探测器带有1000M以太网接口，同时具备快门时间可控功能，可根据成像效果通过远程设定CCD快门时间。
进一步地，在石英玻璃2侧前方设有清洗机构1，清洗机构包括输水管道和位于输水管道尾端且对着石英玻璃的喷水嘴，在输水管道上设有电磁阀，隔热保护套管内设有通过检测透过石英玻璃的光强信号来判断石英玻璃污染程度的光强传感器，光强传感器与电磁阀连接。当石英玻璃脏到一定程度而影响红外线阵CCD摄像机所获图片效果时，就对石英玻璃进行清洗。具体说，当光强传感器检测到光强信号，判断窗口(石英玻璃)脏程度，发出控制信号，控制电磁阀的开启及关闭，开启时间由电磁阀内部参数根据需要设定，对高温石英玻璃2进行清洗。
在隔热保护套管内设有温度传感器，温度传感器与冷却气体控制阀连接以调节冷却气体流量，从而始终使红外线阵CCD摄像机在控制的温度范围内工作。所述温度传感器为热敏电阻。
为了达到更好的隔热效果，所述隔热保护套管由同心、等高的三层构成，红外线阵CCD摄像机、温度传感器和光强传感器位于最里层隔热保护套管内。
开始测量时，将压缩空气或工业氮气(压力为0.3-0.5MPa，空气流量为300～500L/h)经附属装置(油水分离器、干燥器及过滤器)处理后，通过耐高温阻燃金属软管，通过冷却气体入口11进入入口气体分流器5，在入口气体分流器5内对气体进行恒压后由冷却气体出口12送入气流通道4，对红外线阵CCD摄像机3所在环境进行气体冷却，冷却气体通过气流通道4后再进入出口气流分离器9，在出口气流分离器9内进行恒压后，送入导向机构10，形成扩散型线状喷射气体流，对成像光路及铸坯表面水膜进行吹扫。
高温铸坯表面辐射电磁波，通过吹扫介质及部分水雾介质，穿过石英玻璃，通过成像聚焦镜头，达到线阵CCD探测器，CCD探测器响应0.95-1.1μm的波谱，并根据设定的成像参数，形成铸坯温度热图像，通过1000M以太网接口送出。根据温度热图像的情况，通过以太网接口控制CCD探测器的快门时间，以获得满意的热图像，通过获得热图像，进行图像分析和计算，并采用最大化处理算法，消除铸坯表面氧化铁皮对测温的干扰，获取铸坯横向不同时序的温度场梯度分布。同时，CCD探测器内部热敏传感单元(温度传感器)检测内部工作温度，并通过以太网接口将工作温度信号送出并控制冷却气光路的调节阀，对冷却气体的流量进行反馈控制，以保证合适的冷却强度。通过最里层隔热保护套管内的光强传感器对透光窗口(石英玻璃)进行检测，根据检测的光强信号判断石英玻璃的污染程度，并控制喷水嘴管道的电磁阀，开启时间由电磁阀内部参数确定，对石英玻璃窗口进行清洗。