Пирометр
Изобретение относится к измерительной технике. В изобретении предложено устройство для измерения температуры ванны расплавленного материала, которое содержит: а) огнеупорную установочную втулку, имеющую внешнюю поверхность для входа в контакт с ванной расплавленного материала, и внутреннюю полость, оптический пирометр, закрепленный на установочной втулке и содержащий установочную плату, которая приспособлена для введения в дополняющую выемку, расположенную у внешнего отверстия внутренней полости установочной втулки. Технический результат - повышение точности и воспроизводимости результатов измерения. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию устройства для измерения температуры ванны расплавленного материала, к созданию огнеупорной установочной втулки для использования в таком устройстве и к особому комплекту оптического пирометра с огнеупорной трубкой.
Ванна расплавленного материала, например ванна расплавленного металла, может иметь температуру до 1800°С или выше, причем часто требуется производить ее детальный и тщательный контроль, чтобы надлежащим образом управлять различными реакциями или операциями, проводимыми в ванне расплавленного материала. Обычно такая среда является разрушающей для термопар или других устройств контролирующего типа.
Радиационная пирометрия, которую чаще называют оптической пирометрией, позволяет производить измерение температуры материала за счет изменения теплового излучения, испускаемого материалом. Тепловое излучение является универсальным свойством вещества, которое присутствует при любой температуре выше абсолютного нуля. Для оптической пирометрии полезная часть теплового излучения, испускаемого большинством материалов, является непрерывной в спектральном диапазоне ориентировочно от 0.3 до 20 мкм. Этот спектральный диапазон включает в себя ультрафиолетовое (УФ) излучение до 0,38 мкм; видимый диапазон (VIS) от 0.38 до 0.78 мкм и инфракрасное (ИК) излучение от 0.78 до 20 мкм. ИК-излучение дополнительно подразделяют на три сегмента, а именно ближняя ИК-область спектра (от 0.78 до 3 мкм), средняя ИК-область спектра (от 3 до 6 мкм) и дальняя ИК-область спектра (свыше 6 мкм). Распределение теплового излучения материала в спектральном диапазоне является функцией как температуры, так и излучательной способности материала. Более высокие температуры сдвигают распределение в направлении более коротких длин волн. Более высокая излучательная способность увеличивает тепловое излучение при заданной температуре, в то время как более низкая излучательная способность снижает тепловое излучение при заданной температуре. Оптическая пирометрия использует излучательные свойства и свойства распространения материала для установления температуры материала за счет измерения интенсивности теплового излучения материала в УФ- VIS- или ИК-областях.
В известном способе оптическое устройство контроля (оптический пирометр) помещают над ванной расплавленного материала для измерения температуры ванны. Однако могут возникать трудности при таком измерении, так как изолирующий слой шлака обычно присутствует над ванной расплавленного материала и действует как экран для оптического измерительного устройства. Более того может возникать пыль в пространстве над слоем шлака, которая может частично блокировать оптическое измерительное устройство, в результате чего получают неточное измерение температуры ванны.
В патенте США No. 5,302,027 раскрыто устройство для измерения температуры ванны расплавленного материала, которое позволяет исключить часть проблем, которые обсуждались здесь выше. Это устройство содержит:
a) огнеупорную установочную втулку, имеющую внешнюю поверхность для входа в контакт с ванной расплавленного материала и внутреннюю полость, причем указанная внутренняя полость имеет внутреннюю поверхность, внешнее отверстие и внутренний закрытый конец; и
b) оптический пирометр, установленный на верхней части установочной втулки и приспособленный для измерения теплового излучения, испускаемого зоной измерения, расположенной внутри внутренней полости установочной втулки и ниже верхнего уровня ванны расплавленного материала. Это устройство частично погружено в ванну расплавленного материала. Принцип способа измерения с использованием этого устройства основан на том факте, что тепловое излучение, испускаемое огнеупорным материалом, из которого изготовлена установочная втулка, связано с температурой ванны расплавленного материала. Огнеупорная установочная втулка действует в качестве экрана, который термически защищает оптический пирометр, а также позволяет производить измерения в зоне измерения, расположенной под изолирующим слоем шлака, гораздо ниже верхнего уровня ванны расплавленного материала.
Заявитель обнаружил, что температуры, измеренные при помощи такого устройства, являются неточными. Поэтому все еще существует необходимость в создании нового устройства для точного и тщательного измерения температуры ванны расплавленного материала.
Заявитель также обнаружил, что в ходе использования устройство подвергается таким вибрациям и ударам, что зона, в которой производятся изменения (то есть мишень или зона измерения) при помощи оптического пирометра, перемещается внутри внутренней полости, так что точные и надежные измерения не могут быть произведены. Определив эту проблему, заявитель, чтобы решить ее, разработал новую огнеупорную втулку, приспособленную для плотного введения в нее оптического пирометра.
В соответствии с настоящим изобретением, эта задача решена за счет использования устройства для измерения температуры ванны расплавленного материала, которое содержит:
а) огнеупорную установочную втулку, имеющую внешнюю поверхность для входа в контакт с ванной расплавленного материала и внутреннюю полость, причем указанная внутренняя полость имеет внутреннюю поверхность, внешнее отверстие и внутренний закрытый конец; и
b) оптический пирометр, закрепленный в установочной втулке и приспособленный для измерения теплового излучения, испускаемого зоной измерения, расположенной внутри внутренней полости установочной втулки и под верхним уровнем ванны расплавленного материал, причем предложенное устройство характеризуется тем, что внешнее отверстие внутренней полости приспособлено для плотного введения оптического пирометра.
Установочная втулка и оптический пирометр должны иметь средство взаимодействия для предотвращения относительного перемещения пирометра в ходе его использования, так чтобы зона измерения главным образом всегда была расположена в одной и той же зоне во внутренней полости и, следовательно, измерение было более надежным.
В соответствии с настоящим изобретением, средство взаимодействия, которое предотвращает относительное движение пирометра в ходе его использования, включает в себя установочную плату оптического пирометра, приспособленную для вхождения в дополняющую выемку, расположенную у внешнего отверстия внутренней полости установочной втулки.
В изобретении предлагается также огнеупорная установочная втулка для использования в устройстве для измерения температуры ванны расплавленного материала, имеющая внешнюю поверхность для входа в контакт с ванной расплавленного материала и внутреннюю полость, причем указанная внутренняя полость имеет внутреннюю поверхность, внешнее отверстие и внутренний закрытый конец, расположенный под верхним уровнем ванны расплавленного материала, при этом внешнее отверстие внутренней полости приспособлено для плотного введения оптического пирометра. В соответствии с изобретением, огнеупорная установочная втулка имеет выемку, расположенную у внешнего отверстия внутренней полости, приспособленную для плотного введения оптического пирометра, так что все его возможные относительные движения исключаются. Следовательно, огнеупорная установочная втулка позволяет решить указанную выше проблему, связанную с вибрациями и ударами, вызывающими перемещение зоны измерения оптического пирометра внутри внутренней полости, что не позволяло производить точные и надежные измерения.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, выемка имеет форму усеченного конуса.
В соответствии с другим вариантом изобретения, внутренняя полость является прямолинейной, так что если зона измерения движется, то исключается риск расположения указанной зоны измерения, например, на заплечике во внутренней полости. Однако следует иметь в виду, что эта характеристика прямолинейности не применима к зоне внешнего отверстия внутренней полости, которая, как уже было упомянуто здесь ранее, может иметь выемку.
Внутренний закрытый конец внутренней полости преимущественно расположен главным образом в плоскости, перпендикулярной продольной оси установочной втулки. В таком случае внутренний закрытый конец может создавать зону измерения, которая является главным образом однородной, в результате чего измерение температуры является весьма точным и надежным.
В соответствии с разновидностью этого последнего варианта изобретения внутренний закрытый конец является главным образом сферическим. Кривизну внутреннего закрытого конца преимущественно рассчитывают таким образом, что расстояние между зоной измерения и оптическим пирометром остается главным образом постоянным, даже в случае незначительного перемещения оптического пирометра.
Заявитель также обнаружил, что другим источником погрешности измерения может быть выделение паров (газов) или других летучих соединений огнеупорным материалом, доведенным до температуры использования. Эти пары или другие летучие соединения могут конденсироваться на оптическом пирометре (обычно на его визирной трубке), что блокирует полностью или частично измерительную способность. В некоторых случаях выделение паров или других летучих соединений приводит также к серьезному повреждению оптического пирометра. Поэтому в соответствии с предпочтительным вариантом огнеупорная установочная втулка спроектирована таким образом, чтобы исключить или ограничить выделение паров или других летучих соединений.
Обычные огнеупорные материалы, которые используют для изготовления защитных втулок для устройств измерения температуры, обычно получают за счет совместного прессования от 45 до 70 вес.% оксида алюминия и от 55 до 30 вес.% углерода. Отформованное изделие затем обжигают при температуре от 800 до 1100°С. Этот материал имеет отличную стойкость к тепловым ударам, стойкость к химическому воздействию и коррозионную стойкость.
Несмотря на то, что такой материал обычно используют в традиционной пирометрии, в ходе его использования происходит существенное выделение паров или других летучих соединений, что не позволяет производить надежные измерения в оптической пирометрии.
В соответствии с особым аспектом настоящего изобретения материал, образующий установочную втулку, обжигают при температуре свыше 1200°С, а преимущественно при температуре использования материала, что позволяет резко снизить выделение паров или других летучих соединений, однако при сохранении отличной стойкости материала.
В соответствии с предпочтительным вариантом огнеупорная установочная втулка содержит огнеупорную трубку, встроенную во внутреннюю полость. Огнеупорная трубка по меньшей мере частично изготовлена из материала, который полностью исключает проблему выделения паров или других летучих соединений. Этот материал преимущественно является газонепроницаемым, в результате чего исключается проникновение паров или других летучих соединений через стенки трубки. Среди подходящих материалов можно указать на материалы на базе оксида алюминия, такие как корунд или муллит (например ZYALOXТМ трубки фирмы VESUVIUS Me DANNEL), оксид цирконий (например, ZYAZIRCТМ трубки фирмы VESUVIUS Me DANNEL), чистый графит, диоксид кремния, молибден и т.п. Стенки трубки преимущественно являются достаточно тонкими, например имеют толщину от 0.5 до 5 мм, чтобы избежать увеличения времени реакции измерения температуры. Выгодно также, чтобы трубка плотно входила во внутреннюю полость установочной втулки, чтобы избежать образования изоляционного слоя между внешней поверхностью трубки и внутренней поверхностью установочной втулки. В соответствии с одной из разновидностей теплопроводный цемент может быть использован для крепления трубки во внутренней полости. Огнеупорная трубка может быть вставлена в установочную втулку или отпрессована вместе с установочной втулкой. Простая вставка (введение) трубки является предпочтительной, так как она позволяет повторно использовать трубку.
В соответствии с еще одним аспектом настоящее изобретение имеет отношение к комплекту (сборке) трубки и оптического пирометра, причем оптический пирометр используют для измерения теплового излучения, испускаемого зоной измерения, расположенной внутри трубки, а трубка выполнена с возможностью введения во внутреннюю полость огнеупорной установочной втулки. Такой комплект является весьма предпочтительным, так как кроме решения проблемы низкой надежности за счет выделения паров или других летучих соединений комплект, который может быть предварительно смонтирован и который необходимо просто вставить в огнеупорную установочную втулку, позволяет существенно снизить трудоемкость монтажа на месте использования. Более того, комплект может быть легко восстановлен при износе огнеупорной установочной втулки.
Комплект преимущественно содержит средство обеспечения контроля атмосферы внутри трубки. Например, трубка или оптический пирометр могут иметь отверстие для выпуска газа, позволяющее удалять, восстанавливать или заменять атмосферу внутри трубки.
Преимущественно по меньшей мере в зоне измерения присутствует материал с высокой излучательной способностью (такой как чистый графит), в результате чего повышается точность измерения температуры. Этот материал может присутствовать в виде пастилки у внутреннего закрытого конца внутренней полости или трубки.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг.1 схематично показано устройство для измерения температуры ванны расплавленного материала, которое содержит установочную огнеупорную втулку в соответствии с первым вариантом изобретения.
На фиг.2 схематично показано устройство для измерения температуры ванны расплавленного материала, которое содержит установочную огнеупорную втулку в соответствии со вторым вариантом изобретения.
На фиг.3 схематично показана трубка, которая может быть вставлена в установочную втулку, такую как показанная на фиг.2.
На фиг.4 схематично показана установочная втулка с трубкой, вставленной в него.
На фиг.5 показан комплект оптического пирометра и трубки.
Показанные на фиг.1, 2 и 4 огнеупорные установочные втулки 1, 1' имеют внешнюю поверхность 2, приспособленную для входа в контакт с ванной расплавленного материала, например с ванной расплавленного металла, и внутреннюю полость 3. Внутренняя полость 3 имеет внутреннюю поверхность 4, закрытый внутренний конец 5 и внешнее отверстие 6. Внешнее отверстие 6 приспособлено для плотного введения в него оптического пирометра 7. Оптический пирометр схематично показан на фиг.1 и 2. Он содержит установочную плату 8, которая входит в соответствующую выемку, предусмотренную во внешнем отверстии 6 внутренней полости 3, а также визирную трубку 9, введенную во внутреннюю полость 3. Пирометр 7 может быть подключен к процессору при помощи проводов или кабелей (не показаны).
В варианте, показанном на фиг.1 и 2, зона измерения 10 главным образом совпадает с внутренним закрытым концом 5 установочной втулки. Прямолинейность внутренней полости 3 исключает неточность измерения, которая может быть вызвана отклонением от оси визирной трубки 9.
В варианте, показанном на фиг.4, трубка 11, которая изготовлена из материала на основе оксида алюминия, вставлена в огнеупорную установочную втулку 1'. Материал, из которого изготовлена трубка, не содержит летучих соединений, так что исключено испускание паров и срок службы визирной трубки существенно увеличен.
Трубка 11, показанная на фиг.3, также может быть вставлена в установочную втулку. Она содержит в зоне измерения 10 пастилку 12 из материала с отличной излучательной способностью, например из сверхчистого графита.
На фиг.5 показан комплект оптического пирометра 7' и трубки 11. Этот комплект может быть легко и быстро вставлен в огнеупорную установочную втулку 1' (на фиг.5 не показана), так что сокращается трудоемкость монтажа на месте измерения. В показанном варианте визирная трубка 9 оптического пирометра вставлена в трубку 11. Газонепроницаемое соединение может быть получено при помощи обычного герметика (не показан). Оптический пирометр 7' предназначен для измерения температуры в зоне измерения 10.
Оптический пирометр 7' преимущественно содержит установочную плату 8', приспособленную для вхождения в соответствующую выемку, расположенную у внешнего отверстия 6 огнеупорной установочной втулки 1'.
1. Устройство для измерения температуры расплавленного материала в ванне, содержащее огнеупорную установочную втулку (1, 1'), имеющую внешнюю поверхность (2) для входа в контакт с расплавленным материалом в ванне и внутреннюю полость (3), причем указанная внутренняя полость имеет внутреннюю поверхность (4), внешнее отверстие (6) и внутренний закрытый конец (5); оптический пирометр (7), закрепленный на установочной втулке (1, 1'), причем оптический пирометр приспособлен для измерения теплового излучения, испускаемого зоной измерения (10), расположенной внутри внутренней полости (3) установочной втулки и под верхним уровнем расплавленного материала в ванне, отличающееся тем, что оптический пирометр содержит установочную плату (8), при этом установочная плата приспособлена для введения в соответствующую выемку, предусмотренную во внешнем отверстии (6) внутренней полости (3) установочной втулки (1, 1').
2. Огнеупорная установочная втулка (1, 1') для использования в устройстве для измерения температуры расплавленного материала в ванне, имеющая внешнюю поверхность (2) для входа в контакт с расплавленным материалом в ванне и внутреннюю полость (3), причем указанная внутренняя полость имеет внутреннюю поверхность (4), внешнее отверстие (6) и внутренний закрытый конец (5), расположенный под верхним уровнем расплавленного материала в ванне, отличающаяся тем, что во внешнем отверстии (6) внутренней полости (3) предусмотрена выемка, приспособленная для плотного введения в нее оптического пирометра (7) так, что все его возможные относительные движения исключаются.
3. Огнеупорная установочная втулка по п.2, у которой выемка имеет форму усеченного конуса.
4. Огнеупорная установочная втулка по одному из пп.2 или 3, отличающаяся тем, что внутренняя полость (3) является прямолинейной.
5. Огнеупорная установочная втулка (1, 1') по одному из пп.2 или 3, отличающаяся тем, что она изготовлена из материала, который был обожжен при температуре, достаточной для исключения или снижения выделения паров или других летучих соединений, преимущественно при температуре свыше 1400°С.
6. Огнеупорная установочная втулка (1, 1') по одному из пп.2 и 3, отличающаяся тем, что во внутреннюю полость (3) огнеупорной втулки вставлена трубка (11).
7. Огнеупорная установочная втулка (1, 1') по п.6, отличающаяся тем, что трубка (11) изготовлена из материала, исключающего или снижающего выделение паров или других летучих соединений.
8. Огнеупорная установочная втулка (1, 1') по п.7, отличающаяся тем, что трубка (11) изготовлена из материала на базе оксида алюминия.
9. Огнеупорная установочная втулка (1, 1') по одному из пп.2 и 3, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, часть (12) внутренней полости (3) или трубки (11), которая соответствует зоне измерения (10), изготовлена из материала с высокой излучательной способностью.
10. Комплект трубки и оптического пирометра, причем оптический пирометр используют для измерения теплового излучения, испускаемого зоной измерения, расположенной внутри трубки, причем трубка приспособлена для ее введения во внутреннюю полость огнеупорной установочной втулки по п.2.
