用于測量流體流溫度的方法和設備的制作方法
【專利摘要】本發明涉及用于測量流體流(11)的溫度的方法和設備(12)，所述設備包括：可移動的框架(13,14)，具有面向待測量的流體流的第一端部和相對方向的第二端部；分束器(9)，可移動地布置在框架中，用于進入到所述流體流中以打開流體流；光學溫度測量裝置(8)，用于通過測量來自流體流的熱輻射以確定流體流的溫度；和控制裝置，用于控制框架和分束器的移動并且控制光學溫度測量裝置的性能。
【專利說明】用于測量流體流溫度的方法和設備

【技術領域】
[0001]本發明涉及用于測量流體流(fluid stream)的溫度的方法和設備。

【背景技術】
[0002]通常了解工業工藝過程的溫度對于優化該工藝過程是很重要的，例如，涉及到燃料消耗或工藝過程控制。
[0003]例如從US4, 297，893、US4, 812, 151 或 EP0080963 中已知用于測量熔體束(meltbeam)溫度的系統的實例。然而，這些更加自動化的溫度測量系統都不適用于在礦棉(mineral wool)生產中測量熔化的原材料的升高的溫度。
[0004]然而，在生產礦棉時，了解熔體溫度也很重要。在礦棉生產中，原材料在熔爐中熔化，并且熔體流動通過虹吸管至紡紗(spinning)裝置(諸如高速輪)以生產纖維。
[0005]熔體的溫度高達1500°C，并且所生產的纖維的性能依賴于精確的溫度，并且進一步地熔體溫度對燃料消耗和裝備的磨損有顯著影響。
[0006]然而，由于非常高的溫度和不利的條件，很難測量熔體的溫度。
[0007]此外，熔體束的表面處的溫度大大低于熔體束內部的核心溫度，而理論上應測量的正是熔體束的核心溫度。
[0008]傳統上，溫度測量由人手動完成，使用諸如熱電偶的接觸式溫度計測量熔體束的核心溫度，或使用例如高溫計的某種非接觸式溫度計，其具有光學系統和檢測器并測量來自熔體束的熱輻射，即熔體束的表面溫度。因此，測量容易出現誤差。此外，進行這種測量是勞動密集型的，因此成本很高。


【發明內容】

[0009]因此，目標是提供一種更精確、勞動密集程度更低并且成本更低的自動化的溫度測量方法和系統。
[0010]這個目標通過一種測量流體流的溫度的方法來實現，所述方法包括以下步驟:提供熔化的材料(諸如熔化的石材)的流體流，在所述流體流中提供分束器以打開流體流，以及通過非接觸式溫度測量裝置確定所述流體流的溫度。
[0011]本發明還提供了一種用于測量流體流的溫度的設備，所述設備包括:布置成打開流體流的分束器；用于確定流體流的溫度的非接觸式溫度測量裝置；以及用于控制非接觸式溫度測量裝置的性能的控制裝置。
[0012]通過本發明可認識到，為了測量熔體內部的溫度，可使用分束器來打開熔體束，并使用光學溫度測量裝置(諸如高溫計)來測量核心溫度。根據本發明可以發現，高溫計可有利地用于在打開熔體束的過程中測量溫度，并由此確定流體流(或熔體束)何時被充分打開，以獲得對應于流體流的核心的溫度讀數。此外，根據本發明提供的方法是有利的，因為在熔化的材料(尤其是熔化的石材)的流體流中的自動化溫度測量在此成為可能。通過打開熔體意味著該熔體流的相對較冷的表面被破壞，從而使得相對較熱的核心被暴露。
[0013]優選地，所述方法包括以下中間步驟:用非接觸式溫度測量裝置掃描流體流，以確定流體流的側向位置，所述側向位置用于定位分束器，并且優選地，該掃描還包括基于側向掃描計算所述流體流的中心線。在此，提供了一種簡單、可靠的定位流體流的方法。從虹吸管倒出的熔化的石材的流體流隨時間可能從一邊到另一邊略微移動，例如，由于虹吸管的磨損或由于維護工作而移動，但是通過使用非接觸式測量裝置來記錄側向溫度分布并由此定位顯著溫度差的位置，實現了對流體流的精確位置的可靠確定，其中所述位置為流體流的側邊緣。當系統知道側邊緣的位置時，按兩個側邊緣之間的中間位置計算出流體流的中心。可以使用其他計算方法而不會背離本發明，但是這種簡單的確定流體流的中心線的方法是目前優選的。在此，所述方法是相對于位置自校準的。優選地，所述非接觸式溫度測量裝置是光學溫度測量裝置，諸如高溫計。非接觸式溫度測量裝置可以可替代地或額外地包括紅外攝相機。
[0014]為了獲得盡可能精確的溫度測量，優選的是，該分束器在流體流的預定的中心線處前進進入流體流中。
[0015]在一個優選的實施方式中，分束器前進進入流體流中，直到記錄到溫度的升高高于一預定值。溫度升高本身意味著流體流被打開，并且當溫度測量水平穩定在比分束器前進之前更高的水平時，該更高的測量結果對應于熱流體流的“內部”溫度。在另一個實施方式中，分束器前進進入流體流中一預定距離。
[0016]當分束器前進到其前進位置時，根據一個實施方式，分束器被保持在所述流體流內部，直到獲得了最大的溫度測量結果和/或達到最大的預定時限。
[0017]分束器可有利地被可移動地布置，用于移進和移出流體流。優選地，所述設備還包括用于在兩個相互正交的方向上移動分束器的裝置。
[0018]通過本發明，可以發現有利的是，溫度被持續地測量，因為溫度測量結果被用來控制自動化的溫度測量過程，該過程包括定位熔化的材料的熱流體流的位置。根據本發明的控制裝置控制分束器在縮回位置和進入流體流預定距離之間的移動。
[0019]根據本發明的優選實施方式，為了確保可接受的壽命，分束器是水冷卻的。在一個實施方式中，分束器可被設計成傾斜的方形空心體，其具有指向流體流上游的上角部和對角相對的指向流體流下游的最底下的角部。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面通過實例并參照附圖詳細地描述本發明，其中:
[0021]圖1是礦棉生產線的示意圖；
[0022]圖2是其詳細的示意圖；
[0023]圖3是流出虹吸管的熔化的石材材料的熱流體流和根據本發明的自動化溫度測量裝備的側視示意圖；
[0024]圖4是根據本發明實施方式的用于自動化溫度測量的設備的立體透視示意圖；
[0025]圖5至圖11是對根據本發明的設備的功能的細節的說明性圖示；和
[0026]圖12至圖14分別是根據本發明的分束器頭部的優選實施方式的立體透視圖、俯視圖和側視圖。

【具體實施方式】
[0027]本發明涉及流體流的非接觸式溫度測量，尤其涉及測量熔化的材料1(例如比照圖1至3的與生產礦棉纖維相關的熔化的石材)的熱流體流的溫度。參照圖1，石材I在熔爐2中熔化，經由虹吸槽10 (見圖2)倒出熔爐并被纖維化3。然后，熔化的材料的流體流11被多個紡紗機(spinner) 7處理(在圖2所示的實例中，提供四個紡紗機)，由此熔化的材料在纖維化3處轉化成石礦物纖維。如圖1所示，纖維接著被鋪設到帶4上并隨后形成隔離板材(insulat1n slab),并在固化工位(curing stat1n) 5處被固化,之后在切割工位6處被切割成應有的尺寸。
[0028]在流體流11離開虹吸管10處，提供根據本發明的自動化溫度測量設備12的原型(prototype)(同樣參見圖3)。
[0029]在本發明的最簡單的實施方式中，分束器是靜止的并且布置成始終處于流體流中。可替代地，流體流的位置是可控的，因此流體流可被定位在分束器處。然而，自動化的溫度測量是更通用的，因此下面將對其進行討論。
[0030]溫度測量設備12是測量打開的熔體束溫度的基于高溫計的自動化控制的裝備。該設備在圖4中不出。該設備包括:三個液壓缸13、14、15 ;閘板(shutter) 18 ;具有外矛桿(lance) 16a和內矛桿16b的分束器臂部16 ;和固定到內矛桿16b的水冷卻的分束器頭部9 ；高溫計8 ;和兩個超聲距離傳感器13c、14c (x-DS和y_DS)和它們的反射板13a、14b ;以及安裝在冷卻水出口處的流量檢測器(未示出)。此外，四個接近開關(proximity switches)用于檢測缸的位置。
[0031]在下面的對設備的說明中參照相互垂直的X方向和y方向。用X方向表示分束器前進的方向，并且用y方向表示高溫計側向移動的方向。
[0032]設備12優選地位于紡紗機工位7的腔室頂上。為了保護閘板缸15和高溫計8，水冷卻的板17安裝在紡紗機腔室壁上。
[0033]參照圖4，所述設備中的各個部件的功能是:
[0034]分束器臂部16包括用于對流體流11進行分束的水冷卻的頭部9、與X-液壓缸13連接的內矛桿16b、和與y-液壓缸14連接的外矛桿16a。
[0035]X-液壓缸13控制內矛桿16b在X方向上的移動以打開流體流11。
[0036]y-液壓缸14控制外矛桿16a在y方向上的移動以找到熔體束的中心。
[0037]閘板缸15打開和關閉閘板18。
[0038]閘板18被設置為防止來自虹吸管10的火焰和防止從流體流11濺落的熔體滴到達紡紗機的腔室頂。
[0039]高溫計8不僅用于測量熔體溫度，而且還用于確定熔體束在y方向上的邊緣。高溫計8位于外矛桿16a之下。隨著y-缸的移動,高溫計8隨著分束器臂部16旋轉。
[0040]X-超聲距離傳感器13c用于測量內矛桿16b的位移。當X-液壓缸13的桿處于完全伸展的位置時，該位置被定義為分束器臂部16在X方向上的起始位置(home posit1n)。
[0041]y_超聲距離傳感器14c用于測量外矛桿16a的位移。當y_液壓缸14的桿處于完全抽出的位置時，該位置被定義為分束器臂部16在y方向上的起始位置。
[0042]水冷卻的板17被設置為保護閘板缸15和高溫計8。
[0043]接近開關15a和15b檢測閘板缸15的位置。使用兩個開關15a、15b的主要目的是檢測閘板18是處于關閉狀態還是打開狀態。由開關15b檢測到的起始位置表明閘板18處于關閉狀態，而由開關15a檢測到的閘板缸位置表明閘板18處于打開狀態。
[0044]開關13b和13a檢測χ-缸的位置。使用開關13a的主要目的是檢測x_缸13是否處于其起始位置，而由開關13b檢測到的χ-缸的位置是用來停止χ-缸13的。
[0045]溫度測暈設備的原理
[0046]分束器臂部16的移動具有兩個主要步驟:
[0047]首先，分束器臂部16隨著y-缸的桿的移動而旋轉，同時高溫計8掃描流體流11，并檢測熔體束的邊緣IlbUlc和找到熔體束的中心Ila (參見圖5中的步驟a)。
[0048]其次，分束器頭部9為了隨后的高溫計溫度測量而接近并打開流體流11 (圖5中的步驟b)。
[0049]更詳細地，由該設備執行的方法包括以下工序:
[0050]1.初始化
[0051]閘板18處于關閉狀態。接近開關15b檢測閘板18是否處于關閉狀態，如果不是，閘板缸15應退回并關閉閘板18，這可由開關15a檢測出。
[0052]χ-缸13處于起始位置。接近開關13a檢測χ-缸13是否處于起始位置，如果不是，χ-缸13應向后移動到其完全伸展的位置。
[0053]y-缸14處于起始位置。為了確定1-缸14是否處于起始位置，14c與反射板14b之間的距離(如圖3所示，a)應等于一設定值。否則，y-缸14應向后移動到其完全抽出的位置。
[0054]2.冷卻水通討分束器
[0055]來自流量檢測器的信號用于檢查是否有足夠的冷卻水通過分束器9。如果冷卻水的流量不夠大，那么將對操作員給出警報，并且在提供足夠的冷卻之前不會執行進一步的分束動作。
[0056]3.來自虹吸管的焙體
[0057]所述設備僅在有熔體流出虹吸管時才可工作。這可通過確保僅在一個或多個紡紗機7消耗了超過預定量的功率(諸如超過8kW)時才進行自動化的溫度測量來確定。
[0058]4.打開閘板
[0059]閘板18應在分束器臂部16開始工作之前首先打開。當閘板18完全打開時，接近開關15a給出信號。
[0060]5.V-方向移動:
[0061]在y_缸的桿從其起始位置14a (參見圖6a)向前移動至其完全伸展的位置(14c)。在所述移動期間，高溫計測量到的溫度分布20可描述如下(如圖7所示):首先，在高溫計的測量聚焦區域到達熔體表面之前，高溫計8給出出錯信號INV (例如1200°C的設定溫度被用來表示出錯信號)；然后，由于高溫計的斑點(spot)接觸熔體表面(點(a)，桿在位置(a’))，高溫計的溫度急劇躍變；并且，當高溫計的斑點處于熔體表面時，高溫計的溫度保持在相當穩定且高的水平(大約1450°C);最后，由于高溫計的斑點移出熔體表面(點(b)，桿在位置C)，高溫計的溫度回到出錯信號。因此，熔體束的邊緣可由在溫度分布20的點(a)和(b)處的兩個急劇的溫度變化的信號來確定。當高溫計的斑點剛離開點I處的熔體束邊緣時，缸桿停止。在所述方案中，束的邊緣被視為當高溫計的溫度躍變上升到/或下降到例如1350°C時被檢測到。
[0062]當高溫計的斑點接觸到點I和剛離開點(a)時，由y-DS同時測量出y_DS與反射板之間的多個距離(ea’和ec,其中e表示y-DS(即y-缸的桿的伸展),c和a’是y_反射板)。為確定熔體束的中心，缸桿隨后向后(從c到d)移動Ca’的一半距離(cd=0.5 (ec_e2’))。缸桿以預定速度(諸如1.0cm/s)移動。
[0063]6.χ-方向移動
[0064]圖8示出在找到熔體中心之后的χ-缸13的移動的三個步驟。首先(步驟aa)，X-缸13快速向前移動至一位置；然后(步驟bb)，x-缸13非常緩慢地移動至最后的距離并打開熔體束；以及然后(步驟cc)，在高溫計的溫度測量之后，χ-缸13快速向后移動至其起始位置。
[0065]χ-缸13/分束器9、16的起始位置(圖9中的實線)由接近開關13c檢測。
[0066]打開的熔體束以及溫度測暈
[0067]圖10示出確定被熔體分束器9打開的流體流11的原理。當熔體分束器頭部9接觸熔體束表面時(圖1Oa中示出)，可由高溫計8檢測到溫度躍變，如圖11所示。假設當溫度躍變(TJ)大于20°C時流體流11被打開，如圖11所示。溫度躍變的計算公式為:(T-Tbasis) >20°C，其中T是在分束器9處于緩慢移動模式之后測得的溫度(動態值)，而Tbasis是當分束器9啟動緩慢移動模式時測得的溫度(測量中的靜態值)。
[0068]溫度躍變TJ表示熔體被分束器輕微地打開。然后X-缸13進一步向前移動進入熔體11 (如圖10所示的L，下文中L被稱為穿透深度)。在優選的實施方式中，分束器頭部9在流體流11中的停留時間將持續I分鐘。在一分鐘內測得的最高溫度Tmax被視為熔體束的核心溫度。此外，測得的熔體溫度應處于一定范圍內，例如在1400°C與1550°C之間。否貝U，將對操作員給出警報。
[0069]為避免分束器頭部9擊中虹吸管10而由此損壞分束器9或虹吸管10，熔體分束器9的位移是受限的。
[0070]7.χ-缸和V-缸復位以及關閉閘板:
[0071]在熔體束溫度測量之后，χ-缸的桿以例如5cm/s的速度快速移動返回其起始位置，然后閘板18關閉,最后y_缸14返回到其起始位置。
[0072]在溫度測量期間(即自動化的溫度測量的工藝過程周期)進行的工序以及各個部件的移動可歸納如下:
[0073]1.啟動
[0074]2.打開閘板
[0075]3.找到熔體束的邊緣
[0076]4.找到熔體束的中心
[0077]5.熔體分束器向前移動并打開熔體束
[0078]6.溫度測量和最高溫度
[0079]7.χ-缸移動回到起始位置
[0080]8.關閉閘板
[0081]9.y-缸移動到起始位置
[0082]圖12至14示出了分束器頭部9的目前優選的實施方式。分束器頭部9包括分束器板91，所述分束器板91位于管狀的安裝件92上的傾斜位置。管狀的安裝件92設置有安裝板95。分束器板91是空心的，由此內部形成的腔與分束器管92的腔流體連通。在安裝板95中，設置有進水口 93和出水口 94，用來將冷卻水供給管92和分束器板內部的分束器腔。
[0083]分束器板91設置有實質上方形的流體流接收表面96，在所示實施方式中，所述流體流接收表面96設置有最底下的角部作為其遠側角部97，所述遠側角部97前進進入到流體流11中(見圖14)。對角相對的角部被安裝在管92中，由此以傾斜的、實質上“金剛石狀”的構造固定分束器頭部9。分束器板91可由任何合適的材料制成，諸如鋼板或類似物，這些材料盡管在使用過程中容易磨損，但在其插入到熔體束中的相對短的時間內是耐受高溫的。
[0084]在第二個實施方式中，可以認識到,使用具有熱點檢測(hot spots detect1n)的熱成像式攝像機可對熔體表面溫度進行連續監測。因此，與第一個實施方式相比，掃描以找到熔體束的步驟是不必要的。在該實施方式中，使用三個攝像機，并使用最高的溫度測量結果。在變形例中，通過僅使用兩個攝像機可以進一步進行簡化，因為這足夠的以便具有冗余。攝像機距熔體束的距離可以是2.5m-3m,因此其會是比較安全的。
[0085]使用熱成像式攝像機的另一個優點是，可將來自攝像機的圖像顯示在操作員的監視器上。
[0086]每隔一段時間間隔，測得的溫度通過與熔體核心溫度比較而被校準，所述熔體核心溫度通過利用熔體分束器打開熔體并使用與上面相同的熱成像式攝像機測量溫度而獲得。通過測量的表面溫度與熔體核心溫度之間的差異，可以發現，由于溫度差異隨后定期被校準，對熔體束的表面溫度的連續測量提供了表示熔體核心溫度的測量。換句話說，基于連續測量的熔體表面溫度提供了表示性的熔體核心溫度，每隔一段時間間隔相對于測得的熔體核心溫度來校準所述熔體表面溫度，以確定核心溫度與表面溫度之間的溫度差異的數值。表示性的熔體核心溫度可因此被提供作為連續提供的數值，所述連續提供的數值是基于連續測量得到的熔體表面溫度加上確定了的溫度差異，所述溫度差異是當測量得到實際的熔體核心溫度時通過校準而提供的常數。
[0087]在可替代的實施方式中，熔體分束器或分束器是魚雷形構件，其被懸掛成擺體(pendulum)并且附接有線。操作員可通過拉動該線而拉動分束器遠離束。當線隨后被放開時，魚雷形物通過重力移動或擺動到熔體束中，并且魚雷形分束器在大約15秒之后再次縮回。魚雷形分束器是未被冷卻的并且具有可更換的鼻狀物作為前部，所述前部由于撞擊熔體束而發生磨損，因此需要定期(諸如每隔幾個月)更換。已經發現，只要熔體束被魚雷形分束器擊中即可，魚雷形分束器的精確位置并不是關鍵。由于攝像機的熱點檢測，定位不是關鍵。
[0088]本實施方式在技術上是非常簡單的，因為不需要用于定位分束器的裝置。進一步地，連續的測量是能夠控制該過程的主要優點，并且進一步地，由于對熔體內部溫度的測量的數量可以是相對低的并且僅用于校準，因此對過程的干擾被最小化。
[0089]本發明是參照目前優選的實施方式進行描述的。然而，應當認識到，在不背離由所附權利要求限定的本發明的范圍的情況下，允許一些特征結構的變化和修改。例如，應當認識到，根據本發明的方法也可用于在不同于上述應用的其它應用的流體流中的自動化的溫度測量。
【權利要求】
1.一種測量流體流的溫度的方法，所述方法包括以下步驟: 提供熔化的材料的流體流，所述熔化的材料諸如熔化的石材， 在所述流體流中提供分束器以打開所述流體流，以及 通過非接觸式溫度測量裝置確定所述流體流的溫度。
2.根據權利要求1所述的方法，包括以下中間步驟:用所述非接觸式溫度測量裝置掃描所述流體流，以確定所述流體流的側向位置，所述側向位置用于定位所述分束器。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述掃描包括基于側向掃描計算所述流體流的中心線。
4.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中所述非接觸式溫度測量裝置是光學溫度測量裝置，諸如高溫計。
5.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中所述非接觸式溫度測量裝置是紅外攝像機。
6.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中所述分束器在所述流體流的預定的中心線處前進進入所述流體流中。
7.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中所述分束器前進進入所述流體流中，直到記錄到溫度的升高高于一預定值。
8.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中所述分束器前進進入所述流體流中一預定距離。
9.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中所述分束器被保持在所述流體流的內部，直到獲得最大的溫度測量結果和/或達到最大的預定時限。
10.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中溫度是持續測量的。
11.一種用于測量流體流的溫度的設備，所述設備包括: 分束器，布置成打開所述流體流； 非接觸式溫度測量裝置，用于確定所述流體流的溫度；以及 控制裝置，用于控制所述非接觸式溫度測量裝置的性能。
12.根據權利要求11所述的設備，其中所述分束器被可移動地布置用于移動進入和離開所述流體流。
13.根據權利要求12所述的設備，其中所述設備包括用于在兩個相互正交的方向上移動所述分束器的裝置。
14.根據權利要求11至13中任一項所述的設備，其中所述非接觸式溫度測量裝置適合于確定所述流體流的側向位置，并且其中所述控制裝置包括用于基于側向掃描而計算所述流體流的中心的裝置。
15.根據權利要求11至14中任一項所述的設備，其中所述非接觸式溫度測量裝置是光學溫度測量裝置，諸如高溫計。
16.根據權利要求11至14中任一項所述的設備，其中所述控制裝置控制所述分束器在所述流體流處在縮回位置和進入位置之間的移動。
17.根據權利要求11至16中任一項所述的設備，其中所述分束器是水冷卻的。
18.根據權利要求11至17中任一項所述的設備，其中所述控制裝置進一步包括用于自動化地執行測量循環并重復所述測量循環的裝置，所述測量循環涉及到根據權利要求ι-?ο任一項所述的方法。
【文檔編號】G01J5/00GK104470867SQ201280048299
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2012年9月21日 優先權日:2011年9月30日
【發明者】周浩生, 杰羅恩·佩特魯斯·威廉默斯·薩普, 拉爾斯·布倫德, 佩爾·斯蒂伯格 申請人:羅克伍爾國際公司