钢水连续测温传感器的准确度提高和结构优化

　　1引　言

　　实现连铸中间包钢水温度的连续、准确、可靠测量对拉坯速度、浇注速度、二冷水量的调节起着重要作用[1~3]。文献[4]基于在线黑体空腔理论,提出了一种中间包钢水连续测温方法。文献[5]在此基础上,设计出一种新型的黑体空腔式钢水连续测温传感器。其原理是将测量管插入钢水中,使其与被测介质直接接触感知温度,以专门设计的测温探头接收测量管发出的红外辐射信号,进而转换成温度。

　　从以上原理可知,传感器的性能指标,如准确度、灵敏度,以及减小加工和安装误差对测量的影响等主要取决于传感器所形成的在线黑体空腔的积分发射率及其变化率,以及传感器的结构参数。文献[6]对简化的带盖圆锥-圆筒形在线黑体空腔的积分发射率进行了研究,此时靶底(圆锥部分)的结构参数可表示为一次关系,靶底微圆环同其它各微圆环多次反射之间的夹角是固定的。本文在此基础上,以传感器所形成的实际在线黑体空腔结构,即带盖半球-圆筒形腔体为研究对象,建立了靶底结构参数为二次关系的积分发射率的计算公式,并推导出全照区、半照区和不可见区域的自动划分计算公式。进而,又详细分析了传感器几何结构,即黑体空腔的轴向长度、半径、孔径、探测器接收面半径、腔口与探测器之间的距离对积分发射率的影响,并在此基础上给出了传感器的优化参数,这不仅为减小传感器的加工和安装误差提供了可能,而且为提高传感器的准确度和灵敏度奠定了基础。

　　2　计算物理模型

　　钢水连续测温传感器所形成的黑体空腔为带盖半球-圆筒形腔体,其结构如图1所示。图中r、x分别为黑体空腔靶底和圆筒侧壁的坐标轴;R1为圆筒半径;R0为开孔半径(孔径);RD为探测器接收面半径;xc1为全照区和半照区分界处的轴坐标值;xc2为半照区和不可见区域分界处的轴坐标值;L为黑体空腔的轴向长度;H0为探测器到腔口的距离;区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别表示全照区、半照区和不可见区域三个部分。所谓全照区是指所发出的辐射能全部投射到整个探测器接收面上的区域,如图1从靶底底部(坐标原点)到xc1范围内的区域,相应地称该区域内的角系数为全照区角系数。所谓半照区是指所发出的辐射能只有一部分投射到探测器接收面上的区域,如图1从xc1到xc2范围内的区域,相应的称该区域内的角系数为半照区角系数,它主要由黑体空腔的盖面或起光阑作用的圆所决定。所谓不可见区域是指所发出的辐射能不能投射到探测器接收面上的区域,如图中从xc2到L范围内的区域(包括盖面),该区域的有效辐射对积分发射率的计算无任何贡献,其角系数为零。