專利名稱：用于測量溫度梯度的傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種用于尤其地在冶金設備的構(gòu)件中在測量方向上測量溫度梯度的傳感元件。此外，本發(fā)明涉及一種帶有這種傳感元件的冶金設備的構(gòu)件。
背景技術(shù)：
此外，對于冶金設備的構(gòu)件的監(jiān)視，對其溫度和熱流量OVarmestrom)感興趣?？捎捎谠跇?gòu)件的區(qū)域中獲得的溫度梯度確定熱流量。原則上，通過測量在兩個部位(其布置成彼此具有限定的間距)處的溫度可獲得溫度梯度。在此，至今為止始終將熱元件(Thermoelement)單獨地插入相應的孔中，該孔被加工到待測量的構(gòu)件中。在此，始終對于特殊的個別情況配定(anfertigen)這種解決方案，也就是說，解決方案為根據(jù)用戶特定的。因此如果應獲得構(gòu)件的熱流量，必須將兩個溫度感應器(TemperaturfUhler)彼此以恒定的且限定的間距定位在待測量的構(gòu)件中。為此，在已知的解決方案中，將兩個用于兩個溫度傳感器的孔引入構(gòu)件中。在此，出現(xiàn)這樣的問題，即，必須以彼此非常準確的間距將兩個孔加工在構(gòu)件中。 例如，如果溫度感應器的間距應為6mm，則孔相對于彼此僅僅0. 6mm的偏移已經(jīng)產(chǎn)生測量結(jié)果10%的偏差。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的為，如此改進開頭提及的類型的傳感元件，S卩，可以簡單的方式制造該傳感元件并且該傳感元件通過溫度梯度的高的測量精度而出色。此外，利用這種傳感元件力求實現(xiàn)冶金設備的這樣的構(gòu)件，即，可以尤其簡單的且準確的方式獲得其溫度梯度。即，利用簡單的器件力求溫度梯度的準確的測量。通過本發(fā)明該目的的解決方案的特征在于，傳感元件具有基體，至少兩個光波導以限定的間距布置在基體處或布置在基體中，該至少兩個光波導可與評估裝置相連接。優(yōu)選地，基體具有帶有中軸線的伸長的(Ianglich)形狀。尤其優(yōu)選地，基體具有柱形的外形。該至少兩個光波導可在基體中布置在彼此平行地伸延的孔中。但是，備選地，該至少兩個光波導也可在基體的表面中布置在彼此平行地伸延的槽中。該至少兩個光波導也可分別布置在包圍光波導的管中。傳感元件的基體優(yōu)選地由銅、銅合金或鋼制成。所提出的帶有以上提及的設計方案的傳感元件的冶金設備的構(gòu)件由此而出眾， 即，傳感元件布置在冶金設備的構(gòu)件中的孔中。在此，傳感元件可利用過渡或壓配合布置在冶金設備的構(gòu)件中的孔中。一種備選的或附加的設計方案設置成，傳感元件利用收縮配合(Schrumpfsitz)布置在冶金設備的構(gòu)件中的孔中，這可通過熱的接合過程實現(xiàn)。因此，本發(fā)明尤其地研究對熱流量、溫度或膨脹的連續(xù)的測量以用于確定構(gòu)件的機械的或熱的負載并且用于導出二級的過程參數(shù)(sekimdarenProzessgT0fie)，該過程參
數(shù)同樣用于調(diào)節(jié)(例如鑄造速度、冷卻水量或鑄造粉末量)。通過將多個溫度測量部位結(jié)合成一個單元，產(chǎn)生用于獲得熱流量和局部的熱流密度的模塊化的元件。那么，該模塊化的元件用作用于局部地確定所提及的參數(shù)的標準傳感器。 根據(jù)本發(fā)明的可作為標準傳感器使用的傳感元件保證用于精確地確定熱流量的溫度感應器的恒定的間距。傳感元件的這樣的模塊化的結(jié)構(gòu)形式為可能的，即其可作為可通用地應用的模塊使用。以有利的方式，結(jié)果為標準化。所提出的傳感元件保證，所有溫度測量部位具有與待測量的構(gòu)件的基礎材料 (Grundmaterial)的直接接觸。由此，防止通過在傳感器和待測量的構(gòu)件之間的熱絕緣的層 (例如同樣空氣層)而引起的測量結(jié)果的錯誤(Verfelschung)。因此，所提出的解決方案尤其地涉及，將兩個或多個光波導引入帶有任意的橫截面的伸長的棒中，例如引入棒的壁上。如此將該棒以到凹處或孔或槽中的方式插入待測量的構(gòu)件中，即，光波導固定地貼靠在待測量的構(gòu)件的材料處。通過精確配合的加工(如有可能同樣以與收縮過程(例如通過借助于液態(tài)的氮冷卻傳感元件)組合的方式)實現(xiàn)該引入。因此，在沒有干擾的界面的情況下的溫度測量是可能的，也就是說，出現(xiàn)溫度測量元件與待測量的構(gòu)件的基礎材料的直接的接觸。該棒可由與待測量的構(gòu)件相同的材料(在結(jié)晶器中大多為銅或銅合金)制成，或者也可由不同的材料(例如高品質(zhì)鋼)制成。因此，如此構(gòu)造的傳感元件可稱為標準傳感器。通過將光波導引入傳感器基體的壁中，可在構(gòu)件的不同的層中進行溫度測量作為在待測量的構(gòu)件的表面上的溫度輪廓。從在兩個光波導之間測量的溫度差中可計算或獲得或推出熱流量。所提出的方案使在各個運行狀態(tài)中測量的構(gòu)件在其表面上的熱負載(在溫度和熱流量方面)的表示成為可能。當將傳感元件以精確配合的方式引入待測量的構(gòu)件中時，也可設想，不將溫度感應器安裝到傳感器基體的壁上，而是以等距的方式插入帶有小的直徑(例如0. 4至2. Omm) 的孔中。如此將光波導施加到傳感器基體上，即，測量傳感器直接與基礎單元接觸。傳感器單元預定在兩個雙熱元件(Doppelthermoelement)之間非常準確的間距。用于產(chǎn)生標準傳感器的單個測量部位的模塊化是可能的。通過將密封元件安裝到傳感元件處，可相對于冷卻介質(zhì)(大多為水)密封測量單元，從而冷卻介質(zhì)不可滲入測量單元中并且使測量結(jié)果錯誤。因此，為了將傳感元件(標準傳感器)引入待測量的構(gòu)件中，存在兩個優(yōu)選的可能性可通過在待測量的構(gòu)件中的一個或多個孔實現(xiàn)引入。備選地，可引入到待測量的構(gòu)件中的槽中，其中，在引入傳感元件之后可再次封閉該槽。因此，為了將光波導引入傳感元件中兩種可能性是優(yōu)選的引入可在這樣的孔中進行，即其加工到傳感器基體中。同樣引入到傳感器基體的壁區(qū)域中也是可能的，尤其為引導在傳感器基體的壁中伸延的槽中。為了測量熱流量，光波導以其限定的間距相繼布置在熱流方向上。但是也可設想，使傳感元件繞傳感元件的縱軸線旋轉(zhuǎn)90°。在該情況中，傳感元件作為帶有兩個溫度感應器的溫度測量單元起作用，兩個溫度感應器之一為冗余的，這相應地提高測量可靠性。


在圖紙中示出本發(fā)明的實施例。其中圖1顯示了冶金設備的構(gòu)件，用于測量熱流量的傳感元件安裝到其中，圖2顯示了在拆卸的狀態(tài)中的傳感元件，圖3顯示了穿過傳感元件的根據(jù)圖2的截面A-B，以及圖4顯示了穿過用于本發(fā)明的備選的設計方案的傳感元件的根據(jù)圖2的截面A-B。
具體實施例方式在圖1和2中可看出傳感元件1，利用其可獲得流動通過在圖1中示出的冶金設備的構(gòu)件2的熱流量。傳感元件1具有基體3，頭部11布置在基體3的上側(cè)處。在此，基體3 構(gòu)造成柱形并且布置在構(gòu)件2中的孔10中。為了測量溫度梯度，也就是說出現(xiàn)在兩個以限定的方式間隔開的部位處的兩個溫度，設置成，兩個光波導4和5以限定的間距布置在傳感元件1處或布置在傳感元件1中， 兩個光波導可與評估裝置相連接。這最好根據(jù)截面A-B得出，其在圖3中示出以用于在圖 2中繪出的傳感元件1?；w3在兩個直徑上相對的部位處分別具有槽9，其在中軸線6的方向上延伸。在槽9中布置有光波導4和5。未示出，在安置光波導4，5之后可再次以合適的封閉材料封閉通過槽9得到的孔。在圖3中也可看出，可在測量方向M上測量溫度梯度，因為兩個光波導4，5位于間距a中。因此，可得到的溫度梯度具有單位K/m(開爾文/米)。在圖4中可看出備選的解決方案，在其中將兩個孔7和8加工到傳感元件1的基體3中，孔7和8在中軸線6的方向上伸延。之后，將光波導4，5推入孔7，8中。光波導4，5由基礎纖維(Grundfaser)組成，其具有在約100至150 μ m之間的范圍內(nèi)的厚度。在此可能的是，光波導布置在套管中；其可具有約800至2000 μ m的直徑。因此，光波導4，5由基礎纖維制成，其以帶套管或不帶套管的方式封入或插入在傳感元件1的基體3中的之前產(chǎn)生的孔7，8或9中。在此，測量纖維可無問題地承受直至 600°C的溫度的持續(xù)負載。為了提高信號傳遞的魯棒性，通過所謂的透鏡插頭(Linsenstecker)將光波從傳感元件1引導到未示出的評估單元。作為溫度傳感器的組成部分起作用的玻璃纖維與未示出的溫度探測系統(tǒng)相連接。 借助于該探測系統(tǒng)產(chǎn)生激光，將激光輸入光波導4，5中。由光波導纖維4，5采集的數(shù)據(jù)借助于探測系統(tǒng)換算成溫度且與不同的測量部位相關聯(lián)。例如，可根據(jù)所謂的纖維布拉格光柵方法(FBG方法)進行評估。在此，使用合適的光波導，其壓印(eingeprSgt)有帶有折射系數(shù)的周期變化的測量部位或帶有這種變化的光柵。折射系數(shù)的周期變化導致，取決于周期性針對一定的波長，光波導在測量部位處表現(xiàn)為電介質(zhì)的鏡面。通過在一點處的溫度變化，布拉格波長改變，其中，剛好該波長被反射。通過布拉格光柵基本上不影響不滿足布拉格條件的光。那么，不同的測量部位的不同的信號可由于運行時間不同而彼此區(qū)別。這種纖維布拉格光柵的詳細結(jié)構(gòu)以及相應的評估單元是普遍已知的。通過壓印的測量部位的數(shù)量給出空間分辨率的精度。例如，測量部位的大小可在Imm至5mm的范圍中。備選地，也可應用光學頻域反射方法(0FDR方法)或光學時域反射方法(0TDR方法)以用于測量溫度。這些方法都基于纖維光學的拉曼反散射原理，其中利用的是，在光波導的點處的溫度改變引起光波導材料的拉曼反散射的改變。那么，借助于評估單元(例如拉曼反射計)，可沿著纖維以空間分辨率確定溫度值，其中，在該方法中在導體的一定的長度上取平均值。該長度約為幾厘米。另一方面，通過運行時間不同使不同的測量部位彼此分離。用于根據(jù)所提及的方法進行評估的這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及所需的在光波導4，5之內(nèi)產(chǎn)生激光的激光器為通常已知的。所提出的解決方案的示例性的應用為連續(xù)鑄造設備的結(jié)晶器，在其中必須已知流動的熱流量。參考標號列表
1傳感元件
2構(gòu)件
3基體
4光波導
5光波導
6中軸線
7孔
8孔
9槽
10孔
11頭部
M測量方向
a間距
權(quán)利要求
1.一種用于尤其地在冶金設備的構(gòu)件( 中在測量方向(M)上測量溫度梯度的傳感元件⑴，其特征在于，所述傳感元件(1)具有基體(3)，至少兩個光波導(4，幻以限定的間距(a)布置在所述基體C3)處或布置在所述基體(3)中，所述至少兩個光波導(4巧)可與評估裝置相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感元件，其特征在于，所述傳感元件構(gòu)造成用于獲得局部的熱流密度或熱流量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感元件，其特征在于，所述基體(3)具有帶有中軸線 (6)的伸長的形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感元件，其特征在于，所述基體C3)具有柱形的外形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的傳感元件，其特征在于，所述至少兩個光波導 (4,5)布置在所述基體(2)中彼此平行地伸延的孔(7，8)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的傳感元件，其特征在于，所述至少兩個光波導 (4,5)布置在所述基體(3)的表面中彼此平行地伸延的槽(9)中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的傳感元件，其特征在于，所述至少兩個光波導 (4,5)分別布置在包圍光波導的管中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的傳感元件，其特征在于，傳感元件的基體(2)由銅、銅合金、鋼或塑料制成。
9.一種帶有根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的傳感元件的冶金設備的構(gòu)件O)，其特征在于，所述傳感元件(1)布置在所述冶金設備的構(gòu)件O)中的孔(10)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的帶有傳感元件的構(gòu)件，其特征在于，所述傳感元件(1)利用過渡或壓配合布置在所述冶金設備的構(gòu)件O)中的孔(10)中。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的帶有傳感元件的構(gòu)件，其特征在于，所述傳感元件(1)利用收縮配合布置在所述冶金設備的構(gòu)件O)中的孔(10)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于尤其地在冶金設備的構(gòu)件(2)中在測量方向(M)上測量溫度梯度的傳感元件(1)。為了利用簡單的器件使準確的測量成為可能，本發(fā)明設置成，傳感元件(1)具有基體(3)，至少兩個光波導(4，5)以限定的間距(a)布置在基體(3)處或布置在基體(3)中，該至少兩個光波導(4，5)可與評估裝置相連接。此外，本發(fā)明涉及一種帶有這種的傳感元件的冶金設備的構(gòu)件(2)。
文檔編號B22D11/18GK102575962SQ201080045120
公開日2012年7月11日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者D·利夫圖希特, G·費勒曼, M·阿茨貝格爾, M·雷費爾沙伊德, T·蘭貝蒂 申請人:Sms西馬格股份公司