專利名稱：用于測(cè)量溫度梯度的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于尤其地在冶金設(shè)備的構(gòu)件中在測(cè)量方向上測(cè)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(shè)備的構(gòu)件。
背景技術(shù)：
此外，對(duì)于冶金設(shè)備的構(gòu)件的監(jiān)視，對(duì)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(cè)量在兩個(gè)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(dú)地插入相應(yīng)的孔中，該孔被加工到待測(cè)量的構(gòu)件中。在此，始終對(duì)于特殊的個(gè)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(yīng)獲得構(gòu)件的熱流量，必須將兩個(gè)溫度感應(yīng)器(TemperaturfUhler)彼此以恒定的且限定的間距定位在待測(cè)量的構(gòu)件中。為此，在已知的解決方案中，將兩個(gè)用于兩個(gè)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(zhǔn)確的間距將兩個(gè)孔加工在構(gòu)件中。 例如，如果溫度感應(yīng)器的間距應(yīng)為6mm，則孔相對(duì)于彼此僅僅0. 6mm的偏移已經(jīng)產(chǎn)生測(cè)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(jìn)開頭提及的類型的傳感元件，S卩，可以簡(jiǎn)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(cè)量精度而出色。此外，利用這種傳感元件力求實(shí)現(xiàn)冶金設(shè)備的這樣的構(gòu)件，即，可以尤其簡(jiǎn)單的且準(zhǔn)確的方式獲得其溫度梯度。即，利用簡(jiǎn)單的器件力求溫度梯度的準(zhǔn)確的測(cè)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(gè)光波導(dǎo)以限定的間距布置在基體處或布置在基體中，該至少兩個(gè)光波導(dǎo)可與評(píng)估裝置相連接。優(yōu)選地，基體具有帶有中軸線的伸長(zhǎng)的(Ianglich)形狀。尤其優(yōu)選地，基體具有柱形的外形。該至少兩個(gè)光波導(dǎo)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(gè)光波導(dǎo)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(gè)光波導(dǎo)也可分別布置在包圍光波導(dǎo)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(shè)計(jì)方案的傳感元件的冶金設(shè)備的構(gòu)件由此而出眾， 即，傳感元件布置在冶金設(shè)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(shè)備的構(gòu)件中的孔中。一種備選的或附加的設(shè)計(jì)方案設(shè)置成，傳感元件利用收縮配合(Schrumpfsitz)布置在冶金設(shè)備的構(gòu)件中的孔中，這可通過熱的接合過程實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明尤其地研究對(duì)熱流量、溫度或膨脹的連續(xù)的測(cè)量以用于確定構(gòu)件的機(jī)械的或熱的負(fù)載并且用于導(dǎo)出二級(jí)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(gè)溫度測(cè)量部位結(jié)合成一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)傳感器。 根據(jù)本發(fā)明的可作為標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)用的模塊使用。以有利的方式，結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)化。所提出的傳感元件保證，所有溫度測(cè)量部位具有與待測(cè)量的構(gòu)件的基礎(chǔ)材料 (Grundmaterial)的直接接觸。由此，防止通過在傳感器和待測(cè)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(cè)量結(jié)果的錯(cuò)誤(Verfelschung)。因此，所提出的解決方案尤其地涉及，將兩個(gè)或多個(gè)光波導(dǎo)引入帶有任意的橫截面的伸長(zhǎng)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(cè)量的構(gòu)件中，即，光波導(dǎo)固定地貼靠在待測(cè)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(shí)現(xiàn)該引入。因此，在沒有干擾的界面的情況下的溫度測(cè)量是可能的，也就是說，出現(xiàn)溫度測(cè)量元件與待測(cè)量的構(gòu)件的基礎(chǔ)材料的直接的接觸。該棒可由與待測(cè)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(biāo)準(zhǔn)傳感器。通過將光波導(dǎo)引入傳感器基體的壁中，可在構(gòu)件的不同的層中進(jìn)行溫度測(cè)量作為在待測(cè)量的構(gòu)件的表面上的溫度輪廓。從在兩個(gè)光波導(dǎo)之間測(cè)量的溫度差中可計(jì)算或獲得或推出熱流量。所提出的方案使在各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)中測(cè)量的構(gòu)件在其表面上的熱負(fù)載(在溫度和熱流量方面)的表示成為可能。當(dāng)將傳感元件以精確配合的方式引入待測(cè)量的構(gòu)件中時(shí)，也可設(shè)想，不將溫度感應(yīng)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(dǎo)施加到傳感器基體上，即，測(cè)量傳感器直接與基礎(chǔ)單元接觸。傳感器單元預(yù)定在兩個(gè)雙熱元件(Doppelthermoelement)之間非常準(zhǔn)確的間距。用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)傳感器的單個(gè)測(cè)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(duì)于冷卻介質(zhì)(大多為水)密封測(cè)量單元，從而冷卻介質(zhì)不可滲入測(cè)量單元中并且使測(cè)量結(jié)果錯(cuò)誤。因此，為了將傳感元件(標(biāo)準(zhǔn)傳感器)引入待測(cè)量的構(gòu)件中，存在兩個(gè)優(yōu)選的可能性可通過在待測(cè)量的構(gòu)件中的一個(gè)或多個(gè)孔實(shí)現(xiàn)引入。備選地，可引入到待測(cè)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(dǎo)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(jìn)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(dǎo)在傳感器基體的壁中伸延的槽中。為了測(cè)量熱流量，光波導(dǎo)以其限定的間距相繼布置在熱流方向上。但是也可設(shè)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(gè)溫度感應(yīng)器的溫度測(cè)量單元起作用，兩個(gè)溫度感應(yīng)器之一為冗余的，這相應(yīng)地提高測(cè)量可靠性。


在圖紙中示出本發(fā)明的實(shí)施例。其中圖1顯示了冶金設(shè)備的構(gòu)件，用于測(cè)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(shè)計(jì)方案的傳感元件的根據(jù)圖2的截面A-B。
具體實(shí)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(dòng)通過在圖1中示出的冶金設(shè)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(cè)量溫度梯度，也就是說出現(xiàn)在兩個(gè)以限定的方式間隔開的部位處的兩個(gè)溫度，設(shè)置成，兩個(gè)光波導(dǎo)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(gè)光波導(dǎo)可與評(píng)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。基體3在兩個(gè)直徑上相對(duì)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(dǎo)4和5。未示出，在安置光波導(dǎo)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(cè)量方向M上測(cè)量溫度梯度，因?yàn)閮蓚€(gè)光波導(dǎo)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(gè)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(dǎo)4，5推入孔7，8中。光波導(dǎo)4，5由基礎(chǔ)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(dǎo)布置在套管中；其可具有約800至2000 μ m的直徑。因此，光波導(dǎo)4，5由基礎(chǔ)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(cè)量纖維可無問題地承受直至 600°C的溫度的持續(xù)負(fù)載。為了提高信號(hào)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(dǎo)到未示出的評(píng)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(cè)系統(tǒng)相連接。 借助于該探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生激光，將激光輸入光波導(dǎo)4，5中。由光波導(dǎo)纖維4，5采集的數(shù)據(jù)借助于探測(cè)系統(tǒng)換算成溫度且與不同的測(cè)量部位相關(guān)聯(lián)。例如，可根據(jù)所謂的纖維布拉格光柵方法(FBG方法)進(jìn)行評(píng)估。在此，使用合適的光波導(dǎo)，其壓印(eingeprSgt)有帶有折射系數(shù)的周期變化的測(cè)量部位或帶有這種變化的光柵。折射系數(shù)的周期變化導(dǎo)致，取決于周期性針對(duì)一定的波長(zhǎng)，光波導(dǎo)在測(cè)量部位處表現(xiàn)為電介質(zhì)的鏡面。通過在一點(diǎn)處的溫度變化，布拉格波長(zhǎng)改變，其中，剛好該波長(zhǎng)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(cè)量部位的不同的信號(hào)可由于運(yùn)行時(shí)間不同而彼此區(qū)別。這種纖維布拉格光柵的詳細(xì)結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的評(píng)估單元是普遍已知的。通過壓印的測(cè)量部位的數(shù)量給出空間分辨率的精度。例如，測(cè)量部位的大小可在Imm至5mm的范圍中。備選地，也可應(yīng)用光學(xué)頻域反射方法(0FDR方法)或光學(xué)時(shí)域反射方法(0TDR方法)以用于測(cè)量溫度。這些方法都基于纖維光學(xué)的拉曼反散射原理，其中利用的是，在光波導(dǎo)的點(diǎn)處的溫度改變引起光波導(dǎo)材料的拉曼反散射的改變。那么，借助于評(píng)估單元(例如拉曼反射計(jì))，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(dǎo)體的一定的長(zhǎng)度上取平均值。該長(zhǎng)度約為幾厘米。另一方面，通過運(yùn)行時(shí)間不同使不同的測(cè)量部位彼此分離。用于根據(jù)所提及的方法進(jìn)行評(píng)估的這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及所需的在光波導(dǎo)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(yīng)用為連續(xù)鑄造設(shè)備的結(jié)晶器，在其中必須已知流動(dòng)的熱流量。參考標(biāo)號(hào)列表
1傳感元件
2構(gòu)件
3基體
4光波導(dǎo)
5光波導(dǎo)
6中軸線
7孔
8孔
9槽
10孔
11頭部
M測(cè)量方向
a間距
權(quán)利要求
1.一種用于尤其地在冶金設(shè)備的構(gòu)件( 中在測(cè)量方向(M)上測(cè)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(gè)光波導(dǎo)(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(gè)光波導(dǎo)(4巧)可與評(píng)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(zhǎng)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(xiàng)所述的傳感元件，其特征在于，所述至少兩個(gè)光波導(dǎo) (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(xiàng)所述的傳感元件，其特征在于，所述至少兩個(gè)光波導(dǎo) (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(xiàng)所述的傳感元件，其特征在于，所述至少兩個(gè)光波導(dǎo) (4,5)分別布置在包圍光波導(dǎo)的管中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)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(xiàng)所述的傳感元件的冶金設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備的構(gòu)件(2)中在測(cè)量方向(M)上測(cè)量溫度梯度的傳感元件(1)。為了利用簡(jiǎn)單的器件使準(zhǔn)確的測(cè)量成為可能，本發(fā)明設(shè)置成，傳感元件(1)具有基體(3)，至少兩個(gè)光波導(dǎo)(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(gè)光波導(dǎo)(4，5)可與評(píng)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(shè)備的構(gòu)件(2)。
文檔編號(hào)B22D11/18GK102575962SQ201080045120
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)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(fèi)勒曼, M·阿茨貝格爾, M·雷費(fèi)爾沙伊德, T·蘭貝蒂 申請(qǐng)人:Sms西馬格股份公司