СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ И СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ
METHOD OF DETERMINING DEFORMATION AND CORRESPONDING EQUIPMENT

Изобретение относится к способу определения деформации оборудования, контактирующего с горячим материалом, и к соответствующему оборудованию.
Как известно специалисту в данной области техники, некоторое оборудование содержит внутреннюю (или горячую) поверхность, контактирующую с горячим материалом, и внешнюю (или холодную) поверхность, противоположную этой внутренней поверхности. Это, в частности, относится к доменной печи, которая обычно содержит внутреннюю стенку, частично покрытую оборудованием, формирующим охлаждающие пластины (или листы). В остальной части текста термин охлаждающие пластины или листы будет использоваться одинаково.
Например, в случае охлаждающей пластины внутренняя поверхность может содержать ребра, параллельные между собой, и канавки, также параллельные между собой и разделяющие два соседних ребра, которые обеспечивают крепление огнеупорного кирпича, торкретирующего или футерующего, или аккреционного слоя внутри доменной печи. Охлаждающая пластина также оснащена охлаждающими трубками, распространяющимися по всей внешней поверхности листа, чтобы держать его охлажденным во время работы.
Этот корпус листа подвергается деформациям вследствие дифференциального расширения, связанного с креплением листа к стенке доменной печи и тепловыми ограничениями, которым подвергается лист. Эти деформации, которые увеличиваются со временем, в основном приводят к искривлению (или изгибу) в вертикальном сечении, что часто называют “эффектом банана”. Величина этой кривизны может варьироваться от места к месту в одном и том же листе.
Деформации листа могут вызвать выступание части листа в печь, по которой преимущественно будут ударять материалы, загружаемые в печь. Это вызовет преждевременный износ листа и может привести к поломке стенки печи, которая больше не будет защищена. Таким образом, было бы полезно отслеживать деформации листа, чтобы заменить его, если величина его деформаций достигает заданного порога.
Но такой мониторинг выполнить очень трудно из-за очень ограничивающего окружения, а также из-за отсутствия доступного пространства на или в листе и, в более широком смысле, в оборудовании, подвергнутом горячим условиям на его внутренней поверхности.
В документе DE 10 2008 059856 описан датчик давления для определения с высокой надежностью и точностью распределения давления по поверхности. Этот датчик содержит по меньшей мере одно оптическое волокно, содержащее несколько волоконных решеток, причем эти решетки деформируются в соответствии с давлением, оказываемым на поверхность, на которой они расположены. Этот датчик не позволяет определять и отслеживать деформацию оборудования.
В документе US 2011/0144790 описаны системы и способы отслеживания тепловых условий в узлах обработки материалов, таких как реакторы с повышенной температурой. Оптические волокна размещают в каналах, сформированных или установленных в стенках печи, и используют в качестве тепловых датчиков. Эта система и способ не позволяют определять и отслеживать деформацию оборудования.
В документе US2009/285521 описан волоконно-оптический датчик для обнаружения напряжений с оптическим волокном, которое включает в себя множество решеток для отражения световых лучей, имеющих определенные длины волн. Этот датчик не позволяет определять и отслеживать деформацию оборудования.
Таким образом, цель изобретения заключается том, чтобы обеспечить возможность определения и отслеживания деформаций оборудования.
С этой целью изобретение относится к способу отслеживания деформации вдоль первого направления оборудования, контактирующего с горячим материалом и содержащего внутреннюю поверхность, контактирующую с этим горячим материалом, и внешнюю поверхность, противоположную этой внутренней поверхности.
Способ включает следующие этапы:
- на внешней стороне оборудования выполняют:
по меньшей мере одно первое оптическое волокно, установленное вдоль первого направления и содержащее по меньшей мере две первые брэгговские решетки, имеющие разные периоды решетки для отражения фотонов, имеющих разные брэгговские длины волн, и
по меньшей мере два вторых оптических волокна, расположенных вдоль по меньшей мере одного второго направления, которое пересекает первое оптическое волокно в точке пересечения, расположенной вблизи одной из первых брэгговских решеток, и каждое из которых в окрестности точки пересечения содержит вторую брэгговскую решетку, имеющую период решетки для отражения фотонов, имеющих брэгговскую длину волны,
- вводят фотоны, имеющие длины волн, принадлежащие к группе длин волн, включающей все эти брэгговские длины волн, в соответствующие первые концы первого и второго оптических волокон,
- определяют длину волны фотонов, отраженных соответствующей первой или второй брэгговской решеткой, и
- определяют деформацию оборудования вдоль первого направления на основе соответствующих пар, каждая из которых содержит определенную длину волны и соответствующую брэгговскую длину волны.
Способ в соответствии с изобретением также может содержать следующие необязательные признаки, рассматриваемые отдельно или в соответствии со всеми возможными техническими комбинациями:
- этап выполнения может содержать выполнение:
двух первых оптических волокон, установленных вдоль параллельных первых направлений и содержащих по меньшей мере три первые брэгговские решетки, имеющие разные периоды решетки для отражения фотонов, имеющих разные брэгговские длины волн, и
трех вторых оптических волокон, установленных вдоль вторых направлений, каждое из которых пересекает эти два первых оптических волокна в точках пересечения, расположенных вблизи трех первых брэгговских решеток, и каждое из них содержит по меньшей мере две вторые брэгговские решетки, имеющие различные периоды решетки для отражения фотонов, имеющих различные брэгговские длины волн, и расположенные вблизи соответствующих точек пересечения;
- в первом варианте этап определения деформации может содержать следующие подэтапы:
определяют изменения деформации, испытываемого каждой первой брэгговской решеткой с учетом отсутствия изменения температуры, на основе соответствующей пары, содержащей определенную длину волны фотонов, отраженных этой первой брэгговской решеткой, и брэгговскую длину волны этой первой брэгговской решетки, и на основе эталонной деформации,
определяют изменения температуры в каждой второй брэгговской решетке на основе соответствующей пары, содержащей определенную длину волны фотонов, отраженных этой второй брэгговской решеткой, и брэгговскую длину волны этой второй брэгговской решетки,
корректируют определенное изменение деформации каждой первой брэгговской решетки в соответствии с определенным изменением температуры по меньшей мере второй брэгговской решетки, расположенной вблизи этой первой брэгговской решетки, и
определяют деформацию оборудования вдоль первого направления по соответствующим скорректированным изменениям деформации по меньшей мере первого оптического волокна;
- во втором варианте этап определения деформации может содержать следующие подэтапы:
определяют изменения температуры в каждой второй брэгговской решетке на основе соответствующей пары, содержащей определенную длину волны фотонов, отраженных второй брэгговской решеткой, и брэгговскую длину волны второй брэгговской решетки,
определяют скорректированную деформацию в каждой первой брэгговской решетке с использованием ранее определенного изменения температуры,
определяют скорректированное изменение деформации, испытываемое каждой первой брэгговской решеткой, по ранее определенной скорректированной деформации и по эталонной деформации, и
определяют деформацию оборудования вдоль первого направления по соответствующим скорректированным изменениям деформации по меньшей мере первого оптического волокна.
Изобретение также относится к оборудованию, предназначенному для контактирования с горячим материалом и содержащему внутреннюю поверхность, контактирующую с этим горячим материалом, и внешнюю поверхность, противоположную этой внутренней поверхности.
Данное оборудование характеризуется тем, что его внешняя поверхность содержит:
- по меньшей мере одно первое оптическое волокно, установленное вдоль первого направления и содержащее по меньшей мере две первые брэгговские решетки, имеющие разные периоды решетки для отражения фотонов, имеющих разные брэгговские длины волн,
- по меньшей мере два вторых оптических волокна, расположенных вдоль по меньшей мере одного второго направления, которое пересекает это первое оптическое волокно в точке пересечения, расположенной вблизи одной из первых брэгговских решеток, и каждое из которых в окрестности точки пересечения содержит вторую брэгговскую решетку, имеющую период решетки для отражения фотонов, имеющих брэгговскую длину волны,
- источники фотонов, предназначенные для ввода фотонов, имеющих длины волн, принадлежащие к группе длин волн, включающей все эти брэгговские длины волн, в соответствующие первые концы этих первых и вторых оптических волокон,
- датчики, соединенные соответственно с этими первыми концами и предназначенные для определения длин волн фотонов, отраженных соответствующей первой или второй брэгговской решеткой, и
- средство обработки, предназначенное для определения деформации оборудования вдоль первого направления на основе соответствующих пар, каждая из которых содержит определенную длину волны и соответствующую брэгговскую длину волны.
Оборудование в соответствии с изобретением также может содержать следующие необязательные признаки, рассматриваемые отдельно или в соответствии со всеми возможными техническими комбинациями:
- оно может содержать два первых оптических волокна, установленных вдоль параллельных первых направлений и содержащих по меньшей мере три первых брэгговских решетки, имеющих различные периоды решетки для отражения фотонов, имеющих различные брэгговские длины волн, и три вторых оптических волокна, установленных вдоль вторых направлений, каждое из которых пересекает эти два первых оптических волокна в точках пересечения, расположенных вблизи трех первых брэгговских решеток, и каждое из них содержит по меньшей мере две вторые брэгговские решетки, имеющие различные периоды решетки для отражения фотонов, имеющих различные брэгговские длины волн, и расположенных вблизи соответствующих точек пересечения;
- в первом варианте средство обработки может быть предназначено для определения изменения деформации, испытываемой каждой первой брэгговской решеткой, по соответствующей паре, содержащей определенную длину волны фотонов, отраженных этой первой брэгговской решеткой, и брэгговскую длину волны этой первой брэгговской решетки, и изменения температуры в каждой второй брэгговской решетке по соответствующей паре, содержащей определенную длину волны фотонов, отраженных этой второй брэгговской решеткой, и брэгговскую длину волны этой второй брэгговской решетки, затем, для коррекции определенного изменения деформации каждой первой брэгговской решетки в соответствии с определенным изменением температуры по меньшей мере второй брэгговской решетки, расположенной в окрестности этой первой брэгговской решетки, и для определения деформации оборудования вдоль каждого первого направления первого оптического волокна из соответствующих скорректированных изменений деформации этого первого оптического волокна;
- каждое второе оптическое волокно может быть установлено в теплопроводящей трубке, установленной вдоль одного из вторых направлений;
каждая теплопроводящая трубка может быть неподвижно установлена в горизонтальной канавке, выполненной на внешней поверхности вдоль одного из вторых направлений;
• каждая теплопроводящая трубка может быть неподвижно установлена в горизонтальной канавке с помощью клея;
каждая теплопроводящая трубка может содержать внешнюю часть, покрытую медной пастой;
• медная паста может содержать внешнюю часть, покрытую медным покрытием;
- все вторые направления могут быть параллельны между собой;
- каждое первое оптическое волокно может быть неподвижно установлено в вертикальной канавке, выполненной на внешней поверхности вдоль первого направления;
каждое первое оптическое волокно может быть неподвижно установлено в вертикальной канавке с помощью клея;
каждое первое оптическое волокно может содержать внешнюю часть, покрытую уплотнительным материалом;
• уплотнительный материал может содержать наружную часть, покрытую защитным материалом, предназначенным для его защиты от тепловых скачков;
- оно может формировать охлаждающую пластину доменной печи;
первое направление может представлять собой вертикальное направление охлаждающей пластины, а второе направление может представлять собой горизонтальное направление охлаждающей пластины.
Изобретение также относится к доменной печи, содержащей по меньшей мере одно оборудование, подобное приведенному выше.
Другие характеристики и преимущества изобретения будут явно вытекать из его описания, которое приведено ниже и которое никоим образом не является ограничивающим, со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
на фиг. 1 схематично показан вид в перспективе примера осуществления охлаждающей пластины в соответствии с изобретением;
на фиг. 2 схематично показан вид в перспективе части примера осуществления первого оптического волокна охлаждающей пластины, показанной на фиг. 1;
на фиг. 3 на первом виде в поперечном сечении схематично показана часть охлаждающей пластины, показанной на фиг. 1, в области точки пересечения;
на фиг. 4 на втором виде в поперечном сечении (в плоскости, перпендикулярной плоскости первого вида в поперечном сечении) схематично показана часть охлаждающей пластины, приведенной на фиг. 1, в области, содержащей горизонтальную канавку, которая содержит теплопроводную трубку, содержащую второе оптическое волокно; и
на фиг. 5 схематично показан вид в перспективе другого примера осуществления охлаждающей пластины в соответствии с изобретением;
на фиг. 6 схематично показаны этапы процесса определения деформации оборудования в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
Цель изобретения, в частности, заключается в том, чтобы предложить способ определения деформации оборудования 1, которое может быть использовано в системе, устройстве или установке и которое содержит средство определения, предназначенное для определения его деформации вдоль первого направления D1.
В последующем описании в качестве примера будем считать, что оборудование 1 представляет собой охлаждающую пластину, которая может быть использована в доменной печи и которая содержит средство контроля, предназначенное для мониторинга ее деформации вдоль первого направления D1. Но оборудование 1 также может представлять собой, например, валок непрерывного литья или носком печи перед цинкованием.
Пример осуществления оборудования 1 (в данном случае охлаждающей пластины) в соответствии с изобретением показан на фиг. 1. Такая охлаждающая пластина 1 предназначена для установки на внутренней стенке доменной печи.
Как показано на фигуре, охлаждающая пластина 1 в соответствии с изобретением содержит медный корпус 2, имеющий внутреннюю (или горячую) поверхность 3 и внешнюю (или холодную) поверхность 4, противоположную его внутренней поверхности 3. Корпус 2 может быть изготовлен, например, из меди или чугуна.
Внутренняя поверхность содержит несколько ребер 22, параллельных между собой и разделенных канавками 23. После установки охлаждающей пластины 1 на внутренней стенке доменной печи ее ребра 22 и канавки 23 расположены (или установлены) горизонтально.
Внешняя сторона 4 закреплена на внутренней стенке доменной печи. Таким образом, внутренняя поверхность 3 представляет собой поверхность корпуса, контактирующую с очень горячим материалом и газом, находящимся внутри доменной печи.
Ребра 22 и канавки 23 могут иметь поперечное сечение в виде ласточкиного хвоста для оптимизации крепления аккреционного слоя, образовавшегося в результате процесса.
i
k
Внешняя поверхность 4 содержит по меньшей мере одно первое оптическое волокно 5, по меньшей мере два вторых оптических волокна 7, источники 9 фотонов, датчики 10 и средство обработки 11, которые все вместе образуют средство определения.
i
ij
(Каждое) первое оптическое волокно 5 установлено вдоль первого направления D1 (перпендикулярно ребрам 22 и канавкам 23) и содержит по меньшей мере две первые брэгговские решетки 6, имеющие различные периоды решетки для отражения фотонов, имеющих различные брэгговские длины волн.
i
i1
i3
i1
i2
i3
Неограничивающий пример для части первого оптического волокна 5, содержащего три первые брэгговские решетки 6-6 (j = 1-3), показан на фиг. 2. Первая брэгговская решетка 6 имеет первый период решетки для отражения фотонов, имеющих первую брэгговскую длину волны, вторая брэгговская решетка 6 имеет второй период решетки (отличный от первого) для отражения фотонов, имеющих вторую брэгговскую длину волны (отличную от первой), а третья брэгговская решетка 6 имеет третий период решетки (отличный от первого и второго) для отражения фотонов, имеющих третью брэгговскую длину волны (отличную от первого и второго).
B
B
Напомним, что волоконно-оптическая брэгговская решетка представляет собой распределенный брэгговский отражатель, сформированный на небольшом участке оптического волокна и предназначенный для отражения фотонов, имеющих по меньшей мере одну определенную длину λ волны, называемую брэгговской длиной волны, при этом передают фотоны, имеющие длины волн, отличные от каждой брэгговской длины λ волны, которую он отражает. Такая брэгговская решетка может быть задана, например, путем создания периодического изменения показателя преломления сердцевины оптического волокна, которое создает специфическое для длины волны диэлектрическое зеркало.
B
Брэгговская длина λ отраженной волны определяется следующим уравнением:
B
λ = 2*n*Λ,
где n – эффективный показатель преломления брэгговской решетки в сердцевине оптического волокна (который зависит от длины волны фотона и от моды распространения фотона (в многомодовых волноводах)), а Λ – период решетки.
i
i
i1
i2
i2
i3
i3
i
На фиг. 2 фотоны, имеющие различные длины волн и входящие в первое оптическое волокно 5 с левой стороны (стрелка F0), распространяются в нем (5) и, когда они достигают первой брэгговской решетки 6, то фотоны, которые имеют первую брэгговскую длину волны, отражаются (стрелка F1), в то время как фотоны, имеющие длины волн, отличные от первой брэгговской волны, передаются дальше (стрелка F1') и продолжают распространяться в направлении второй брэгговской решетки 6. Когда переданные фотоны достигают второй брэгговской решетки 6, те фотоны, которые имеют вторую брэгговскую длину волны, отражаются (стрелка F2), в то время как те, которые имеют длины волн, отличные от второй брэгговской длины волны, передаются дальше (стрелка F2') и продолжают распространяться в направлении третьей брэгговской решетки 6. Когда переданные фотоны достигают третьей брэгговской решетки 6, те фотоны, которые имеют третью брэгговскую длину волны, отражаются (стрелка F3), в то время как те, которые имеют длины волн, отличные от третьей брэгговской длины волны, передаются дальше (стрелка F3') и продолжают распространяться в направлении первого оптического волокна 5.
Важно понимать, что если оптическое волокно содержит брэгговскую решетку и не "испытывает нагрузку" (в связи с изменением деформации или изменением температуры), то ее брэгговская длина волны предопределена. Но если это оптическое волокно подвергается нагрузке на участке, содержащем эту брэгговскую решетку, то ее брэгговская длина волны изменяется и, следовательно, больше не является предопределенной. Таким образом, локальное изменение напряжения или изменение температуры оптического волокна может быть обнаружено по изменению брэгговской длины волны фотонов, отраженных его локальной брэгговской решеткой.
k
i
ki
ij
k
k
ki
kn
i
k
i
k
Каждое второе оптическое волокно 7 установлено вдоль второго направления D2, которое пересекает каждое первое оптическое волокно 5 в точке пересечения 21, расположенной вблизи от одной из первых брэгговских решеток 6. Таким образом, различные вторые оптические волокна 7 установлены вдоль по меньшей мере одного второго направления D2. Кроме того, каждое второе оптическое волокно 7 в окрестности каждой точки пересечения 21 содержит вторую брэгговскую решетку 8 (не показанную, но аналогичную тем, что показаны на фиг. 2), имеющую период решетки для отражения фотонов, имеющих брэгговскую длину волны. Поэтому, если средство определения содержит только одно первое оптическое волокно 5, каждое второе оптическое волокно 7 содержит по меньшей мере одну вторую брэгговскую решетку, а если средство контроля содержит два первых оптических волокна 5 (i = 1 или 2, как показано на фиг. 1), то каждое второе оптическое волокно 7 содержит по меньшей мере две вторые брэгговские решетки.
В случае, когда оборудование 1 представляет собой охлаждающую пластину (или лист), первое направление D1 может представлять собой вертикальное направление этой охлаждающей пластины 1, а второе направление D2 может представлять собой горизонтальное направление этой охлаждающей пластины 1. Но первое направление D1 и второе направление D2 оборудования 1 зависят от его расположения. Важно то, что первое направление D1 представляет собой направление, вдоль которого оборудование 1 подвергается деформации из-за горячих условий на его внутренней поверхности 3. В неограничивающем примере, показанном на фиг. 1, все вторые направления D2 параллельны между собой. Но в оборудовании 1 другого типа вторые направления D2 могут отличаться друг от друга.
1
3
kn
i
ij
к
i
ki
ij
kn
ki
ki
ij
kn
В неограничивающем примере, показанном на фиг. 1, средство определения содержит три вторых оптических волокна 7-7 (k = 1-3) для определения изменения температуры с помощью по меньшей двух вторых брэгговских решеток 8 и два первых оптических волокна 5 (i = 1 или 2) для определения изменений деформации, с использованием упомянутых изменений температуры с помощью по меньшей мере трех первых брэгговских решеток 6. Так, каждое второе оптическое волокно 7 пересекает два первых оптических волокна 5 в двух точках 21 пересечения, расположенных соответственно в непосредственной близости от двух (по меньшей мере) из трех первых брэгговских решеток 6, и содержит по меньшей мере две вторые брэгговские решетки 8, расположенные соответственно в непосредственной близости от этих двух точек 21 пересечения. Вблизи от точки 21 пересечения всегда имеется первая брэгговская решетка 6 и соответствующая ей вторая брэгговская решетка 8.
1
1j
k
kn
i
ij
1
kn
i
к
Но в вариантах осуществления средство определения может содержать одно первое оптическое волокно 5 (по меньшей мере с двумя первыми брэгговскими решетками 6) и два вторых оптических волокна 7 (k = 1 или 2, по меньшей мере с одной второй брэгговской решеткой 8), или два первых оптических волокна 5 (i= 1 или 2, по меньшей мере с двумя первыми брэгговскими решетками 6) и два вторых оптических волокна 7 (k= 1 или 2, по меньшей мере с двумя вторыми брэгговскими решетками 8), или три или более первых оптических волокна 5 и два или более вторых оптических волокна 7.
k
k
Число вторых оптических волокон 7 предпочтительно выбирают в соответствии с известным числом областей, подвергаемых существенно различным температурам. Известно, что в случае реализации на холодной поверхности листа верхний и нижний края холоднее, чем центральная часть, поэтому соответствующим образом адаптированы три вторых оптических волокна 7.
B
kn
kn
k
B
ij
i
Важно отметить, что брэгговская длина λ(8) волны второй брэгговской решетки 8, выполненной во втором оптическом волокне 7, может быть равна брэгговской длине λ(6) волны первой брэгговской решетки, выполненной в первом оптическом волокне 5, поскольку они относятся к фотонам, распространяющимся в различных оптических волокнах.
i
K
ij
kn
i
K
Источники 9 фотонов предназначены для ввода фотонов с длинами волн, принадлежащих к группе длин волн, включающей все брэгговские длины волн, в соответствующие первые концы первых 5 и вторых 7 оптических волокон. Например, источник 9 фотонов может содержать по меньшей мере один светоизлучающий диод (или светодиод), дающий белый свет (т.е. с широким спектром, содержащим различные брэгговские длины волн первой 6 или второй брэгговской решетки (решеток) 8, выполненной в первом 5 или втором 7 оптическом волокне, в которое он подает свет.
i
K
В неограничивающем примере, показанном на фиг. 1, источники 9 фотонов расположены соответственно вблизи первых концов первых 5 и вторых 7 оптических волокон. Но они могут быть расположены вдали от этих первых концов и соединены с последними через волноводы или другие оптические волокна.
i
K
ij
kn
Датчики 10 соединены соответственно с первыми концами (первых 5 и вторых 7 оптических волокон) и предназначены для определения длин волн фотонов, отраженных соответствующей первой 6 или второй брэгговской решеткой 8. Как объяснялось выше, если брэгговская решетка не находится под нагрузкой, то определенная длина волны фотонов, отраженных этой брэгговской решеткой, равна ее брэгговской длине волны.
Каждый датчик 10 может представлять собой, например, компактный спектрометр.
i
K
В неограничивающем примере, показанном на фиг. 1, датчики 10 расположены соответственно вблизи первых концов первых 5 и вторых 7 оптических волокон. Но они могут быть расположены вдали от этих первых концов и соединены с последними через волноводы или другие оптические волокна.
Кроме того, в неограничивающем примере, показанном на фиг. 1, охлаждающая пластина 1 содержит защищенную канавку 27, которая может содержать, например, кабели для электрического питания и/или управления источниками 9 фотонов и датчиками 10. В этом случае эти кабели могут проходить до трубы 24, где они могут быть сгруппированы вместе, например, в оболочку, предназначенную для защиты их от теплового и механического воздействия.
i
K
i
K
В варианте осуществления, показанном на фиг. 5, первые концы первых 5 и вторых 7 оптических волокон расположены на удалении от охлаждающей пластины 1. Фактически, первые 5 и вторые 7 оптические волокна входят в защищенную канавку 28 и проходят до трубы 24, где они сгруппированы в оболочку 25, предназначенную для защиты их от теплового и механического воздействия, пока они не достигнут удаленной коробки 26, где их соответствующие первые концы соединены с соответствующими источниками 9 фотонов и датчиками 10.
R
B
1
Средство 11 обработки предназначено для определения деформации охлаждающей пластины 1 вдоль первого направления D1 на основе соответствующих пар, каждая из которых содержит определенную длину λ волны и соответствующую брэгговскую длину λ волны. Таким образом, обрабатывающее средство 11 принимает длины волн, обнаруженные различными датчиками 10, и по длинам волн определяет деформацию охлаждающей пластины вдоль первого направления D1. Например, если рассматривать первое направление D1 первого оптического волокна 5 из примера на фиг. 1, то соответствующие пары длин волн являются следующими:
R
11
11
1
11
B
11
11
- (определенная длина λ(6) волны фотонов, отраженных первой брэгговской решеткой 6 первого первого оптического волокна 5 в окрестности первой точки 21 пересечения, и брэгговская длина λ(6) волны этой первой первой брэгговской решетки 6),
R
11
1
11
B
11
11
- (определенная длина λ(8) волны фотонов, отраженных первой второй брэгговской решеткой первого второго оптического волокна 7 в окрестности первой точки 21 пересечения, и брэгговская длина λ(8) волны этой первой второй брэгговской решетки 8),
R
12
12
1
21
B
12
12
- (определенная длина λ(6) волны фотонов, отраженных второй первой брэгговской решеткой 6 первого первого оптического волокна 5 в окрестности третьей точки 21 пересечения, и брэгговская длина λ(6) волны этой второй первой брэгговской решетки 6),
R
21
21
2
21
B
21
- (определенная длина λ(8) волны фотонов, отраженных первой второй брэгговской решеткой 8 второго второго оптического волокна 7 в окрестности третьей точки 21 пересечения, и брэгговская длина λ(8) волны этой первой второй брэгговской решетки),
R
13
13
1
31
B
13
13
- (определенная длина λ(6) волны фотонов, отраженных третьей первой брэгговской решеткой 6 первого первого оптического волокна 5 в окрестности пятой точки 21 пересечения, и брэгговская длина λ(6) волны этой третьей первой брэгговской решетки 6), и
R
31
31
3
31
B
31
- (определенная длина λ(8) волны фотонов, отраженных первой второй брэгговской решеткой 8 третьего второго оптического волокна 7 в окрестности пятой точки 21 пересечения, и брэгговская длина λ(8) волны этой первой второй брэгговской решетки).
Определение деформации охлаждающей пластины вдоль первого направления D1 по соответствующим парам длин волн может быть выполнено средством 11 обработки по меньшей мере двумя различными способами.
В общих чертах, средство 11 обработки может быть предназначено для определения:
ij
ij
ij
R
ij
B
ij
R
ij
ij
B
ij
ij
- деформации σ(6) и изменения Δσ(6) деформации, испытываемой каждой первой брэгговской решеткой 6 по соответствующей паре (λ(6), λ(6)), содержащей определенную длину λ(6) волны фотонов, отраженных этой первой брэгговской решеткой 6, и брэгговскую длину λ(6) волны этой первой брэгговской решетки 6, и
kn
kn
kn
R
kn
B
kn
R
kn
kn
B
kn
kn
- температуры T(8) и изменения ΔT(8) температуры в каждой второй брэгговской решетке 8 по соответствующей паре (λ(8), λ(8)), содержащей определенную длину λ(8) волны фотонов, отраженных этой второй брэгговской решеткой 8, и брэгговскую длину λ(8) волны этой первой брэгговской решетки 8.
ij
ij
ij
kn
kn
ij
i
ij
i
Затем, средство 11 обработки предназначено для коррекции определенного изменения Δσ(6) деформации или деформации σ(6) каждой первой брэгговской решетки 6 в соответствии с определенным изменением температуры ΔT(8) по меньшей мере второй брэгговской решетки 8, расположенной в окрестности этой первой брэгговской решетки 6. Затем, средство 11 обработки предназначено для определения деформации охлаждающей пластины 1 вдоль первого направления D1 первого оптического волокна 5 по соответствующим скорректированным изменениям Δσ(6) деформации первого оптического волокна 5.
ij
ij
i
ki
kn
k
ki
Другими словами, средство 11 обработки корректирует каждое изменение Δσ(6) деформации или деформации σ(6), определенное в первом оптическом волокне 5 вблизи точки пересечения 21, в соответствии с изменением температуры ΔT(8), определенным по меньшей мере во втором оптическом волокне 7 вблизи этой точки пересечения 21.
kn
kn
kn
kn
ref
B
kn
kn
ref
R
kn
kn
ref
k
kn
Определение изменения ΔT(8) температуры, испытываемого второй брэгговской решеткой (8), может быть выполнено с использованием уравнения, дающего температуру T(8) во второй брэгговской решетке 8 в зависимости от эталонной температуры T, рассматриваемой при отсутствии деформации, брэгговской длины λ(8) волны в этой второй брэгговской решетке 8, рассматриваемой при отсутствии деформации, и когда температура равна эталонной температуре T, и определенной длины λ(8) волны фотонов, отраженных этой второй брэгговской решеткой 8. Например, T= 22,5°C и n = 1 – 3, если каждое второе оптическое волокно 7 содержит три вторых брэгговских решетки 8.
Например, уравнение A может быть следующим:
1
2
k
где S и S – константы, относящиеся ко второму оптическому волокну 7.
k
Такое уравнение может быть использовано, когда рассматриваемое второе оптическое волокно 7 не находится под нагрузкой, как это будет подробно описано ниже в отношении фиг. 3 и 4.
kn
kn
R
kn
kn
B
kn
kn
kn
Изменение ΔT(8) температуры также может быть вычислено с учетом того, что это изменение ΔT(8) температуры пропорционально изменению длины волны. Тогда, сначала определяем разность между каждой определенной длиной λ(8) волны фотонов, отраженных брэгговской решеткой 8, и соответствующей брэгговской длиной λ(8) волны, а затем применяем коэффициент пропорциональности для вычисления изменения ΔT(8) температуры во второй брэгговской решетке 8.
ij
ij
ij
ij
ref
ij
ij
ref
В первом случае определение скорректированного изменения Δσ(6) деформации, испытываемой первой брэгговской решеткой 6, выполняют с использованием уравнения, дающего скорректированную деформацию σ(6) в первой брэгговской решетке 6, и в соответствии с эталонной деформацией σ(6) в этой первой брэгговской решетке 6, рассматриваемой при отсутствии деформации вдоль D1, и когда температура равна эталонной температуре T (например 22,5°C).
Например, уравнение В может быть следующим:
R
ij
ij
где λ(6) – определенная длина волны в соответствующей первой брэгговской решетке 6,
B
ij
ij
где λ(6) – брэгговская длина волны в соответствующей первой брэгговской решетке 6,
s
где α – коэффициент теплового расширения охлаждающей пластины 1,
f
i
ij
α – коэффициент теплового расширения первого оптического волокна 5, содержащего первую брэгговскую решетку 6 (например, равный 0,5 µε/°C),
1
2
k, S и S – параметры тензометрического датчика, определенные в калибровочных картах,
ref
kn
ref
ΔT = Т(8) – Т,
0, ref
0
ref
0
ref
и ΔT = T–T, (где T – температура в начале измерения, и, например, T = 22,5°C).
1
11
12
Во втором способе и как показано на фиг. 6, определение деформации вдоль, например, первого оптического волокна 5 между первой первой брэгговской решеткой 6 и второй первой брэгговской решеткой 6 выполняют путем:
11
12
R
11
B
11
R
12
B
12
0
ref
kn
- определения нескорректированных изменений Δσ(6) и Δσ(6) деформации по соответствующим парам (λ(6), λ(6)), (λ(6), λ(6)) с использованием приведенного выше уравнения B, когда T равно T, и когда ΔT(8) равно 0 (изменение температуры отсутствует),
12
22
R
12
B
12
R
22
B
22
12
22
1
2
11
21
- определения изменений ΔT(8) и ΔT(8) температуры по соответствующим парам (λ(8), λ(8)), (λ(8), λ(8) первой второй брэгговской решетки 8 и второй второй брэгговской решетки 8 (см. фиг. 1) с использованием приведенного выше уравнения А при отсутствии деформации, приложенной ко вторым оптическим волокнам 7, 7 по меньшей мере в окрестности соответствующих точек 21 и 21 пересечения,
11
12
12
21
- корректировки ранее определенных изменений Δσ(6) и Δσ(6) деформации с ранее определенными изменениями ΔT(8) и ΔT(8) температуры, и
1
11
12
- оценки деформации вдоль первого оптического волокна 5 между первой первой брэгговской решеткой 6 и второй первой брэгговской решеткой 6.
1j
1
2j
2
Такой же способ определения применяют для другой брэгговской решетки 6 первого оптического волокна 5 и для брэгговских решеток 6 второго оптического волокна 5 для оценки общей деформации внешней поверхности 4 охлаждающей пластины 1.
i
ij
ki
ij
ij
kn
kn
ki
i
ij
ki
k'i
ki
k'i
ij
ij
ki
k'i
E
kn
ij
В случае, когда первое оптическое волокно 5 содержит несколько первых брэгговских решеток 6 вблизи точки 21 пересечения, изменение Δσ(6) деформации каждой из этих первых брэгговских решеток 6 может быть определено посредством определенного изменения ΔT(8) температуры второй брэгговской решетки 8, которая является ближайшей к этой точке 21 пересечения. В одном варианте, в случае, когда первое оптическое волокно 5 содержит несколько первых брэгговских решеток 6, расположенных между двумя точками 21 и 21 пересечения, и когда имеет место градиент температуры между этими двумя точками 21 и 21 пересечения, изменение Δσ(6) деформации каждой первой брэгговской решетки 6 (находится между этими двумя точками 21 и 21 пересечения) может быть определено с помощью ожидаемого изменений ΔT(8) температуры в зависимости от соответствующего значения градиента температуры в месте расположения этой первой брэгговской решетки 6.
k
kn
k
k
Со ссылкой на фиг. 3 и 4, во избежание деформации второго оптического волокна 7 и для определения изменения ΔT(8) температуры это второе оптическое волокно 7 располагают в теплопроводящей трубке 12, которая установлена вдоль одного из вторых направлений D2, и диаметр которой существенно больше диаметра волокна 7. Например, каждая теплопроводящая трубка 12 может быть изготовлена из нержавеющей стали.
Каждая теплопроводящая трубка 12 может быть неподвижно установлена в горизонтальной канавке 13, выполненной на внешней поверхности 4 корпуса 2 вдоль одного из вторых направлений D2. В этом случае каждая теплопроводящая трубка 12 может быть неподвижно установлена в горизонтальной канавке 13, например, с помощью клея 14. Этот клей 14 может представлять собой, например, клей, который производит Vishay под маркой M-bond 600 (пригодный для использования при температуре до +260°C).
k
k
Глубина каждой горизонтальной канавки 13 зависит от диаметра теплопроводящей трубки 12 и от ее формы. В неограничивающем примере, показанном на фиг. 4, каждая горизонтальная канавка 13 имеет V-образную форму в поперечном сечении. Но она может иметь другую форму в поперечном сечении, например, U-образную или прямоугольную форму. Например, если второе оптическое волокно 7 имеет диаметр, составляющий от 240 мкм до 250 мкм, то диаметр теплопроводящей трубки 12 может быть равен 1 мм, а глубина горизонтальной канавки 13 может быть равна 1,2 мм, так что второе оптическое волокно 7 не деформируется.
Также, например, как показано на фиг. 4, каждая теплопроводящая трубка 12 может содержать внешнюю часть, покрытую медной пастой 15. Последняя 15 предназначена для исключения наличия слоя воздуха у наружной части теплопроводящей трубки 12, потому что воздух обладает плохой теплопроводностью. Можно также использовать материал из нержавеющей стали.
Также, например, как показано на фиг. 4, каждая медная паста может содержать внешнюю часть, покрытую медным покрытием 16. Последнее (16) предназначено для защиты теплопроводящей трубки 12 от ударов.
i
ki
i
k
k
ki
k
i
Как показано на фиг. 3, каждое первое оптическое волокно 5 может быть неподвижно установлено в вертикальной канавке 17, выполненной на внешней поверхности 4 корпуса 2 вдоль первого направления D1. В каждой точке 21 пересечения первое оптическое волокно 5 предпочтительно расположено ближе к внешней стороне, чем второе оптическое волокно 7. Поэтому, когда последнее (7) расположено внутри теплопроводящих трубок 12, эти трубки (12) могут содержать деформации в каждой соответствующей точке пересечения 21, чтобы пройти "под" вертикальными канавками 17, или же горизонтальные канавки 13 должны иметь гораздо более существенную глубину, чтобы вторые оптические волокна 7 были "ниже" уровня вертикальных канавок 17 (например, эта глубина может быть равна 1,2 см или 2 см). В этих случаях теплопроводящие трубки 12 должны быть неподвижно установлены внутри горизонтальных канавок 13 до того, как в вертикальных канавках 17 будет неподвижно установлено первое оптическое волокно 5. В одном варианте осуществления вместо выполнения горизонтальных канавок 13 на внешней поверхности 4 можно выполнить просверленные отверстия в корпусе 2, "ниже" уровня вертикальных канавок 17, а затем ввести теплопроводящие трубки 12 внутрь этих просверленных отверстий в корпусе.
i
i
Глубина каждой вертикальной канавки 17 зависит от диаметра первого оптического волокна 5. В неограничивающем примере, показанном на фиг. 3, каждая вертикальная канавка 17 имеет V-образную форму в поперечном сечении. Но она может иметь другую форму в поперечном сечении, например, U-образную или прямоугольную форму. Например, если первое оптическое волокно 5 имеет диаметр от 240 мкм до 250 мкм, то глубина вертикальной канавки 17 может быть равна 1 см.
i
Например, как показано на фиг. 3, каждое первое оптическое волокно 5 может быть неподвижно установлено в вертикальной канавке 17 с помощью клея 18. Этот клей 18 может представлять собой, например, клей, который производит Vishay под маркой M-bond 600 (пригодный для использования при температуре до +260°C).
i
i
i
Также, например, как показано на фиг. 3, каждое первое оптическое волокно 5 может содержать внешнюю часть, покрытую уплотнительным материалом 19, предназначенным для защиты от механических ударов. Этот уплотнительный материал 19 может представлять собой силиконовый каучук, например, производимый компанией Vishay под маркой RTV3145 (пригодный для использования при температуре до +260°C). Также можно вставить лак между каждым первым оптическим волокном 5 и уплотнительным материалом 19 для защиты каждого первого оптического волокна 5 и клея 18. Например, этот лак может представлять собой лак, который производит компания Vishay под маркой M-COAT A.
Также, например, как показано на фиг. 3, уплотнительный материал 19 может содержать внешнюю часть, покрытую защитным материалом 20, предназначенным для защиты его от тепловых скачков. Например, этот защитный материал 20 может представлять собой силикон.
Средство 11 обработки может быть размещено в компьютере, например, вдали от охлаждающей пластины 1. В этом случае оно предпочтительно состоит из программных модулей, по меньшей мере частично. Но оно также может быть выполнено из комбинации электронной схемы(схем) (или аппаратных модулей) и программных модулей (что также требует программного интерфейса, позволяющего взаимодействовать между аппаратными и программными модулями). Так что это может быть компьютер. В случае если оно состоит только из программных модулей, средство может храниться в памяти компьютера или в любом программном компьютерном продукте, таком как, например, компакт-диск, который может быть прочитан компьютером и т.п.
Благодаря постоянному определению длин волн фотонов, отраженных брэгговскими решетками, выполненными в оптических волокнах (предназначенными для измерения деформации и измерения температуры), теперь можно в режиме реального времени отслеживать развитие вертикальной деформации охлаждающих пластин (или листов) доменной печи, а в более общем случае определять деформацию в заданном направлении любого оборудования, контактирующего с горячим материалом.
i
Как вариант, внутренняя поверхность 3 охлаждающей пластины 1 также может содержать одно или несколько оптических волокон (не показаны) для определения колебаний температуры на этой поверхности 3, которые установлены вдоль первого направления D1 в положении, соответствующем оптическим волокнам 5 холодной поверхности 4.