УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ
DEVICE FOR MEASURING SURFACE TEMPERATURE AND METHOD OF MEASURING SURFACE TEMPERATURE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройству, которое измеряет температуру поверхности материала объекта измерения температуры, такого как стальной материал, посредством измерения радиационной температуры, и к способу ее измерения. Настоящее изобретение относится, в частности, к устройству измерения температуры поверхности, который пригоден для точного измерения температуры поверхности материала объекта измерения температуры, такого как стальной материал (например, колесо, стальная труба, стальной лист или рельс), в процессе его охлаждения водой, и к способу ее измерения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для повышения качества и эффективности материала объекта измерения температуры, такого как колесо, стальная труба, стальной лист, или рельс, оказывается важным контролировать температуру материала объекта измерения температуры в процессе его охлаждения. Когда температура поверхности материала объекта измерения температуры измеряется посредством радиационного термометра, например в процессе его охлаждения в линии горячей прокатки или в линии горячей обработки и охлаждения материала объекта измерения температуры, то иногда может возникать пар или распыленная охлаждающая вода между материалом объекта измерения температуры и радиационным термометром. В качестве альтернативы, поверхность материала объекта измерения температуры может быть покрыта водяной пленкой или может быть погруженной в воду. В такой окружающей среде свет теплового излучения, испускаемый от материала объекта измерения температуры, может быть поглощен в испаряемой воде, водяном паре, охлаждающей воде или в чем-либо подобном или может быть рассеян и, соответственно, измеренное значение температуры может включать в себя ошибку или измерение может не давать необходимого результата.
Соответственно, для уменьшения ошибки в измерении температуры (далее также называемой ошибками измерения температуры), создаваемой вышеупомянутыми факторами, и для получения возможности точного измерения радиационной температуры предлагались различные способы измерения температуры поверхности стального материала в соответствии с данной областью техники. Например, в Патентном документе 1 предложен способ измерения температуры поверхности стального материала, формируя водяной столб между радиационным термометром и поверхностью стального материала посредством выбрасывания промывочной воды из сопла к поверхности стального материала и посредством обнаружения излучаемой энергии света теплового излучения, испускаемого от стального материала через водяной столб.
Более конкретно, в способе измерения температуры, раскрытом в Патентном документе 1, водяной столб формируется между радиационным термометром и объектом измерения. Радиационный термометр выполнен с возможностью измерения температуры поверхности объекта измерения на основе приема излучаемой энергии, испускаемой от объекта измерения. Из всей излучаемой энергии, испускаемой от объекта измерения, часть излучаемой энергии поглощается в водяном столбе. Таким образом, учитывая поглощение, при том что радиационная энергия скорректирована, температура поверхности объекта измерения измеряется посредством радиационного термометра. Этот способ отличается тем, что температура водяного столба устанавливается равной 60°C или выше для формирования водяного столба.
В соответствии со способом, раскрытым в Патентном документе 1, поскольку водяной столб сформирован между радиационным термометром и объектом измерения, водяной пар или распыленная вода не должны попасть в часть, где сформирован водяной столб, и оказывается возможным уменьшить ошибки измерения температуры, обусловленные поглощением или рассеянием излучаемой энергии водяным паром или распыленной водой. Кроме того, в соответствии со способом, раскрытым в Патентном документе 1, поскольку температура водяного столба устанавливается как 60°C или выше, должна образовываться кипящая пленка на поверхности объекта измерения в контакте с водяным столбом. Соответственно, становится возможным нивелировать снижение температуры поверхности объекта измерения и уменьшить неоднородность охлаждения объекта измерения, не ухудшая репрезентативность измеренного значения температуры, что является преимущественным.
Однако способ, раскрытый в Патентном документе 1, имеет следующие проблемы. Необходим нагреватель, чтобы увеличить температуру водяного столба до 60°C или выше. Также необходимы большие энергетические затраты для увеличения температуры воды. Кроме того, поскольку необходимо устройство измерения толщины для измерения толщины водяного столба (использующее ультразвуковую систему, например), размеры всего устройства оказываются большими и, соответственно, становится затруднительным установить устройство в узкое пространство, такое как пространство между несущими роликами стального материала. Кроме того, даже когда измеряющее толщину устройство установлено, его технологическое обслуживание может быть затруднено, поскольку прикрепление и открепление могут нарушить работу устройства измерения толщины, что может ухудшить стабильность и надежность измеряемого значения температуры.
Для решения по меньшей мере одной из вышеупомянутых проблем и т.п. для способа, раскрытого в Патентном документе 1, настоящие авторы предложили способ, раскрытый в Патентном документе 2. Конкретно, способ, раскрытый в Патентном документе 2 представляет собой способ измерения температуры поверхности материала объекта измерения температуры путем обнаружения света теплового излучения, испускаемого от нижней поверхности материала объекта измерения температуры посредством радиационного термометра, который расположен противоположно нижней части стального материала объекта измерения температуры и отделен промывочной водой, выпускаемой из сопла к нижней поверхности стального материала объекта измерения температуры. С этим способом на основании положения линейной траектории стального материала объекта измерения температуры все толщины промывочной воды устанавливаются в заданных пределах (пункт 2 формулы Патентного документа 2). Кроме того, этот способ предлагает установить длину волны света теплового излучения, обнаруживаемого радиационным термометром как 0,9 мкм или менее (пункт 3 формулы Патентного документа 2).
В соответствии с вышеупомянутым способом, раскрытым в Патентном документе 2, поскольку все значения толщины промывочной воды устанавливаются в заданных пределах, гидродинамическое давление промывочной воды на нижнюю поверхность стального материала объекта измерения температуры оказывается сниженным, и даже когда промывочная вода имеет комнатную температуру, охлаждение может быть ухудшено. Таким образом, в соответствии со способом, раскрытым в Патентном документе 2, становится возможным получить преимущество в том, что большие энергетические затраты на увеличение температуры воды, которые являются необходимыми в Патентном документе 1, оказываются ненужными. Кроме того, устанавливая длину волны света теплового излучения, обнаруживаемого радиационным термометром как 0,9 мкм или менее, становится возможным получить преимущество в том, что устройство измерения толщины для измерения толщины водяного столба оказывается не необходимым.
Однако в соответствии с вышеупомянутым способом, раскрытым в Патентном документе 2, в случае когда измеряется температура верхней поверхности, боковых поверхностей, и т.п. стального материала объекта измерения температуры, промывочная вода сталкивается со стальным материалом с измеряемой температурой и, соответственно, ошибки измерения температуры могут быть созданы охлаждением поверхности стального материала объекта измерения температуры. Кроме того, поскольку длина волны света теплового излучения, обнаруживаемого радиационным термометром, устанавливается как 0,9 мкм или менее, нижний предел температуры поверхности стального материала, который может быть подвергнут измерению радиационной температуры, составляет приблизительно 500°C. Учитывая отмеченное выше требование к высокому качеству стального материала, становится важным контролировать температуру поверхности в области низких температур, приблизительно 200°C. Соответственно, затруднительно контролировать соответствующие температуры со способом, которым может быть измерена температура поверхности только приблизительно 500°C или выше.
Кроме того, что касается методики измерения температуры поверхности материала объекта измерения температуры, обычно температура измеряется посредством несильного прижатия температурного датчика в виде проводной термопары к материалу объекта измерения температуры. Температурный датчик в виде термопары фиксируется на задней поверхности контактной пластины на краю блока измерения температуры. Однако поскольку температурный датчик в виде проводной термопары прижат контактной пластиной к материалу объекта измерения температуры в процессе охлаждения охлаждающей водой, вода попадает в пространство между контактной пластиной и материалом объекта измерения температуры и температурный датчик в виде проводной термопары входит в контакт с водой. Соответственно, становится затруднительным точно измерить температуру поверхности материала объекта измерения температуры.
Документы из уровня техники
Патентны-е документы
Патентный документ 1 JP H8-295950 A
Патентный документ 2 JP, 2006-17589 A
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ
Настоящее изобретение было создано для решения по меньшей мере одной из проблем данной области техники и направлено на создание устройства измерения температуры поверхности, которое пригодно для точного измерения температуры поверхности материала объекта измерения температуры, такого как стальной материал (например, колесо, стальная труба, стальной лист или рельс), в процессе охлаждения водой, и способ ее измерения.
СРЕДСТВА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ(-М)
Для решения по меньшей мере одной из вышеупомянутых проблем в соответствии с настоящим изобретением предложено устройство измерения температуры поверхности, включающее в себя радиационный термометр, выполненный с возможностью обнаружения света теплового излучения, испускаемого от поверхности материала объекта измерения температуры в процессе охлаждения водой, корпус, имеющий отверстие на стороне материала объекта измерения температуры, причем корпус вмещает внутри корпуса по меньшей мере блок приема света радиационного термометра среди структурных элементов радиационного термометра и оптическое стекло, которое подогнано и уплотнено внутри корпуса между материалом объекта измерения температуры и блоком приема света радиационного термометра, причем оптическое стекло выполнено с возможностью пропускания света теплового излучения. Оптическое стекло имеет на стороне материала объекта измерения температуры крайнюю поверхность, которая является смежной с поверхностью материала объекта измерения температуры.
В устройстве измерения температуры поверхности крайняя поверхность оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры может быть помещена в положении, где вода присутствует в пространстве между крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры и поверхностью материала объекта измерения температуры, и блок приема света радиационного термометра может принимать свет теплового излучения, испускаемый от поверхности материала объекта измерения температуры через воду, которая присутствует в пространстве между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры.
Радиационный термометр может обнаруживать свет, имеющий любой диапазон длин волн из интервала длин волн от 0,7 до 0,9 мкм, от 1,0 до 1,2 мкм, и от 1,6 до 1,8 мкм.
Устройство измерения температуры поверхности может включать в себя поддерживающий элемент, выполненный с возможностью поддержания по существу постоянным зазора между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры.
Поверхность материала объекта измерения температуры, на которой радиационный термометр обнаруживает свет теплового излучения, может быть плоскостью, которая является по существу вертикальной к горизонтальному направлению, и устройство измерения температуры поверхности может вычислить измеренное значение температуры, корректируя выходное значение радиационного термометра с использованием коэффициента пропускания света теплового излучения относительно толщины воды, соответствующей длине, которая является по существу половиной зазора между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры.
Поверхность материала объекта измерения температуры, на которой радиационный термометр обнаруживает свет теплового излучения, может быть верхней поверхностью материала объекта измерения температуры, которая является по существу параллельной горизонтальному направлению, и зазор между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры может быть 2,5 мм или менее.
Поверхность материала объекта измерения температуры, на которой радиационный термометр обнаруживает свет теплового излучения, может быть плоскостью, которая является по существу вертикальной к горизонтальному направлению, блок приема света радиационного термометра может принимать свет теплового излучения, испускаемый через воду, которая присутствует в пространстве между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры, и зазор между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры может составлять 1,0 мм или менее.
Устройство измерения температуры поверхности может включать в себя устройство подачи воды, выполненное с возможностью подачи воды в пространство между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры.
Для решения по меньшей мере одной из вышеупомянутых проблем в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложено устройство измерения температуры поверхности, включающее в себя радиационный термометр, выполненный с возможностью обнаружения света теплового излучения, испускаемого от поверхности материала объекта измерения температуры в процессе охлаждения водой, корпус, имеющий отверстие на стороне материала объекта измерения температуры, причем корпус вмещает внутри корпуса по меньшей мере блок приема света радиационного термометра среди структурных элементов радиационного термометра, оптическое стекло, которое подогнано и уплотнено внутри корпуса между материала объекта измерения температуры и блоком приема света радиационного термометра, причем оптическое стекло выполнено с возможностью пропускания света теплового излучения, и поддерживающий элемент, выполненный с возможностью поддержания по существу постоянного зазора между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры.
Для решения по меньшей мере одной из вышеупомянутых проблем в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложен способ измерения температуры поверхности для измерения температуры поверхности материала объекта измерения температуры путем обнаружения радиационным пирометром света теплового излучения, испускаемого от поверхности материала объекта измерения температуры в процессе охлаждения водой, причем способ содержит введение оптического стекла, выполненного с возможностью пропускания света теплового излучения, между материалом объекта измерения температуры и блоком приема света радиационного термометра и расположение крайней поверхности оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры как смежной с поверхностью материала объекта измерения температуры и измерение температуры поверхности материала объекта измерения температуры.
В случае когда материал объекта измерения температуры является стальным материалом, имеющим форму диска, форму столбика или цилиндрическую форму, имеющую внешнюю периферийную поверхность, при измерении температуры поверхности материала объекта измерения температуры температура внешней периферийной поверхности материала объекта измерения температуры может быть измерена посредством радиационного термометра, тогда как зазор между внешней периферийной поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры поддерживается по существу постоянным, в состоянии, в котором материал объекта измерения температуры вращается вокруг центральной оси материала объекта измерения температуры как вращающийся центр и внешняя периферийная поверхность материала объекта измерения температуры охлаждается водой.
ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как описано выше, в соответствии с настоящим изобретением оказывается возможным создание устройства измерения температуры поверхности, которое пригодно для точного измерения температуры поверхности материала объекта измерения температуры, такого как стальной материал (например, колесо, стальная труба, стальной лист, или рельс), в процессе охлаждения водой, и способ ее измерения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 изображает схематический вид в плане, показывающий устройство измерения температуры поверхности в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 2 - схематический вид спереди, показывающий устройство измерения температуры поверхности в соответствии с вариантом выполнения при рассмотрении от направления А на Фиг. 1,
Фиг. 3 - схематический вид сбоку, показывающий устройство измерения температуры поверхности при рассмотрении от направления В на Фиг. 1,
Фиг. 4 - принципиальная схема, показывающая механизм промывки внутри корпуса.
Фиг. 5 - график, показывающий соотношение между длиной волны света теплового излучения и коэффициентом пропускания света теплового излучения относительно толщины воды.
Фиг. 6 - график, показывающий результаты наблюдения состояния воды, которая присутствует между стальным листом и крайней поверхностью оптического стекла в зазоре между верхней поверхностью (горизонтальная плоскость) стального листа, который является по существу параллельным горизонтальному направлению или плоскости (вертикальная плоскость) стального листа, который является по существу вертикальным к горизонтальному направлению, и крайней поверхностью оптического стекла.
Фиг. 7 - пример состояния загрузки воды, которая присутствует между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры.
Фиг. 8 - график, показывающий пример соотношения между степенью загрузки воды и ошибкой измерения температуры.
Фиг. 9 - соотношение между частью, где вода загружается, и областью измерения блока обнаружения радиационного термометра.
Фиг. 10 - принципиальная схема, показывающая экспериментальное устройство для оценки точности измерения температуры поверхности на вертикальной плоскости стального листа в процессе охлаждения водой.
Фиг. 11 - график, показывающий результаты измерения температуры, полученные экспериментальным устройством, показанным на Фиг. 10,
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
<1. ОБЩИЙ ОБЗОР НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ>
Устройство измерения температуры поверхности в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения будет описано ниже. Вначале приводится общий обзор устройства измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения.
Устройство измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения включает в себя радиационный термометр, выполненный с возможностью обнаружения света теплового излучения, испускаемого от поверхности материала объекта измерения температуры в процессе охлаждения водой, корпус, имеющий отверстие на стороне материала объекта измерения температуры, причем корпус вмещает внутри корпуса по меньшей мере блок приема света радиационного термометра среди структурных элементов радиационного термометра, и оптическое стекло, которое подогнано и уплотнено внутри корпуса между материалом объекта измерения температуры и блоком приема света радиационного термометра, причем оптическое стекло выполнено с возможностью пропускания света теплового излучения. Кроме того, крайняя поверхность оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры является смежной с поверхностью материала объекта измерения температуры.
В устройстве измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения корпус имеет отверстие на стороне материала объекта измерения температуры и содержит, внутри корпуса по меньшей мере блок приема света радиационного термометра среди структурных элементов радиационного термометра. Кроме того, оптическое стекло, которое введено между материалом объекта измерения температуры и блоком приема света радиационного термометра, пропускает свет теплового излучения. Соответственно, свет теплового излучения, испускаемый от поверхности материала объекта измерения температуры, принимается блоком приема света радиационного термометра через отверстие корпуса и оптическое стекло. Следует отметить, что радиационный термометр целиком может быть помещен в корпус или блок приема света радиационного термометра может быть помещен в корпус и структурные элементы, отличные от блока приема света радиационного термометра, могут быть предусмотрены вне корпуса.
Обычно в процессе охлаждения есть водяной пар или распыленная вода на периферии материала объекта измерения температуры. Соответственно, водяной пар или распыленная вода могут поглощать или рассеивать излучаемую энергию, что может привести к снижению излучаемой энергии света теплового излучения, обнаруживаемого радиационным термометром, и созданию ошибки при измерении (далее также называемую как ошибка измерения). Оказывается возможным уменьшить эффекты водного пара и распыленной воды, если радиационный термометр устанавливается как смежный с материалом объекта измерения температуры; однако в этом случае могут оказаться существенными свойства термостойкости или водонепроницаемости радиационного термометра. В устройстве измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения оптическое стекло подгоняется и уплотняется внутри корпуса между материалом объекта измерения температуры и блоком приема света радиационного термометра. Соответственно, удается избежать непосредственного нагрева радиационного термометра теплом, испускаемым материалом объекта измерения температуры, и вода не должна при этом попадать внутрь корпуса через край отверстия корпуса и блока приема света радиационного термометра. Поэтому оказывается возможным соблюсти свойства термостойкости и водонепроницаемости радиационного термометра.
Кроме того, поскольку крайняя поверхность оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры является смежной с материалом объекта измерения температуры, водяной пар, распыленная вода и охлаждающая вода не должны попадать в пространство между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры. Кроме того, даже если охлаждающая вода и т.п. попадет, то охлаждающая вода, попавшая в пространство между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры, будет иметь такое поверхностное натяжение, что будет оставаться устойчивой в этом пространстве. Соответственно, становится возможным уменьшить ошибки измерения температуры, обусловленные поглощением или рассеянием излучаемой энергии водяным паром или распыленной водой.
Здесь, состояние, в котором охлаждающая вода остается устойчивой в пространстве между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры, включает в себя не только состояние, в котором охлаждающая вода полностью загружается в пространство между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры, но также и состояние, в котором охлаждающая вода остается устойчивой в части пространства между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры. Конкретно, например, в случае когда поверхность материала объекта измерения температуры, с которой обнаруживается свет теплового излучения, является плоскостью, вертикальным к горизонтальному направлению, охлаждающая вода находится под воздействием гравитации. В этом случае охлаждающая вода может оставаться устойчивой ниже пространства между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры.
Соответственно, устройство измерения температуры поверхности может быть конфигурировано таким образом, что крайняя поверхность оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры будет расположена в положении, где присутствует вода в пространстве между крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры и поверхностью материала объекта измерения температуры, и блок приема света радиационного термометра принимает свет теплового излучения, испускаемый от поверхности материала объекта измерения температуры через воду, которая присутствует в пространстве между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры. Соответственно, становится возможным уменьшить ошибки измерения температуры, обусловленные поглощением или рассеянием водяным паром или распыленной водой излучаемой энергии.
Кроме того, с устройством измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения можно ожидать, что охлаждающая вода остается устойчивой в пространстве между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры. Соответственно, устройство измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения может уменьшить ошибки измерения температуры, обусловленные поглощением или рассеянием излучаемой энергии водяным паром или распыленной водой без использования промывочной воды или продувочного воздуха. Кроме того, не создается снижения температуры материала объекта измерения температуры, обусловленного распылением промывочной воды или продувочного воздуха на материале объекта измерения температуры, так что на температуру поверхности материала объекта измерения температуры оказывается лишь незначительное воздействие.
Например, в процессе охлаждения колеса, имеющего по существу круговое сечение, внешняя периферийная поверхность (боковая поверхность в периферическом направлении) колеса охлаждается водой, в то время как колесо вращается вокруг центра оси. В этом случае для проверки того, действительно ли охлаждение выполняется при соответствующих температурах, температура внешней периферийной поверхности колеса измеряется радиационным термометром. В частности, если промывочная вода или продувочный воздух используются для измерения температуры колеса, поскольку скорость вращения колеса низка, снижение температуры колеса, обусловленное промывочной водой или продувочным воздухом, становится очевидным и становится затруднительным реализовать желаемый процесс охлаждения. Кроме того, поскольку температура одной и той же боковой поверхности измеряется каждый раз за один оборот колеса, снижение температуры колеса, обусловленное промывочной водой или продувочным воздухом, создается много раз и, соответственно, становится более затруднительным реализовать желаемый процесс охлаждения. С устройством измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения, поскольку поверхность колеса не охлаждается промывочной водой или продувочным воздухом, температура поверхности колеса может быть измерена без нарушения репрезентативности измеренной температуры.
В этом варианте выполнения предпочтительно, чтобы радиационный термометр обнаруживал свет, имеющий любой диапазон длин волн из интервала длин волн от 0,7 до 0,9 мкм, от 1,0 до 1,2 мкм и от 1,6 до 1,8 мкм.
На Фиг. 5 приведен график, показывающий соотношение между длиной волны света теплового излучения и коэффициентом его пропускания относительно водопроводной воды с температурой 28°C, имеющей различные толщины. Из Фиг. 5 видно, что коэффициент пропускания становится выше, когда толщина воды оказывается большей. Здесь, в этом варианте выполнения, крайняя поверхность оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры является смежной с поверхностью материала объекта измерения температуры. Например, когда зазор между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры устанавливается как 3 мм или менее, коэффициент пропускания света теплового излучения, являющийся причиной ошибки измерения температуры, может быть выше, чем коэффициент пропускания, показанный, в случае, когда толщина воды составляет 3 мм.
С другой стороны, охлаждающая вода не всегда полностью загружается в область измерения радиационного термометра, поскольку состояние загрузки охлаждающей воды изменяется, когда измеряемое положение температуры поверхности перемещается, например. Таким образом, в случае когда обнаруживаемый свет теплового излучения не проходит через охлаждающую воду, коэффициент пропускания существенно колеблется.
Как показано на Фиг. 5, в случае использования радиационного термометра с обнаруживаемыми длинами волн от 0,7 до 0,9 мкм, когда толщина воды составляет 3 мм, коэффициент пропускания составляет приблизительно 1,0. В этом случае даже когда изменение состояния загрузки охлаждающей воды учтено, коэффициент пропускания колеблется незначительно и, соответственно, создаются незначительные ошибки измерения.
Кроме того, в случае использования радиационного термометра с обнаруживаемыми длинами волн от 1,0 до 1,2 мкм, когда толщина воды составляет 3 мм, коэффициент пропускания составляет 0,7 или выше. Соответственно, когда изменяется состояние загрузки охлаждающей воды, которая присутствует в пространстве между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры, коэффициент пропускания колеблется между 0,7 и 1,0. Когда предполагается, что значение 0,85, которое является промежуточным значением между ними, является средним коэффициентом пропускания, диапазон колебаний коэффициента пропускания составляет 0,15. Из этого значения эффект влияния пределов колебаний коэффициента пропускания на измеряемую температуру вычисляется как составляющий приблизительно ±9°C в области температуры 600°C и приблизительно ±5°C в области температуры 400°C. Соответственно, даже когда состояние загрузки охлаждающей воды изменяется, температура поверхности может быть измерена точно.
Кроме того, в случае использования радиационного термометра с обнаруживаемыми длинами волн от 1,6 до 1,8 мкм, когда толщина воды составляет 3 мм, коэффициент пропускания составляет 0,1 или выше. Соответственно, когда изменяется состояние загрузки охлаждающей воды, которая присутствует в пространстве между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры, коэффициент пропускания колеблется между 0,1 и 1,0. Когда предполагается, что значение 0,55, которое является промежуточным значением между ними, является средним коэффициентом пропускания, диапазон колебаний коэффициента пропускания составляет 0,45. Из этого значения эффект влияния пределов колебаний коэффициента пропускания на измеряемую температуру вычисляется как составляющий приблизительно ±24°C в области температуры 400°C и приблизительно ±12°C в области температуры 200°C. Соответственно, даже когда состояние загрузки охлаждающей воды изменяется, температура поверхности материала объекта измерения температуры может быть измерена точно.
В соответствии с вышеупомянутой предпочтительной конфигурацией радиационный термометр обнаруживает свет, имеющий интервал длин волн, в которой коэффициент пропускания света теплового излучения является высоким относительно воды, которая присутствует в пространстве между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры, и соответственно ошибки измерения могут быть снижены.
В этом варианте выполнения предпочтительно включается поддерживающий элемент, выполненный с возможностью поддержания по существу постоянным зазора между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры.
В соответствии с предпочтительной конфигурацией, поскольку зазор между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры поддерживается, оптическое стекло не входит в контакт с материалом объекта измерения температуры. Соответственно, повреждение оптического стекла вследствие его контакта с материала объекта измерения температуры может быть предотвращено. Кроме того, поскольку зазор поддерживается по существу постоянным, коэффициент пропускания не колеблется вследствие изменения толщины воды. Соответственно, температура поверхности материала объекта измерения температуры может быть измерена более точно.
Кроме того, увеличение размеров колеса или что-либо подобное создает неоднородности на поверхности колеса и, соответственно, поверхность колеса может войти в контакт с крайней поверхностью оптического стекла, что может повредить оптическое стекло. В соответствии с вышеупомянутой предпочтительной конфигурацией, поскольку поддерживается зазор между поверхностью колеса и крайней поверхностью оптического стекла на стороне колеса, то может быть предотвращен контакт поверхности колеса с крайней поверхностью оптического стекла и оказывается возможным предотвратить повреждение оптического стекла. Кроме того, как описано выше, поскольку зазор поддерживается по существу постоянным, температура поверхности колеса может быть измерена более точно. Следует отметить, что в качестве поддерживающего элемента, например, можно использовать механизм контактного ролика, включающий в себя ролик, который прикреплен к корпусу и прижат к поверхности материала объекта измерения температуры так, чтобы находиться постоянно в контакте с поверхностью материала объекта измерения температуры.
В случае когда поверхность материала объекта измерения температуры, на которой радиационный термометр обнаруживает свет теплового излучения, является плоскостью, которая является по существу вертикальной к горизонтальному направлению, предпочтительно, чтобы измеряемое значение температуры вычислялось посредством коррекции выходного значения радиационного термометра с использованием коэффициента пропускания света теплового излучения относительно толщины воды, соответствующей длине, которая является по существу половиной зазора между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры.
В соответствии с предпочтительной конфигурацией выходное значение радиационного термометра корректируется с использованием коэффициента пропускания света теплового излучения относительно толщины воды, соответствующей длине, которая является по существу половиной зазора между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры. Таким образом, выходное значение радиационного термометра корректируется посредством оценки, когда коэффициент пропускания света теплового излучения относительно толщины воды, соответствующей длине, которая является по существу половиной зазора между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры, среднего значения колебаний коэффициента пропускания вследствие изменения состояния загрузки воды, которая присутствует в пространстве между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры. Соответственно, температура поверхности материала объекта измерения температуры может быть измерена легко и точно.
В случае когда поверхность материала объекта измерения температуры, на которой радиационный термометр обнаруживает свет теплового излучения, является верхней поверхностью материала объекта измерения температуры, которая является по существу параллельной горизонтальному направлению, предпочтительно, чтобы зазор между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры составлял 2,5 мм или менее.
В соответствии с предпочтительной конфигурацией поверхность материала объекта измерения температуры, на которой радиационный термометр обнаруживает свет теплового излучения, является верхней поверхностью материала объекта измерения температуры, которая является по существу параллельной горизонтальному направлению, и зазор между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры составляет 2,5 мм или менее. Соответственно, создается поверхностное натяжение таким образом, что охлаждающая вода загружается по существу во все пространство между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры. Соответственно, коэффициент пропускания света теплового излучения не колеблется вследствие изменения состояния загрузки воды, коэффициент пропускания света теплового излучения в зависимости от толщины воды становится по существу постоянным, и температура поверхности материала объекта измерения температуры может быть измерена с высокой точностью.
В случае когда поверхность материала объекта измерения температуры, на которой радиационный термометр обнаруживает свет теплового излучения, является плоскостью, которая является по существу вертикальной по отношению к горизонтальному направлению, предпочтительно, чтобы блок приема света радиационного термометра принимал свет теплового излучения, испускаемый через воду, которая присутствует в пространстве между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры, и чтобы зазор между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры составлял 1,0 мм или менее.
В соответствии с предпочтительной конфигурацией поверхность материала объекта измерения температуры, на которой радиационный термометр обнаруживает свет теплового излучения, представляет собой плоскость, которая является по существу вертикальной к горизонтальному направлению, и охлаждающая вода, которая присутствует в пространстве между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры, находится под воздействием гравитации. В этом случае поскольку зазор между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры составляет 1,0 мм или менее, поверхностное натяжение создается таким образом, что охлаждающая вода загружается в пределах, соответствующих площади по существу на 60% или более от всей площади крайней поверхности оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры, площади, находящейся ниже крайней поверхности. Соответственно, блок приема света радиационного термометра принимает свет теплового излучения, испускаемый через воду, которая присутствует в пространстве между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры. Иначе говоря, блок приема света радиационного термометра принимает свет теплового излучения, который проходит через часть, где охлаждающая вода загружается. Соответственно, коэффициент пропускания света теплового излучения в зависимости от толщины воды становится по существу постоянным, и температура поверхности материала объекта измерения температуры может быть измерена с высокой точностью.
В этом варианте выполнения предпочтительно, чтобы было предусмотрено устройство подачи воды, выполненное с возможностью подачи воды в пространство между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры.
В соответствии с предпочтительной конфигурацией вода загружается в пространство между поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры. Соответственно, коэффициент пропускания света теплового излучения не колеблется вследствие изменения состояния загрузки воды, и температура поверхности материала объекта измерения температуры может быть измерена с высокой точностью.
Кроме того, в этом варианте выполнения способ измерения температуры поверхности материала объекта измерения температуры посредством обнаружения посредством радиационного термометра света теплового излучения, испускаемого от поверхности материала объекта измерения температуры в процессе его охлаждения водой, представляет собой способ измерения температуры поверхности материала объекта измерения температуры посредством введения оптического стекла, выполненного с возможностью пропускания света теплового излучения, между материалом объекта измерения температуры и блоком приема света радиационного термометра, так, чтобы препятствовать проникновению воды в пространство между оптическим стеклом и блоком приема света радиационного термометра, и посредством расположения крайней поверхности оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры как смежной с поверхностью материала объекта измерения температуры.
Кроме того, в случае когда материал объекта измерения температуры является стальным материалом, имеющим форму диска, форму столбика или цилиндрическую форму, имеющую внешнюю периферийную поверхность, такую как колесо, имеющее по существу круговое сечение, может быть измерена температура внешней периферийной поверхности материала объекта измерения температуры. Например, в процессе охлаждения колеса для проверки, действительно ли охлаждение выполняется при контроле за соответствующими температурами, температура внешней периферийной поверхности колеса измеряется радиационным термометром. Таким образом, температура внешней периферийной поверхности материала объекта измерения температуры измеряется посредством радиационного термометра, в то время как зазор между внешней периферийной поверхностью материала объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла на стороне материала объекта измерения температуры поддерживается по существу постоянным даже в состоянии, в котором материал объекта измерения температуры вращается вокруг центральной оси материала объекта измерения температуры как центра вращения и внешняя периферийная поверхность материала объекта измерения температуры охлаждается водой. Соответственно, температура внешней периферийной поверхности материала объекта измерения температуры может быть измерена точно.
<2. ВАРИАНТ ВЫПОЛНЕНИЯ УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ>
Ниже описывается устройство измерения температуры поверхности в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения в связи с приложенными чертежами, рассматривая в качестве примера случай, когда материал объекта измерения температуры является колесом, имеющим по существу круговое сечение. На Фиг. 1 приведен схематический чертеж, показывающий устройство 100 измерения температуры поверхности в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения. Схематический чертеж, показанный на Фиг. 1, представляет собой вид в плане устройства 100 измерения температуры поверхности с сечением внутренней части корпуса 2. На Фиг. 2 показан схематический вид спереди устройства 100 измерения температуры поверхности при рассмотрении от направления А на Фиг. 1, Фиг. 3 представляет собой схематический вид сбоку устройства 100 измерения температуры поверхности при рассмотрении от направления В на Фиг. 1. Как показано на Фиг. 1, устройство 100 измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения включает в себя радиационный термометр 1, корпус 2 и оптическое стекло 3 и располагается напротив материала W объекта измерения температуры.
Радиационный термометр 1 представляет собой термометр, который измеряет температуру, обнаруживая свет теплового излучения, принятый блоком 11 приема света радиационного термометра 1.
Корпус 2 имеет отверстие на стороне материала W объекта измерения температуры. Кроме того, корпус 2 содержит в себе по меньшей мере блок 11 приема света радиационного термометра 1 среди структурных элементов радиационного термометра 1.
Оптическое стекло 3 подогнано и уплотнено внутри корпуса 2 между материалом W объекта измерения температуры и блоком 11 приема света радиационного термометра 1 и пригодно для передачи света через него теплового излучения.
Радиационный термометр 1 включает в себя блок 11 приема света, оптические стекловолокна 12 и основную часть 13 радиационного термометра. Оптические стекловолокна 12 переносят свет теплового излучения, принятый блоком 11 приема света, к основной части 13 радиационного термометра. Следует отметить, что оптические стекловолокна 12 могут быть повреждены, когда используются сами по себе и, соответственно, каждый покрывается гибким шлангом из нержавеющей стали (не показано). Основная часть 13 радиационного термометра выполняет фотоэлектрическое преобразование света теплового излучения, который принимается блоком 11 приема света и передается оптическими стекловолокнами 12 для преобразования электрических сигналов в температуру.
В устройстве 100 измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения корпус 2 имеет отверстие на стороне материала W объекта измерения температуры и содержит блок 11 приема света радиационного термометра 1 внутри корпуса 2. Кроме того, оптическое стекло 3, располагаемое между материалом W объекта измерения температуры и блоком 11 приема света радиационного термометра 1, пропускает через себя свет теплового излучения. Таким образом, свет теплового излучения, испускаемый от материала W объекта измерения температуры, проходит через отверстие корпуса 2 и оптическое стекло 3 и принимается блоком 11 приема света радиационного термометра 1. Соответственно, радиационный термометр 1 может обнаруживать свет теплового излучения, испускаемый от поверхности материала W объекта измерения температуры.
В устройстве 100 измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения блок 11 приема света радиационного термометра 1 и части оптических стекловолокон 12 помещены в корпус 2. Для обеспечения термостойкости радиационного термометра 1 предпочтительно поместить только часть радиационного термометра 1 в корпус 2, как в этом варианте выполнения; однако настоящее изобретение не ограничено этим примером и радиационный термометр 1 целиком может быть помещен в корпус 2.
В этом варианте выполнения блок 11 приема света имеет круговую форму с диаметром 5 мм при рассмотрении от направления А на Фиг. 1. Блок 11 приема света располагается в положении, где область измерения температуры на поверхности материала W объекта измерения температуры составляет приблизительно 10 мм в диаметре.
В этом варианте выполнения корпус 2 имеет кольцевую форму в сечении, конкретно цилиндрическую форму, чтобы легко подогнать к нему и уплотнить оптическое стекло 3, имеющее по существу круговое сечение, как будет описана ниже. Однако настоящее изобретение не ограничивается этим примером и любая из различных форм может быть использована в качестве формы корпуса 2, например эллиптическая цилиндрическая форма или квадратная цилиндрическая форма, в зависимости от формы оптического стекла 3.
В этом варианте выполнения, чтобы сделать оптическое стекло 3 настолько компактным, насколько это возможно, эффективно обеспечивая область измерения температуры, оптическое стекло 3 делается по существу с круговым поперечным сечением. Конкретно, на Фиг. 1 и Фиг. 2 оптическое стекло 3 имеет форму столбика с диаметром от 10 мм до 20 мм и длину приблизительно 100 мм. Устанавливая длину оптического стекла 3 приблизительно до 100 мм, могут быть обеспечены свойства термостойкости и водонепроницаемости радиационного термометра 1 и желательно установить длину оптического стекла 3 как большую чем пять диаметров оптического стекла 3. Однако настоящее изобретение не ограничивается этим примером, и может быть использована любая из различных форм, например форма столбика эллиптического или квадратного сечения.
В этом варианте выполнения, поскольку крайняя поверхность оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры является смежной с поверхностью материала W объекта измерения температуры, водяной пар, распыленная вода и охлаждающая вода не должны входить в пространство между поверхностью материала W объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры. Кроме того, даже когда входит охлаждающая вода и т.п., охлаждающая вода, попадающая в пространство между поверхностью материала W объекта измерения температуры в процессе охлаждения водой, и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры, будет иметь такое поверхностное натяжение, чтобы поддерживаться устойчивой в этом пространстве. Соответственно, становится возможным уменьшить ошибки измерения температуры, обусловленные поглощением или рассеянием излучаемой энергии водяным паром или распыленной водой.
В этом варианте выполнения форма крайней поверхности оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры является плоской. Соответственно, даже когда форма поверхности (кривизну) материала W объекта измерения температуры изменяется, охлаждающая вода, попадающая в пространство между поверхностью материала W объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры, скорее всего будет иметь среднее поверхностное натяжение. Однако настоящее изобретение не ограничивается этим примером, и форма крайней поверхности оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры может быть формой в соответствии с формой поверхности материала W объекта измерения температуры.
Конкретно, форма крайней поверхности оптического стекла 3 на стороне заданного материала W с измеряемой температурой может быть формой, имеющей по существу постоянный зазор между поверхностью материала W объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры поперек крайней поверхности оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры. Более конкретно, крайняя поверхность оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры может иметь кривизну, так чтобы быть концентрической относительно поверхности материала W объекта измерения температуры. В частности, в случае когда колесо как материал W объекта измерения температуры имеет постоянный внешний диаметр (в случае когда материал W объекта измерения температуры имеет постоянную форму поверхности), формируя форму крайней поверхности оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры как форму, имеющую кривизну так, чтобы быть концентрической с поверхностью материала W объекта измерения температуры, имеющей постоянный внешний диаметр, предполагается, что охлаждающая вода, входящая в пространство между поверхностью материала W объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры, легче будет образовывать поверхностное натяжение.
Устройство 100 измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения дополнительно включает в себя элементы 61-64 уплотнения, приводной элемент оптического стекла (не показан) и стопор 81. Оптическое стекло 3 в соответствии с этим вариантом выполнения подгоняется и уплотняется внутри корпуса 2 с элементами 61-64 уплотнения. В этом варианте выполнения, как показано на Фиг. 1, элементы 61-64 уплотнения размещены между корпусом 2 и оптическим стеклом 3. Кроме того, в этом варианте выполнения из элементов 61-64 уплотнения элемент 61 уплотнения, который является ближайшим к материалу W объекта измерения температуры, предпочтительно представляет собой металлическое кольцо с большой термостойкостью, сформированное из мягкого металла, такого как свинец. Вместе с тем каждый из элементов 62-64 уплотнения предпочтительно представляют собой О-кольцо, сформированное из термостойкой резины, имеющего хорошие свойства водонепроницаемости, сформированное из полимера, такого как силикон, или из тефлона (зарегистрированный товарный знак). Соответственно, становится возможным обеспечить свойство термостойкости и водонепроницаемости радиационного термометра 1 и исключить повреждение оптического стекла 3 при динамических нагрузках.
Приводной элемент оптического стекла представляет собой пружину (не показана), предусмотренную внутри корпуса 2 и смещающую оптическое стекло 3 к поверхности материала W объекта измерения температуры. Кроме того, стопор 81 блокируется на краю оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры так, чтобы оптическое стекло 3 не было вытеснено из корпуса 2. Соответственно, оптическое стекло 3 жестко фиксируется между приводным элементом оптического стекла и стопором 81, и, соответственно, становится возможным предотвратить перемещение оптического стекла 3 при динамическом воздействии, чтобы не войти в контакт с корпусом 2 или не повредить радиационный термометр 1 и предотвратить повреждение радиационного термометра 1.
В этом варианте выполнения как предпочтительном варианте выполнения радиационный термометр 1 обнаруживает свет, имеющий любой диапазон длин волн из интервалов длин волн от 0,7 до 0,9 мкм, от 1,0 до 1,2 мкм, и от 1,6 до 1,8 мкм. Конкретно, основная часть 13 радиационного термометра включает в себя Si фотодиод или InGaAs фотодиод в качестве детектора, который выполняет фотоэлектрическое преобразование света теплового излучения, переданного оптическими стекловолокнами 12, и выводит ток в соответствии с количеством света. После усиления выходного тока от Si фотодиода или InGaAs фотодиода основная часть 13 радиационного термометра выполняет преобразование ток-напряжение и AD преобразование и корректирует излучательную способность материала W объекта измерения температуры, чтобы преобразовать электрические сигналы в температуру.
Кроме того, основная часть 13 радиационного термометра включает в себя оптический фильтр, который пропускает только свет, имеющий любой диапазон длин волн из интервалов длин волн от 0,7 до 0,9 мкм, от 1,0 до 1,2 мкм и от 1,6 до 1,8 мкм между поверхностью материала W объекта измерения температуры и детектором радиационного термометра 1, более конкретно, между краем оптических стекловолокон 12 на стороне основной части 13 радиационного термометра и Si фотодиодом или InGaAs фотодиодом. Таким образом, длина волны света теплового излучения, обнаруживаемого радиационным термометром 1, представляет собой любой из диапазонов длин волн от 0,7 до 0,9 мкм, от 1,0 до 1,2 мкм и от 1,6 до 1,8 мкм. Следует отметить, что в случае использования Si фотодиода в качестве детектора предусмотрен оптический фильтр, который пропускает только свет, имеющий любой из диапазонов длин волн от 0,7 до 0,9 мкм и от 1,0 до 1,2 мкм. Кроме того, в случае использования InGaAs фотодиода в качестве детектора, предусмотрен оптический фильтр, который пропускает только свет, имеющий интервал длин волн 1,6 до 1,8 мкм.
В соответствии с предпочтительной конфигурацией, как описано выше, радиационный термометр 1 обнаруживает свет, имеющий диапазоны длин волн, в которых коэффициент пропускания света теплового излучения является высоким относительно воды, которая присутствует в пространстве между поверхностью материала W объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры, и, соответственно, ошибки измерения могут быть снижены.
2
Оптическое стекло 3 в соответствии с этим вариантом выполнения представляет собой кварцевый стержень, который пропускает свет ближнего инфракрасного диапазона. Поскольку кварцевый стержень имеет высокий коэффициент пропускания света, имеющего длину волны 2 мкм или менее, ошибки измерения не должны создаваться поглощением или чем-либо подобным для света теплового излучения в кварцевом стержне. Однако настоящее изобретение не ограничивается этим примером, и оптическое стекло, которое пропускает свет ближнего инфракрасного диапазона, такое как сапфировое стекло или стекло фтористого кальция (CaF), также может быть использовано в качестве оптического стекла 3.
Как предпочтительный вариант выполнения устройство 100 измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения включает в себя поддерживающий элемент, который поддерживает по существу постоянным зазор между поверхностью материала W объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры. Конкретно, устройство 100 измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения включает в себя в качестве поддерживающего элемента механизм 4 контактного ролика. Как показано на Фиг. 1, механизм 4 контактного ролика включает в себя ролик 41, приводные элементы 42 и 44, приводную пружину 43 и воздушный цилиндр 45.
Поскольку приводной элемент 42 прикреплен к корпусу 2, когда воздушный цилиндр 45 приводит в движение приводной элемент 44 к стороне материала W объекта измерения температуры, приводной элемент 42 смещает корпус 2 к стороне материала W объекта измерения температуры через приводную пружину 43. Таким образом, ролик 41, предусмотренный на корпусе 2, прижимается к поверхности материала W объекта измерения температуры, так чтобы находиться постоянно в контакте с поверхностью материала W объекта измерения температуры. Таким образом, зазор между поверхностью материала W объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры задается в зависимости от положения, где ролик 41 прикреплен к корпусу 2, и от значения диаметра ролика 41, и зазор поддерживается по существу постоянным. Соответственно, становится возможным предотвратить повреждение оптического стекла 3 вследствие вхождения в контакт с материалом W объекта измерения температуры. Кроме того, поскольку коэффициент пропускания не колеблется вследствие изменения толщины воды, температура поверхности материала W объекта измерения температуры может быть измерена более точно. Следует отметить, что два ролика 41 предусмотрены на корпусе 2 в этом варианте выполнения; однако настоящее изобретение не ограничивается этим примером и могут быть предусмотрены три или более ролика.
Материал W объекта измерения температуры в соответствии с этим вариантом выполнения представляет собой колесо, имеющее по существу круговое сечение, как описано выше. Как показано на Фиг. 1 и Фиг. 3, устройство 100 измерения температуры поверхности выполнено с возможностью измерения температуры внешней периферийной поверхности колеса посредством вращательного движения ролика 41, следующего за вращением колеса.
Как показано в этом варианте выполнения, в случае когда поверхность материала W объекта измерения температуры, на которой радиационный термометр 1 обнаруживает свет теплового излучения, является плоскостью, которая является по существу вертикальной к горизонтальному направлению, как предпочтительный вариант выполнения устройство 100 измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения вычисляет измеренное значение температуры, корректируя выходное значение радиационного термометра 1 с использованием коэффициента пропускания света теплового излучения относительно толщины воды, соответствующей длине, которая является по существу половиной зазора между поверхностью материала W объекта измерения температуры оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения устройство 100 измерения температуры поверхности корректирует выходное значение радиационного термометра 1 с использованием коэффициента пропускания света теплового излучения относительно толщины воды, соответствующей длине, которая является по существу половиной зазора между поверхностью материала W объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры. В то же время коррекция радиационного термометра 1 выполняется, оценивая, если коэффициент пропускания света теплового излучения относительно толщины воды, соответствующей длине, которая является по существу половиной зазора между поверхностью материала W объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры, среднее значение колебаний коэффициента пропускания из-за изменения состояния загрузки воды, которая присутствует в пространстве между поверхностью материала W объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры.
На Фиг. 6 приведен график, показывающий результаты наблюдения состояния загрузки воды, которая присутствует между стальным листом и крайней поверхностью оптического стекла 3 в зазоре между верхней поверхностью (горизонтальная плоскость) стального листа, которая является по существу параллельной горизонтальному направлению или плоскости (вертикальная плоскость) стального листа, который является по существу вертикальным к горизонтальному направлению и крайней поверхности оптического стекла 3. Конкретно, оптическое стекло 3 имеет форму столбика с диаметром 10 мм или 20 мм. Как показано на Фиг. 7, вода, которая присутствует между стальным листом и крайней поверхностью оптического стекла 3, отображается камерой, когда зазор изменяется, и, как степень загрузки, измеряется диапазон отображаемого контура воды, занимающей область измерения блока 11 приема света радиационного термометра 1 на крайней поверхности оптического стекла 3. Что касается каждой горизонтальной плоскости и вертикальной плоскости, степени загрузки воды измеряются три раза в установке зазора, и на Фиг. 6 показаны средние значения измеренных степеней загрузки воды.
Как показано в этом варианте выполнения, в случае когда поверхность материала W объекта измерения температуры, на которой радиационный термометр 1 обнаруживает свет теплового излучения, является плоскостью, которая является по существу вертикальной к горизонтальному направлению как предпочтительный вариант выполнения, блок 11 приема света радиационного термометра 1 принимает свет теплового излучения, испускаемый через воду, которая присутствует в пространстве между поверхностью материала W объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры, и зазор между поверхностью материала W объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры устанавливается как 1,0 мм или менее.
Как показано на Фиг. 6, на вертикальной плоскости стального листа вода, которая присутствует между стальным листом и крайней поверхностью оптического стекла 3, находится под воздействием гравитации. Соответственно, в случае когда зазор составляет 1,0 мм или менее, поверхностное натяжение создается таким образом, что вода загружается в пределах, соответствующих площади по существу на 60% или более от всей площади крайней поверхности оптического стекла 3, площади, находящейся ниже крайней поверхности. Таким образом, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения поверхностное натяжение может быть создано таким образом, что охлаждающая вода загружается в пределах, соответствующих площади по существу на 60% или более от всей площади крайней поверхности оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры, площади, находящейся ниже крайней поверхности. Соответственно, когда блок 11 приема света радиационного термометра 1 принимает свет теплового излучения, пропущенный через часть, где охлаждающая вода загружается, коэффициент пропускания света теплового излучения в зависимости от толщины воды становится по существу постоянным и температура поверхности материала W объекта измерения температуры может быть измерена с высокой точностью.
На Фиг. 8 показан пример соотношения между степенью загрузки воды и ошибкой измерения температуры. В примере на Фиг. 8 температура объекта измерения температуры в 500°C измеряется радиационным термометром 1 с обнаруживаемыми длинами волн 1,0 до 1,2 мкм. Предполагается, что область измерения блока 11 приема света радиационного термометра 1 по существу равна внешнему диаметру оптического стекла 3 на крайней поверхности оптического стекла 3, как показано на Фиг. 7. В этом случае степень загрузки воды, которая присутствует между поверхностью объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне объекта измерения температуры относительно области измерения блока 11 приема света, изменяется так, что ошибки измерения температуры радиационным термометром вычисляются. Из Фиг. 8 видно, что ошибки измерения температуры уменьшаются с увеличением степени загрузки воды. Когда степень загрузки воды составляет 60% или выше, ошибки измерения температуры могут быть снижены до пределов в 3°C.
Следует отметить, что нет необходимости в том, чтобы область измерения блока 11 приема света радиационного термометра 1 по существу равнялась внешнему диаметру оптического стекла 3 на крайней поверхности оптического стекла 3. Например, как показано на Фиг. 9, область измерения блока 11 приема света радиационного термометра 1 может быть установлена как меньшая, чем внешний диаметр оптического стекла 3 на крайней поверхности оптического стекла 3. Соответственно, становится возможным установить область измерения блока 11 приема света радиационного термометра 1 как часть, где вода загружается, даже когда часть является малой относительно площади крайней поверхности оптического стекла 3, и как степень загрузки воды, когда ошибки измерения температуры находятся в заданных пределах.
С другой стороны, в отличие от этого варианта выполнения, в случае когда поверхность материала W объекта измерения температуры, на которой радиационный термометр 1 обнаруживает свет теплового излучения, является верхней поверхностью материала W объекта измерения температуры, которая является по существу параллельной горизонтальному направлению, предпочтительно, чтобы зазор между поверхностью материала W объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры составлял 2,5 мм или менее.
Как показано на Фиг. 6, на горизонтальной плоскости стального листа было обнаружено,  что в случае когда зазор составляет 2,5 мм или менее, поверхностное натяжение создается таким образом, что вода загружается по существу во всем пространстве между стальным листом и краем поверхности оптического стекла 3. Таким образом, в предпочтительной конфигурации охлаждающая вода может быть загружена в пространство между поверхностью материала W объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры. Соответственно, коэффициент пропускания света теплового излучения не колеблется вследствие изменения состояния загрузки воды, коэффициент пропускания света теплового излучения в зависимости от толщины воды (коэффициент пропускания, в случае когда толщина воды составляет зазор) становится по существу постоянным, и температура поверхности материала объекта измерения температуры может быть измерена с высокой точностью.
Устройство 100 измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения может включать в себя устройство 5 подачи воды. Как показано на Фиг. 3, устройство 5 подачи воды в соответствии с этим вариантом выполнения располагается вне корпуса 2 так, чтобы вода могла подаваться в пространство между материалом W объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры. Таким образом, подачей воды устройством 5 подачи воды вода загружается в пространство между материалом W объекта измерения температуры и крайней поверхностью оптического стекла 3 на стороне материала W объекта измерения температуры. Соответственно, коэффициент пропускания света теплового излучения не колеблется вследствие изменения состояния загрузки воды, и температура поверхности материала W объекта измерения температуры может быть измерена с высокой точностью.
Как предпочтительный вариант выполнения устройство 100 измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения дополнительно включает в себя механизм 7 промывки. На Фиг. 4 показана принципиальная схема механизма 7 промывки внутри корпуса 2. Как показано на Фиг. 1 и Фиг. 4, механизм 7 промывки в соответствии с этим вариантом выполнения составлен из воздушного сопла 71 и шланга 72. Воздушное сопло 71 располагается во внутренней части шланга 72. Кроме того, воздушное сопло 71 и шланг 72 вводятся во внутреннюю часть корпуса 2.
Воздушное сопло 71, вбрасывающее продувочный воздух во внутреннюю часть корпуса 2, может препятствовать попаданию воды во внутреннюю часть корпуса 2 и может сделать пространство на периферии блока 11 приема света радиационного термометра 1, сохраняемого внутри корпуса 2, имеющим чистую атмосферу. Соответственно, становится возможным предотвратить ошибки измерения, возможно создаваемые изменением области измерения, когда температура измеряется из-за конденсации на блоке 11 приема света. Шланг 72 также сообщается с внешней стороной корпуса 2. Поскольку сторона материала W объекта измерения температуры корпуса 2 подгоняется и уплотняется с оптическим стеклом 3, вбрасываемый из воздушного сопла 71 продувочный воздух выпускается наружу через шланг 72.
Следует отметить, что нет никакого конкретного ограничения на тип продувочного воздуха, если только продувочный воздух представляет собой бесцветный газ, который не экранирует свет теплового излучения, например сухой воздух или азот. Кроме того, нет никакого специфического ограничения на систему промывки, если только может быть поддержана чистая атмосфера.
На Фиг. 10 приведена принципиальная схема, показывающая экспериментальное устройство для оценки точности измерения температуры поверхности на вертикальной плоскости стального листа в процессе охлаждения водой. Конкретно, как показано на Фиг. 10, нагреватель 92 располагается в воздухонепроницаемом контейнере 90. Воздухонепроницаемый контейнер 90 имеет кварцевое окно 94 на плоскости измерения температуры. Устройство 100 измерения температуры поверхности в соответствии с этим вариантом выполнения располагается таким образом, что зазор между поверхностью кварцевого окна 94 и крайней поверхностью оптического стекла 3 составляет 1 мм. Кроме того, температура в воздухонепроницаемом контейнере 90 может быть точно измерена термопарой 96, расположенной в воздухонепроницаемом контейнере 90.
На Фиг. 11 приведен график, показывающий результаты измерения температуры, полученные устройством 100 измерения температуры поверхности до и после того, как вода распыляется на кварцевом окне 94 из водяного сопла 98, и нагреватель 92 экспериментального устройства, показанного на Фиг. 10, нагревается и температура в воздухонепроницаемом контейнере 90 увеличивается до заданной температуры. Как показано на Фиг. 11, прежде чем водяное охлаждение начинается, результаты измерения температуры демонстрируют температуры, которые являются по существу равными измеренным термопарой 96. После того как водяное охлаждение начинается, результаты измерения температуры демонстрируют снижение ошибки измерения температуры приблизительно на 4°C от температуры, измеренной термопарой 96. Поскольку вода загружается устойчиво в пространство между поверхностью кварцевого окна 94 и крайней поверхностью оптического стекла 3, на коэффициент пропускания света теплового излучения может влиять толщина воды, которая составляет 1 мм, и уменьшение приблизительно на 4°C может быть обусловлено измерением температуры. Таким образом, когда выходное значение радиационного термометра 1 корректируется с использованием коэффициента пропускания света теплового излучения относительно толщины воды и измеренное значение температуры вычисляется, температура может быть измерена с высокой точностью.
Следует отметить, что результаты измерения температуры, полученные устройством 100 измерения температуры поверхности, в значительной степени колеблются в течение охлаждения водой, поскольку образуются вариации состояния загрузки воды, которая присутствует между поверхностью кварцевого окна 94 и крайней поверхностью оптического стекла 3. Однако степень колебаний результатов измерения температуры составляет приблизительно 3°C. Даже когда эта степень колебаний учтена, результаты измерения температуры могут быть получены со снижением ошибки измерения температуры приблизительно от 3 до 6°C относительно температуры, измеренной термопарой 96, что может считаться точным измерением температуры. Кроме того, когда измеренное значение температуры вычисляется, получая среднее значение этой степени колебаний, температура может быть измерена с высокой точностью.
Настоящее изобретение не ограничено конфигурациями в соответствии с вышеописанным вариантом выполнения, и различные модификации возможны, не отступая от объема притязаний настоящего изобретения. Например, хотя вышеупомянутый вариант выполнения показан в случае, когда материал W объекта измерения температуры является колесом, материал W объекта измерения температуры может быть стальной трубой, стальным листом или чем-либо подобным без ограничения.
Кроме того, в вышеописанном варианте выполнения, хотя оптическое стекло 3 подгоняется и уплотняется внутри корпуса 2, настоящее изобретение не ограничивается этим примером. Например, как пример модификации оптического стекла 3 в соответствии с этим вариантом выполнения, оптическое стекло 3 может быть введено между материалом W объекта измерения температуры и блоком приема света радиационного термометра 1, так, чтобы препятствовать попаданию воды в пространство между оптическим стеклом 3 и блоком 11 приема света радиационного термометра 1, Конкретно, например, оптическое стекло 3 может быть длинным оптическим стеклом, проходящим в направлении, вертикальном к горизонтальной плоскости (направление, вертикальное к свету теплового излучения, испускаемому от материала W объекта измерения температуры к блоку 11 приема света радиационного термометра 1). Соответственно, даже с конфигурацией, в которой блок 11 приема света размещен внутри корпуса 2 и оптическое стекло 3 не подгоняется и не уплотняется внутри корпуса 2, вода не должна попадать в пространство между оптическим стеклом 3 и блоком 11 приема света радиационного термометра 1.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 радиационный термометр
2 корпус
3 оптическое стекло
4 механизм контактного ролика
5 устройство подачи воды
7 механизм промывки
11 блок приема света
12 оптическое стекловолокно
13 основная часть радиационного термометра
41 ролик
42, 44 приводной элемент
43 приводная пружина
45 воздушный цилиндр
61 64 уплотняющий элемент
71 воздушное сопло
72 шланг
W материал объекта измерения температуры