用于激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的耐高溫浸入式探頭的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的耐高溫浸入式探頭，包括：耐高溫管(6)、耐高溫管套(7)、耐高溫管隔熱墊片(8)、外部隔熱層(9)、中間保護管(11)、束口片、鏡筒、后端箱體(20)、溫度傳感器(14)、氣壓傳感器(16)、進氣口(23)、出氣口(12)和絲杠傳動系統(tǒng)(21)；本實用新型具備高溫環(huán)境下多層控溫腔體溫度自動精確控制功能，能保證探頭內(nèi)光學元件的參數(shù)穩(wěn)定。本實用新型采用激光測距、激光誘導擊穿光譜信號和精密絲杠組成的粗——精結(jié)合二級伺服控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了測量要求的快速準確定位，減少激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)工作時長，減輕激光器和信號處理單元負擔。
【專利說明】
用于激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的耐高溫浸入式探頭
技術領域
[0001]本實用新型涉及熔融金屬在線成分分析領域，具體為用于激光誘導擊穿光譜測成分系統(tǒng)的具備自動控溫、自動定位功能的耐高溫浸入式探頭。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)有技術例如中國專利CN101183074A描述了一套鋼液成分檢測與分析裝置，其中耐高溫浸入式探頭采用電極接觸鋼水通電來自動定位，采用空冷對探頭光學元件進行冷卻，信號箱體通過恒溫裝置進行恒溫，采用機械臂升降定位，探頭外殼為耐高溫金屬圓筒，外部涂有高反射耐高溫材料。該發(fā)明指出優(yōu)點為非消耗性，而實際上電極接觸鋼水后會因殘留鋼水或鋼渣通電短路，自動定位功能除第一次外無法反復進行，也未提及除殘留鋼水或鋼渣的方式。該發(fā)明對探頭光學元件帶有冷卻，但在該處未布置溫度傳感器，無法控制光學元件的環(huán)境溫度，無法保持光學元件的工作特性穩(wěn)定。
[0003]中國專利CN201266163Y同樣描述了一套基于激光火花光譜法的鋼水質(zhì)量在線檢測儀，其中耐高溫探頭前端采用氧化鋁陶瓷，冷卻系統(tǒng)采用水冷+氣冷的方式，冷卻氣體采用氬氣，采用滑輪組升降，探頭由高處浸入到最低處采集信號判斷最佳信號處再回歸最佳信號處進行信號采集，信號處理箱體采取恒溫裝置恒溫，前端探頭只有冷卻，并未提及對光學元件采取恒溫措施。該發(fā)明帶有水冷管路，存在水泄露污染鋼液及鋼液飛濺的風險，同時探頭升降系統(tǒng)不存在自動測距系統(tǒng)，直接通過信號處理單元來判斷是否進入最佳信號位置，無法自動獲知浸入鋼液深度，無法構成安全聯(lián)鎖機構防止探頭工作異常，也造成激光誘導擊穿光譜測成分系統(tǒng)長時間工作，激光器和信號處理單元會有較大負擔。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]本實用新型克服現(xiàn)有技術缺少針對大氣下冶金爐為激光誘導擊穿光譜裝置配套設計的耐高溫探頭的問題，實現(xiàn)探頭內(nèi)部多層腔體自動控溫及快速位移和精確定位結(jié)合的粗細二級自動定位功能。
[0005]本實用新型采用的技術方案為:一種用于激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的耐高溫浸入式探頭，包括:耐高溫管、耐高溫管套、耐高溫管隔熱墊片、外部隔熱層、中間保護管、束口片、鏡筒、后端箱體、溫度傳感器、氣壓傳感器、進氣口、出氣口和絲杠傳動系統(tǒng);其中，
[0006]耐高溫管負責穿過爐渣層浸入高溫熔體，并使高溫熔體進入耐高溫管內(nèi)達一定高度;耐高溫管套用于夾持耐高溫管，其上部布置耐高溫管隔熱墊片用于阻隔耐高溫管向中間保護管傳導傳熱;外部隔熱層負責減少并減緩外部高溫熔體表面對中間保護管的輻射傳熱，外部隔熱層與耐高溫管隔熱墊片組合將中間保護管整體與高溫熔體隔離；中間保護管用于支承整個探頭結(jié)構，并開有冷卻氣體出氣口 ；雙束口片的內(nèi)孔束口用于減少耐高溫管內(nèi)部熔體表面對鏡筒的輻射傳熱，不同內(nèi)徑的兩層束口片將中間保護管內(nèi)腔分為三層氣壓一一溫度的控溫腔室，各層腔體配有若干出氣口及出氣口電子閥，出氣口電子閥可控制出氣口大小以調(diào)整各腔體氣壓和出氣流量;鏡筒負責裝夾激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的鏡片，設計有微調(diào)裝置用于裝配鏡片時微調(diào)，其中入射激光的激光入口和信號激光的出口可根據(jù)需要互換；后端箱體用于裝載傳感器電纜、激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)信號傳導部件和冷卻氣體接入管道等管路線路，以及用于控制前端探頭的控制板;傳感器安裝座用于安裝溫度傳感器及氣壓傳感器，溫度傳感器及氣壓傳感器分別用于檢測探頭鏡筒處溫度、氣壓狀態(tài);激光測距儀負責測量探頭距離高溫熔體表面的距離，使探頭能迅速進入激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的工作范圍，在此期間可關閉激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)，以減少激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)信號處理單元要處理的數(shù)據(jù)量，并可依據(jù)測量距離推斷探頭是否處于危險深度以確保探頭工作安全;絲杠傳動系統(tǒng)包括絲杠和伺服電機，負責進入信號激發(fā)范圍前的大范圍快速下降及激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)尋找最佳信號時的位置微調(diào)。
[0007]其中，冷卻氣體為低溫氬氣，保護熔體成分不受空氣氧化影響，并帶走高溫熔體表面產(chǎn)生的煙氣，同時氬氣較其它冷卻氣體對光學信號吸收率更低，提高了光學信號強度，整個管體結(jié)構構成冷卻氣體回路，冷卻氣體由供氣裝置通過管道經(jīng)箱體再經(jīng)過安裝于傳感器安裝座的進氣口進入，由安裝于中間保護管的出氣口流出；供氣裝置具有氣壓閥、質(zhì)量流量控制閥，可監(jiān)測并根據(jù)流量一一溫度閉環(huán)自動控制模型控制冷卻氣體壓力和流量。
[0008]本實用新型的優(yōu)點和積極效果為:
[0009](I)、本實用新型具備高溫環(huán)境下多層控溫腔體溫度自動精確控制功能，能保證探頭內(nèi)光學元件的參數(shù)穩(wěn)定。
[0010](2)、本實用新型采用激光測距、激光誘導擊穿光譜信號和精密絲杠組成的粗一一精結(jié)合二級伺服控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了測量要求的快速準確定位，減少激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)工作時長，減輕激光器和信號處理單元負擔。
[0011](3)、本實用新型前端結(jié)構簡單可靠，采用氣體冷卻和隔熱層便達到控溫目的，避免液體冷卻存在的液體泄露問題，也縮小了耐高溫浸入式探頭尺寸，便于冶金工業(yè)現(xiàn)場使用和維護。
【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型公開的用于激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的耐高溫浸入式探頭工作原理圖。其中帶折角尖的虛線為所保護的激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)理論光路，折角尖代表光路前進方向；箭頭簇為冷卻氣流走向，箭頭方向為前方;帶折角尖的實線為激光測距儀光路，折角尖代表光路前進方向。
[0013]圖2為本實用新型公開的用于激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的耐高溫浸入式探頭與冷卻系統(tǒng)供氣裝置和激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)配合使用的工作原理圖。
[0014]圖3為本實用新型公開的用于激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的耐高溫浸入式探頭可能的一種結(jié)構不意圖。
[0015]圖1和圖2共享編號，其中:1、中頻爐爐體，2、高溫熔體，3、爐渣層，4、激光測距目標位置，5、入射激光聚焦點，6、耐高溫管，7、耐高溫管套，8、耐高溫管隔熱墊片，9、外部隔熱層，10、下束口片，11、中間保護管，12、出氣口，13、上束口片，14、溫度傳感器，15、聚焦透鏡，16、氣壓傳感器，17、二向色鏡，18、豎鏡筒，19、鏡筒安裝座，20、后端箱體，21、絲杠傳動系統(tǒng)，22、激光測距儀，23、進氣口，24、激光入口，25、傳感器安裝座，26、橫鏡筒，27、采集透鏡，28、光纖連接座，29、出氣口電子閥，30、探頭支架，31、冷卻氣體供應源，32、氣壓閥，33、質(zhì)量流量控制器，34、激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)集成箱體，35、入射激光導光臂，36、信號光出射光纖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖以及【具體實施方式】進一步說明本實用新型。
[0017]本實用新型提供用于激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的耐高溫浸入式探頭，其原理圖如圖1和圖2所示。耐高溫管6負責穿過爐渣層3浸入高溫熔體2;耐高溫管套7用于夾持耐高溫管6;隔熱片8用于阻隔耐高溫管6向中間保護管11傳導傳熱;外部隔熱層9負責阻隔外部熔體2表面對保護管11的輻射傳熱;保護管11用于支承整個探頭結(jié)構，并開有若干個冷卻氣體出氣口 12;下束口片10和上束口片13用于減少高溫熔體2表面對豎鏡筒18的輻射傳熱;豎鏡筒18負責裝夾激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的二向色鏡17和聚焦透鏡15;后端箱體20用于裝載激光測距儀22及冷卻氣體輸入光路，并與絲杠傳動系統(tǒng)21相連;傳感器安裝座25用于提供傳感器固定位置，并有冷卻氣體進氣口 23和預留的激光入口 24。冷卻氣體由冷卻氣體供應源31發(fā)生，經(jīng)氣壓閥32和質(zhì)量流量控制器33調(diào)節(jié)氣壓和流量后，由管道接入探頭。整個管體結(jié)構構成冷卻氣體回路，由冷卻氣體進氣口 23流入，冷卻氣體出氣口 12流出，降低整個浸入式探頭溫度，尤其是豎鏡筒18處的溫度。冷卻氣體為低溫氬氣，保護熔體2成分不受空氣氧化影響，并帶走高溫熔體2表面產(chǎn)生的煙氣，保護豎鏡筒18和橫鏡筒26內(nèi)的光學元件一一二向色鏡17、聚焦透鏡15和采集透鏡27;激光測距儀22負責測量激光測距儀22本身距離高溫熔體2或者爐渣層3表面的距離;絲杠傳動系統(tǒng)21負責探頭整體的升降。激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)集成箱體34負責信號光的激發(fā)和采集，其中激發(fā)用的入射激光由入射激光導光臂35接入到探頭預留的激光入口 24，出射信號光由探頭光纖座28經(jīng)信號光出射光纖36引入到集成箱體34。
[0018]本實用新型工作方式:根據(jù)需要將探頭支架30推到測量位置。首先打開冷卻氣體供應源31，并打開進氣閥32、質(zhì)量流量控制器33和出氣口電子閥29，通入冷卻氣體，排空所有空氣。由于中頻爐中爐渣層3為3?5cm的硬質(zhì)殼體，因此利用破渣工具在爐渣層3上打開一個比耐高溫管6稍大的開口，保證激光測距儀22激光能到達熔體表面即激光測距目標位置4。采集激光測距儀22數(shù)據(jù)，控制絲杠傳動系統(tǒng)21快速降低探頭高度，將探頭前端耐高溫管6穿過爐渣層3，浸沒高溫熔體2并使高溫熔體2進入耐高溫管6內(nèi)腔。此時調(diào)節(jié)冷卻氣體使內(nèi)腔保持至少一定氣壓，控制絲杠傳動系統(tǒng)21緩慢進入激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)工作范圍。進入工作范圍后，根據(jù)溫度傳感器14及氣壓傳感器16反饋，依照預先制定的流量一一溫度控制曲線控制冷卻氣體進氣氣壓閥32和質(zhì)量流量控制器33，調(diào)整輸入的冷卻氣體流量和壓力，控制出氣口電子閥29調(diào)整腔體內(nèi)的氣壓，保證溫度傳感器14處的溫度穩(wěn)定。根據(jù)激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)34反饋的光學信號強度，獲得工作范圍內(nèi)最佳光學信號強度位置?？刂平z杠傳動系統(tǒng)21使探頭微調(diào)至最佳光學信號強度處即入射激光聚焦點5，獲取所需光學信號。最后保持冷卻氣體供應，控制絲杠傳動系統(tǒng)21快速升起探頭離開高溫熔體2，將探頭整體靜置于室溫環(huán)境中自然冷卻或者風冷即可。
[0019]本實用新型不包含激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)信號發(fā)生及信號采集系統(tǒng)及箱體的設計。本實用新型不包含流量一一溫度控制模型的制作過程，眾所周知流量一一溫度控制模型可根據(jù)計算機仿真模擬結(jié)果或者現(xiàn)場多次調(diào)試穩(wěn)定的傳感器數(shù)據(jù)來完成。
【主權項】
1.一種用于激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的耐高溫浸入式探頭，其特征在于:包括耐高溫管(6)、耐高溫管套(7)、耐高溫管隔熱墊片(8)、外部隔熱層(9)、中間保護管(11)、束口片、鏡筒、后端箱體(20)、溫度傳感器(14)、氣壓傳感器(16)、進氣口(23)、出氣口(12)和絲杠傳動系統(tǒng)(21);其中， 耐高溫管(6)負責穿過爐渣層(3)浸入高溫熔體(2)，并使高溫熔體(2)進入耐高溫管(6)內(nèi)達一定高度;耐高溫管套(7)用于夾持耐高溫管(6)，其上部布置耐高溫管隔熱墊片(8)用于阻隔耐高溫管(6)向中間保護管(11)傳導傳熱；外部隔熱層(9)負責減少并減緩外部高溫熔體表面對中間保護管(11)的輻射傳熱，外部隔熱層(9)與耐高溫管隔熱墊片(8)組合將中間保護管(11)整體與高溫熔體隔離；中間保護管(11)用于支承整個探頭結(jié)構，并開有冷卻氣體出氣口( 12);雙束口片的內(nèi)孔束口用于減少耐高溫管內(nèi)部熔體表面對鏡筒的輻射傳熱，不同內(nèi)徑的兩層束口片將中間保護管內(nèi)腔分為三層氣壓一一溫度的控溫腔室，各層腔體配有若干出氣口(12)及出氣口電子閥(29)，出氣口電子閥(29)可控制出氣口(12)大小以調(diào)整各腔體氣壓和出氣流量;鏡筒負責裝夾激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的鏡片，設計有微調(diào)裝置用于裝配鏡片時微調(diào)，其中入射激光的激光入口(24)和信號激光的出口可根據(jù)需要互換；后端箱體(20)用于裝載傳感器電纜、激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)信號傳導部件和冷卻氣體接入管道等管路線路，以及用于控制前端探頭的控制板;傳感器安裝座(25)用于安裝溫度傳感器(14)及氣壓傳感器(16)，溫度傳感器(14)及氣壓傳感器(16)用于檢測探頭鏡筒處溫度、氣壓狀態(tài);激光測距儀(22)負責測量探頭距離高溫熔體(2)表面的距離，使探頭能迅速進入激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的工作范圍，在此期間不必開啟激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)，以減少激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)信號處理單元要處理的數(shù)據(jù)量，并可依據(jù)測量距離推斷探頭是否處于危險深度以確保探頭工作安全;絲杠傳動系統(tǒng)(21)包括絲杠和伺服電機，負責進入信號激發(fā)范圍前的大范圍快速下降及激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)尋找最佳信號時的位置微調(diào)。2.根據(jù)權利要求1所述的一種用于激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的耐高溫浸入式探頭，其特征在于:冷卻氣體為低溫氬氣，保護熔體成分不受空氣氧化影響，并帶走高溫熔體(2)表面產(chǎn)生的煙氣，同時氬氣較其它冷卻氣體對光學信號吸收率更低，提高了光學信號強度，整個管體結(jié)構構成冷卻氣體回路，冷卻氣體由供氣裝置通過管道經(jīng)箱體再經(jīng)過安裝于傳感器安裝座的進氣口(23)進入，由安裝于中間保護管的出氣口(12)流出；供氣裝置具有氣壓閥(32)、質(zhì)量流量控制閥(33)，可監(jiān)測并根據(jù)流量一一溫度閉環(huán)自動控制模型控制冷卻氣體壓力和流量。
【文檔編號】G01N21/71GK205643167SQ201620423812
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】李永新, 戴海波, 儲從州, 潮斌, 王秋平, 潘從元
【申請人】中國科學技術大學