權(quán)利要求

1.加熱爐便攜式黑匣子全爐況同步測溫陣列，其特征在于：包括若干個黑匣子裝置(1)，在加熱爐的預(yù)熱段、加熱段和均熱段各選取若干根坯料(2)作為測溫坯料，每根所述測溫坯料上設(shè)置有至少一個黑匣子裝置(1)，所述黑匣子裝置(1)通過耐高溫接插件與熱電偶簇(5)相連，所述熱電偶簇(5)包括至少一個用于測量坯料(2)周圍爐溫的爐氣熱電偶(3)，所有黑匣子裝置(1)的數(shù)據(jù)通過天線(4)與設(shè)置于加熱爐外部的爐外信號接收同步處理單元、Level1系統(tǒng)或Level2系統(tǒng)無線連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱爐便攜式黑匣子全爐況同步測溫陣列，其特征在于：所述黑匣子裝置(1)包括溫度采集模塊(8)，所述溫度采集模塊(8)通過耐高溫接插件與熱電偶簇(5)相連，所述溫度采集模塊(8)采集熱電偶簇(5)所在位置的溫度并形成實測溫度信號，所述溫度采集模塊(8)發(fā)送實測溫度信號至信號處理模塊(9)； 信號處理模塊(9)，所述信號處理模塊(9)接收實測溫度信號，所述信號處理模塊(9)對實測溫度信號進行AD轉(zhuǎn)換、信號濾波和誤差補償后形成有效溫度信號，所述信號處理模塊(9)發(fā)送有效溫度信號至數(shù)據(jù)存儲模塊(10)； 數(shù)據(jù)存儲模塊(10)，所述數(shù)據(jù)存儲模塊(10)包括數(shù)據(jù)存儲卡，所述數(shù)據(jù)存儲模塊(10)接收有效溫度信號，所述數(shù)據(jù)存儲模塊(10)將有效溫度信號存儲至數(shù)據(jù)存儲卡中。 3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加熱爐便攜式黑匣子全爐況同步測溫陣列，其特征在于：所述信號濾波方式包括兩種濾波方式，第一種濾波方式包括如下步驟： 在信號處理模塊內(nèi)設(shè)置帶通濾波器或帶阻濾波器； 設(shè)定采樣周期和采樣頻率； 第二種濾波方式為對已經(jīng)AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號進行平滑濾波，包括如下步驟： 設(shè)定周期平滑次數(shù)； 對周期內(nèi)的信號進行平均值濾波； 設(shè)定采樣周期為t f，當(dāng)前實測AD值為V i，平滑周期為t m，其中t m≥t f且t m是t f的整數(shù)倍，設(shè)定倍數(shù)為n，平滑周期內(nèi)的有效實測值 為： 滿足  其中，ζ為縮放倍數(shù)， 通過標(biāo)定，將AD值V i轉(zhuǎn)換為溫度值T i。 4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加熱爐便攜式黑匣子全爐況同步測溫陣列，其特征在于：所述誤差補償包括： 設(shè)定當(dāng)前爐壓波動引起的工況誤差為T p，點火時間引起的工況誤差為T t，氧化鐵皮引起的工況誤差為T o，振動引起的工況誤差為T v，位置偏差引起的工況誤差為T w，補償后的實際溫度值 為  5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加熱爐便攜式黑匣子全爐況同步測溫陣列，其特征在于：所述黑匣子裝置(1)固定于坯料(2)外表面，所述溫度采集模塊(8)、信號處理模塊(9)和數(shù)據(jù)存儲模塊(10)設(shè)置于密封腔體(11)中，所述密封腔體(11)外側(cè)依次設(shè)置有冷卻水層(12)、耐高溫隔熱板(13)、耐高溫隔熱棉(14)、不銹鋼箱體(15)和耐高溫纖維板(16)，所述數(shù)據(jù)存儲模塊(10)與耐高溫纖維板(16)外側(cè)通過蒸汽通道(17)連通，所述蒸汽通道(17)內(nèi)設(shè)置有蒸汽嘴(6)，所述蒸汽嘴(6)的內(nèi)部設(shè)置有天線(4)，所述天線(4)與數(shù)據(jù)存儲模塊(10)相連。 6.根據(jù)權(quán)利要求2所述加熱爐便攜式黑匣子全爐況同步測溫陣列，其特征在于：所述熱電偶簇(5)還包括若干個坯料熱電偶(7)，若干個所述坯料熱電偶(7)分別嵌入至坯料(2)內(nèi)部不同深度，所述爐氣熱電偶(3)設(shè)置于坯料上方。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及冶金裝備自動化領(lǐng)域，尤其涉及一種加熱爐便攜式黑匣子全爐況同步測溫陣列。

背景技術(shù)

溫度控制是加熱爐的核心技術(shù)，保證出爐坯溫精度是滿足下游穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵。對于整個燒鋼過程來說，受制于來料冷坯或熱坯的初始溫度的影響，尤其是混裝條件下，爐內(nèi)氣氛對坯溫的影響是非常顯著的，這種不穩(wěn)定的燒鋼節(jié)奏或工況條件，導(dǎo)致爐內(nèi)溫度始終處于熱不平衡的波動狀態(tài)，這在很大程度上影響坯溫的加熱過程，容易導(dǎo)致坯料溫差大、燒損嚴(yán)重以及欠燒、過燒或過熱等問題，最終影響坯料的出爐溫度精度和溫度均勻性。因此，準(zhǔn)確檢測坯料在爐內(nèi)的整個溫度變化趨勢，對于提升坯溫/爐溫全爐況設(shè)定精度及其最終控制效果至關(guān)重要，有助于穩(wěn)定爐內(nèi)氣氛和提升燒鋼效率，在一定程度上能夠減少過度氧化、粗軋邊裂、精軋變形抗力過大等事故或故障。

現(xiàn)有的坯溫測量方法，主要有爐內(nèi)熱成像儀、溫度模型預(yù)報軟測量和黑匣子熱電偶多點測溫這幾種常見方式。其中熱成像儀在高溫下影響因素過多，導(dǎo)致測量精度不高，也無法反映坯料的溫度分布特征，通常作為輔助性條件監(jiān)控爐溫；溫度模型預(yù)報軟測量盡管可以從物理機制上模擬坯溫、爐溫的復(fù)雜變化過程，起到軟測量的作用，并且能夠獲得任意位置、任意時刻的坯溫和爐溫，但是在很大程度上依賴邊界條件，動態(tài)燒鋼節(jié)奏和復(fù)雜爐況條件都會嚴(yán)重影響溫度模型的預(yù)報精度，在很大程度上依賴黑匣子的測溫數(shù)據(jù)。黑匣子熱電偶測溫是最常見的高精度測量方式，通過在某塊板坯上插入多點熱電偶，進行整個燒鋼過程中爐氣溫度、坯料溫度的測量，這是目前最精確的測溫方式，能夠完整反映加熱爐某塊鋼坯的升溫過程。

這種黑匣子測溫方式普遍存在的問題如下：熱電偶過度集中，設(shè)備較為龐大，不對稱特征明顯，測溫后離線分析數(shù)據(jù)，無法實現(xiàn)與爐況在線參數(shù)的絕對匹配，另外單根測試不易測試全爐況的同步波動狀況，無法分析相鄰坯料或加熱爐不同區(qū)間的耦合機制。這在一定程度上，會帶來爐內(nèi)的溫度分布誤差和測量誤差，因此有必要對整個加熱爐進行全爐況的測溫和分析，便于結(jié)合坯溫、爐溫耦合溫度場模型，進行高精在線預(yù)報和精細(xì)控制，從而有助于實現(xiàn)智慧加熱爐的智控過程。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種加熱爐便攜式黑匣子全爐況同步測溫陣列，設(shè)計便攜式的短距離黑匣子測溫裝置，以多種方式實現(xiàn)加熱爐溫度場的局部高精度測量，在線實時處理數(shù)據(jù)并與其他黑匣子實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)共享，解決了現(xiàn)有加熱爐坯溫檢測技術(shù)無法測試全爐況的同步波動狀況的問題。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種加熱爐便攜式黑匣子全爐況同步測溫陣列，包括若干個黑匣子裝置，在加熱爐的預(yù)熱段、加熱段和均熱段各選取若干根坯料作為測溫坯料，每根所述測溫坯料上設(shè)置有一個黑匣子裝置，所述黑匣子裝置通過耐高溫接插件與熱電偶簇相連，所述熱電偶簇包括一個用于測量坯料周圍爐溫的爐氣熱電偶，所有黑匣子裝置的數(shù)據(jù)通過天線與設(shè)置于加熱爐外部的爐外信號接收同步處理單元、Level1系統(tǒng)和Level2系統(tǒng)無線連接。

進一步地，所述黑匣子裝置包括溫度采集模塊，所述溫度采集模塊通過耐高溫接插件與熱電偶簇相連，所述溫度采集模塊采集熱電偶簇所在位置的溫度并形成實測溫度信號，所述溫度采集模塊發(fā)送實測溫度信號至信號處理模塊；

信號處理模塊，所述信號處理模塊接收實測溫度信號，所述信號處理模塊對實測溫度信號進行AD轉(zhuǎn)換、信號濾波和誤差補償后形成有效溫度信號，所述信號處理模塊發(fā)送有效溫度信號至數(shù)據(jù)存儲模塊；

數(shù)據(jù)存儲模塊，所述數(shù)據(jù)存儲模塊包括數(shù)據(jù)存儲卡，所述數(shù)據(jù)存儲模塊接收有效溫度信號，所述數(shù)據(jù)存儲模塊將有效溫度信號存儲至數(shù)據(jù)存儲卡中。

進一步地，所述信號濾波方式包括兩種濾波方式，第一種濾波方式包括如下步驟：

在信號處理模塊內(nèi)設(shè)置帶通濾波器或帶阻濾波器；

設(shè)定采樣周期和采樣頻率；

第二種濾波方式為對已經(jīng)AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號進行平滑濾波，包括如下步驟：

設(shè)定周期平滑次數(shù)；

對周期內(nèi)的信號進行平均值濾波；

設(shè)定采樣周期為t f，當(dāng)前實測AD值為V i，平滑周期為t m，其中t m≥t f且t m是t f的整數(shù)倍，設(shè)定倍數(shù)為n，平滑周期內(nèi)的有效實測值 為：

滿足 

其中，ζ為縮放倍數(shù)，

通過標(biāo)定，將AD值V i轉(zhuǎn)換為溫度值T i。

進一步地，所述誤差補償包括：

設(shè)定當(dāng)前爐壓波動引起的工況誤差為T p，點火時間引起的工況誤差為T t，氧化鐵皮引起的工況誤差為T o，振動引起的工況誤差為T v，位置偏差引起的工況誤差為T w，補償后的實際溫度值 為

進一步地，所述黑匣子裝置固定于胚料外表面，所述溫度采集模塊、信號處理模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)置于密封腔體中，所述密封腔體外側(cè)依次設(shè)置有冷卻水層、耐高溫隔熱板耐高溫隔熱棉、不銹鋼箱體和耐高溫纖維板，所述數(shù)據(jù)存儲模塊與耐高溫纖維板外側(cè)通過蒸汽通道連通，所述蒸汽通道內(nèi)設(shè)置有蒸汽嘴，所述蒸汽嘴的內(nèi)部設(shè)置有天線，所述天線與數(shù)據(jù)存儲模塊相連。

進一步地，所述熱電偶簇包括一個爐氣熱電偶和若干個坯料熱電偶，若干個所述坯料熱電偶分別嵌入至坯料內(nèi)部不同深度，所述爐氣熱電偶設(shè)置于坯料上方。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明設(shè)計便攜式的微型黑匣子測溫裝置，進行加熱爐各區(qū)的多點布局，同步測控全爐況的溫度場演變規(guī)律和爐內(nèi)氣氛分布特征，以多種方式實現(xiàn)加熱爐溫度場的局部高精度測量，在線實時處理數(shù)據(jù)并與其他黑匣子實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)共享；

本發(fā)明設(shè)計的黑匣子裝置，能夠獨立進行數(shù)據(jù)處理和工況誤差補償，同時采用無線方式進行內(nèi)部數(shù)據(jù)通訊，最大限度減少加熱爐的高溫影響，并可與加熱爐內(nèi)各區(qū)同時配置的相鄰黑匣子互聯(lián)共享數(shù)據(jù)，進行耦合性測溫和工藝誤差補償。

附圖說明

為了更清楚的說明本發(fā)明的實施例或現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明黑匣子裝置示意圖。

圖2為本發(fā)明黑匣子裝置的單獨測溫方式。

圖3為本發(fā)明黑匣子裝置的一種布局形式。

圖4為本發(fā)明黑匣子裝置的另一種布局形式。

圖5為本發(fā)明黑匣子裝置熱電偶鉆孔位置的側(cè)視圖。

圖6為本發(fā)明黑匣子裝置熱電偶鉆孔位置的俯視圖。

圖7為本發(fā)明黑匣子裝置的爐內(nèi)橫向布置陣列。

圖8為本發(fā)明黑匣子裝置的爐內(nèi)縱向布置陣列。

圖9為本發(fā)明信號采集和處理過程圖。

圖10為本發(fā)明的全爐況同步測溫通訊方式。

附圖標(biāo)號說明：

1、黑匣子裝置；2、坯料；3、爐氣熱電偶；4、天線；5、熱電偶簇；6、蒸汽嘴；7、坯料熱電偶；8、溫度采集模塊；9、信號處理模塊；10、數(shù)據(jù)存儲模塊；11、密封腔體；12、冷卻水層；13、耐高溫隔熱板；14、耐高溫隔熱棉；15、不銹鋼箱體；16、耐高溫纖維板；17、蒸汽通道。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發(fā)明及其應(yīng)用或使用的任何限制?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明的目的在于提供一種加熱爐便攜式黑匣子全爐況同步測溫陣列及溫控方法，一是設(shè)計便攜式的短距離黑匣子測溫裝置，以多種方式實現(xiàn)加熱爐溫度場的局部高精度測量，在線實時處理數(shù)據(jù)并與其他黑匣子實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)共享。

為了實現(xiàn)上述目的，采用如下方案：本發(fā)明所述的一種加熱爐便攜式黑匣子全爐況同步測溫陣列，首先設(shè)計耐高溫隔熱的便攜式黑匣子，能夠獨立進行數(shù)據(jù)處理和工況誤差補償，同時采用無線方式進行內(nèi)部數(shù)據(jù)通訊，最大限度減少加熱爐的高溫影響，并可與加熱爐內(nèi)各區(qū)同時配置的相鄰黑匣子互聯(lián)共享數(shù)據(jù)，進行耦合性測溫和工藝誤差補償，這是以往傳統(tǒng)黑匣子沒有的重要功能和關(guān)鍵發(fā)明點；其次爐內(nèi)黑匣子數(shù)據(jù)實時傳輸數(shù)據(jù)與爐外溫控系統(tǒng)，與加熱爐燒鋼調(diào)控參數(shù)同步耦合，進行樣本數(shù)據(jù)在線對比采集和整理，為加熱爐二級系統(tǒng)提供爐內(nèi)溫度場分布和爐內(nèi)氣氛特征規(guī)律，為一級系統(tǒng)提供實時測控指標(biāo)，便于進行高精度的溫度預(yù)控和趨勢預(yù)警，實現(xiàn)高精度的穩(wěn)定燒鋼過程。

如圖1所示，便攜式微型黑匣子主要由箱體、信號處理器、熱電偶和隔熱材料組成。為了保證信號處理器的穩(wěn)定工作溫度，將其固定在密閉腔體內(nèi)，主要包括溫度采集、信號處理和數(shù)據(jù)存儲三大模塊，其中溫度采集通過耐高溫接插件與鎧裝熱電偶簇連接，采集相應(yīng)位置的溫度信號，送至信號處理器進行AD轉(zhuǎn)換、信號濾波和誤差補償，形成有效溫度信號，存儲至數(shù)據(jù)存儲卡中。在信號采樣過程中，采用兩種方式進行濾波。一種是設(shè)定采樣周期和頻率，為了減少振動引起的高頻噪聲或安裝誤差引起的低頻噪聲，在信號處理器內(nèi)增加了帶通或帶阻濾波器，最大限度保證真實溫度信號。一種是對已經(jīng)AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號進行平滑濾波，設(shè)定周期平滑次數(shù)，對周期內(nèi)的信號進行平均值濾波，最大限度減少誤差信號引起的溫度波動。設(shè)定采樣周期為t f，當(dāng)前實測AD值為V i，平滑周期為t m，其中t m≥t f且t m是t f的整數(shù)倍，假設(shè)倍數(shù)為n，則在平滑周期內(nèi)的有效實測值為 

其中ζ為縮放倍數(shù)，可人為設(shè)定，如設(shè)置為0.5～1.5，以確保相鄰值不出現(xiàn)過大偏差，如果超過該設(shè)定范圍，則認(rèn)定為無效值，從中剔除掉，從而減少誤差信號引起的測量偏差。通過標(biāo)定，將AD值V i轉(zhuǎn)換為溫度值T i。

在實際測試過程中，還需要對加熱爐必然存在的工況誤差進行合理補償，才能準(zhǔn)確反映加熱爐測量點的實際溫度。如設(shè)定當(dāng)前爐壓波動、點火時間、氧化鐵皮、振動、位置偏差引起的工況誤差分別為T p,T t,T o,T v,T w，則補償后的實際溫度值 應(yīng)為

下文如無特定解釋，則溫度值都為補償后的實際溫度值，能夠更真實地反映爐氣或坯料的瞬態(tài)溫度值。

密閉腔體內(nèi)置于冷卻水中，且外部包裹耐高溫隔熱板、耐高溫隔熱棉和耐高溫纖維板，為了增強箱體的剛度，在耐高溫纖維板和隔熱石棉中間有不銹鋼箱體，為了能夠及時排放箱體內(nèi)的蒸汽，在箱體一側(cè)設(shè)置有排氣口，起到降低箱體壓力，同時形成正壓，避免熱量向內(nèi)傳遞。通過上述多層密封和水隔熱，確保信號處理器的外殼溫度在100℃以內(nèi)，腔體內(nèi)溫度控制在60℃以內(nèi)，保證電子元器件處于最佳工作環(huán)境。為了實時傳遞溫度信號，在蒸汽嘴內(nèi)部設(shè)置天線，在工作過程中，利用蒸汽對其降溫，保證其有效工作。

圖2示出了便攜式微型黑匣子的安裝方式，利用鋼絲或螺釘將其固定在坯料上，鎧裝熱電偶按照固定距離和布局方式，連接黑匣子，進行局部測溫，其中5個熱電偶嵌入至坯料內(nèi)部不同深度，測量厚向不同位置的溫度變化，另外1個熱電偶測量當(dāng)前位置的爐氣溫度。這種便攜式微型黑匣子安裝方便，可以固定在任意位置，測量局部溫度變化，同步性比較好。

圖3和圖4示出了便攜式微型黑匣子熱電偶的兩種鉆孔方式，在坯料上表面鉆不同深度的孔，孔徑6～10mm，稍大于熱電偶直徑，依次測量上表面、1/4、中心、3/4和下表面的溫度，其中可以是斜線方式布局，測量截面的溫度分布，也可以以直線方式鉆孔，方便對比坯料中心的溫度變化?；蛘卟捎脙煞N方法的混合鉆孔，更細(xì)致地測量不同截面的溫度場分布。這兩種方式適合推鋼式加熱爐，因為坯料之間沒有縫隙，可以在表面進行厚度方向的溫度測量。

圖5和圖6示出了另外一種鉆孔方式，在坯料側(cè)面，沿厚向接近上表面、1/4、中心、3/4和接近下表面的位置分別鉆深孔，這種測量方式更準(zhǔn)確，能夠最大限度減少爐氣溫度對坯料內(nèi)部溫度的影響。但是，這種測量方式需要坯料之間有一定間隙，適用于步進式加熱爐，對于推鋼式加熱爐，需要特殊處理，利用工藝孔也可以實現(xiàn)類似的鉆孔測溫。

圖7和圖8示出了便攜式微型黑匣子的網(wǎng)絡(luò)布局陣列，首先可以進行單根的溫度測量，通過觀察其從入口到出口的完整過程，來模擬整體爐況的平均變化規(guī)律?；蛘叻謩e在預(yù)熱段(或加熱1區(qū))、加熱段(或加熱2區(qū))和均熱段，各自在2～3根坯料布置黑匣子，進行單獨分區(qū)的同步測量，以及整體爐況的同步測溫，這種方式可以準(zhǔn)確獲得同時刻的整體爐況溫度分布規(guī)律，從而驗證特定爐況，形成標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)。后續(xù)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)，可僅僅進行分區(qū)爐氣溫度的測量，避免鉆孔損傷坯料，從而實現(xiàn)全爐況的實時測溫，有利于完成真正意義的全爐況精確定量調(diào)控。

圖10示出了單根鋼坯的調(diào)控過程，利用便攜式微型黑匣子的組態(tài)互聯(lián)，同時與爐外信號接收同步處理單元進行信號同步，實施掌握爐內(nèi)氣氛特征變化。L1系統(tǒng)和L2系統(tǒng)為加熱爐內(nèi)的現(xiàn)有技術(shù)。L1系統(tǒng)的全稱為Level1系統(tǒng)，用于在線閉環(huán)調(diào)控。L2系統(tǒng)的全稱為Level2系統(tǒng)，用于最優(yōu)參數(shù)設(shè)定。爐外信號接收同步處理單元為現(xiàn)有技術(shù)，可采用wifi進行接收和同步處理。根據(jù)單根鋼坯全位置的溫度場測量，與當(dāng)前工況參數(shù)實時關(guān)聯(lián)，利用L2系統(tǒng)的爐溫、坯溫耦合模型，進行當(dāng)前工況的快速優(yōu)化和規(guī)律分析，及時調(diào)整最佳目標(biāo)曲線及關(guān)聯(lián)調(diào)控參數(shù)，通過L1系統(tǒng)的自適應(yīng)實現(xiàn)爐內(nèi)氣氛的即時調(diào)控，從而有助于保證單根鋼坯各位置的測量誤差和溫度偏差都降低到最小。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

加熱爐便攜式黑匣子全爐況同步測溫陣列.pdf