用于激光诱导击穿光谱系统的耐高温浸入式探头的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于激光诱导击穿光谱系统的耐高温浸入式探头，包括：耐高温管(6)、耐高温管套(7)、耐高温管隔热垫片(8)、外部隔热层(9)、中间保护管(11)、束口片、镜筒、后端箱体(20)、温度传感器(14)、气压传感器(16)、进气口(23)、出气口(12)和丝杠传动系统(21)；本实用新型具备高温环境下多层控温腔体温度自动精确控制功能，能保证探头内光学元件的参数稳定。本实用新型采用激光测距、激光诱导击穿光谱信号和精密丝杠组成的粗——精结合二级伺服控制系统，实现了测量要求的快速准确定位，减少激光诱导击穿光谱系统工作时长，减轻激光器和信号处理单元负担。
【专利说明】
用于激光诱导击穿光谱系统的耐高温浸入式探头
技术领域
[0001]本实用新型涉及熔融金属在线成分分析领域，具体为用于激光诱导击穿光谱测成分系统的具备自动控温、自动定位功能的耐高温浸入式探头。
【背景技术】
[0002]现有技术例如中国专利CN101183074A描述了一套钢液成分检测与分析装置，其中耐高温浸入式探头采用电极接触钢水通电来自动定位，采用空冷对探头光学元件进行冷却，信号箱体通过恒温装置进行恒温，采用机械臂升降定位，探头外壳为耐高温金属圆筒，外部涂有高反射耐高温材料。该发明指出优点为非消耗性，而实际上电极接触钢水后会因残留钢水或钢渣通电短路，自动定位功能除第一次外无法反复进行，也未提及除残留钢水或钢渣的方式。该发明对探头光学元件带有冷却，但在该处未布置温度传感器，无法控制光学元件的环境温度，无法保持光学元件的工作特性稳定。
[0003]中国专利CN201266163Y同样描述了一套基于激光火花光谱法的钢水质量在线检测仪，其中耐高温探头前端采用氧化铝陶瓷，冷却系统采用水冷+气冷的方式，冷却气体采用氩气，采用滑轮组升降，探头由高处浸入到最低处采集信号判断最佳信号处再回归最佳信号处进行信号采集，信号处理箱体采取恒温装置恒温，前端探头只有冷却，并未提及对光学元件采取恒温措施。该发明带有水冷管路，存在水泄露污染钢液及钢液飞溅的风险，同时探头升降系统不存在自动测距系统，直接通过信号处理单元来判断是否进入最佳信号位置，无法自动获知浸入钢液深度，无法构成安全联锁机构防止探头工作异常，也造成激光诱导击穿光谱测成分系统长时间工作，激光器和信号处理单元会有较大负担。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型克服现有技术缺少针对大气下冶金炉为激光诱导击穿光谱装置配套设计的耐高温探头的问题，实现探头内部多层腔体自动控温及快速位移和精确定位结合的粗细二级自动定位功能。
[0005]本实用新型采用的技术方案为:一种用于激光诱导击穿光谱系统的耐高温浸入式探头，包括:耐高温管、耐高温管套、耐高温管隔热垫片、外部隔热层、中间保护管、束口片、镜筒、后端箱体、温度传感器、气压传感器、进气口、出气口和丝杠传动系统;其中，
[0006]耐高温管负责穿过炉渣层浸入高温熔体，并使高温熔体进入耐高温管内达一定高度;耐高温管套用于夹持耐高温管，其上部布置耐高温管隔热垫片用于阻隔耐高温管向中间保护管传导传热;外部隔热层负责减少并减缓外部高温熔体表面对中间保护管的辐射传热，外部隔热层与耐高温管隔热垫片组合将中间保护管整体与高温熔体隔离；中间保护管用于支承整个探头结构，并开有冷却气体出气口 ；双束口片的内孔束口用于减少耐高温管内部熔体表面对镜筒的辐射传热，不同内径的两层束口片将中间保护管内腔分为三层气压一一温度的控温腔室，各层腔体配有若干出气口及出气口电子阀，出气口电子阀可控制出气口大小以调整各腔体气压和出气流量;镜筒负责装夹激光诱导击穿光谱系统的镜片，设计有微调装置用于装配镜片时微调，其中入射激光的激光入口和信号激光的出口可根据需要互换；后端箱体用于装载传感器电缆、激光诱导击穿光谱系统信号传导部件和冷却气体接入管道等管路线路，以及用于控制前端探头的控制板;传感器安装座用于安装温度传感器及气压传感器，温度传感器及气压传感器分别用于检测探头镜筒处温度、气压状态;激光测距仪负责测量探头距离高温熔体表面的距离，使探头能迅速进入激光诱导击穿光谱系统的工作范围，在此期间可关闭激光诱导击穿光谱系统，以减少激光诱导击穿光谱系统信号处理单元要处理的数据量，并可依据测量距离推断探头是否处于危险深度以确保探头工作安全;丝杠传动系统包括丝杠和伺服电机，负责进入信号激发范围前的大范围快速下降及激光诱导击穿光谱系统寻找最佳信号时的位置微调。
[0007]其中，冷却气体为低温氩气，保护熔体成分不受空气氧化影响，并带走高温熔体表面产生的烟气，同时氩气较其它冷却气体对光学信号吸收率更低，提高了光学信号强度，整个管体结构构成冷却气体回路，冷却气体由供气装置通过管道经箱体再经过安装于传感器安装座的进气口进入，由安装于中间保护管的出气口流出；供气装置具有气压阀、质量流量控制阀，可监测并根据流量一一温度闭环自动控制模型控制冷却气体压力和流量。
[0008]本实用新型的优点和积极效果为:
[0009](I)、本实用新型具备高温环境下多层控温腔体温度自动精确控制功能，能保证探头内光学元件的参数稳定。
[0010](2)、本实用新型采用激光测距、激光诱导击穿光谱信号和精密丝杠组成的粗一一精结合二级伺服控制系统，实现了测量要求的快速准确定位，减少激光诱导击穿光谱系统工作时长，减轻激光器和信号处理单元负担。
[0011](3)、本实用新型前端结构简单可靠，采用气体冷却和隔热层便达到控温目的，避免液体冷却存在的液体泄露问题，也缩小了耐高温浸入式探头尺寸，便于冶金工业现场使用和维护。
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型公开的用于激光诱导击穿光谱系统的耐高温浸入式探头工作原理图。其中带折角尖的虚线为所保护的激光诱导击穿光谱系统理论光路，折角尖代表光路前进方向；箭头簇为冷却气流走向，箭头方向为前方;带折角尖的实线为激光测距仪光路，折角尖代表光路前进方向。
[0013]图2为本实用新型公开的用于激光诱导击穿光谱系统的耐高温浸入式探头与冷却系统供气装置和激光诱导击穿光谱系统配合使用的工作原理图。
[0014]图3为本实用新型公开的用于激光诱导击穿光谱系统的耐高温浸入式探头可能的一种结构不意图。
[0015]图1和图2共享编号，其中:1、中频炉炉体，2、高温熔体，3、炉渣层，4、激光测距目标位置，5、入射激光聚焦点，6、耐高温管，7、耐高温管套，8、耐高温管隔热垫片，9、外部隔热层，10、下束口片，11、中间保护管，12、出气口，13、上束口片，14、温度传感器，15、聚焦透镜，16、气压传感器，17、二向色镜，18、竖镜筒，19、镜筒安装座，20、后端箱体，21、丝杠传动系统，22、激光测距仪，23、进气口，24、激光入口，25、传感器安装座，26、横镜筒，27、采集透镜，28、光纤连接座，29、出气口电子阀，30、探头支架，31、冷却气体供应源，32、气压阀，33、质量流量控制器，34、激光诱导击穿光谱系统集成箱体，35、入射激光导光臂，36、信号光出射光纤。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图以及【具体实施方式】进一步说明本实用新型。
[0017]本实用新型提供用于激光诱导击穿光谱系统的耐高温浸入式探头，其原理图如图1和图2所示。耐高温管6负责穿过炉渣层3浸入高温熔体2;耐高温管套7用于夹持耐高温管6;隔热片8用于阻隔耐高温管6向中间保护管11传导传热;外部隔热层9负责阻隔外部熔体2表面对保护管11的辐射传热;保护管11用于支承整个探头结构，并开有若干个冷却气体出气口 12;下束口片10和上束口片13用于减少高温熔体2表面对竖镜筒18的辐射传热;竖镜筒18负责装夹激光诱导击穿光谱系统的二向色镜17和聚焦透镜15;后端箱体20用于装载激光测距仪22及冷却气体输入光路，并与丝杠传动系统21相连;传感器安装座25用于提供传感器固定位置，并有冷却气体进气口 23和预留的激光入口 24。冷却气体由冷却气体供应源31发生，经气压阀32和质量流量控制器33调节气压和流量后，由管道接入探头。整个管体结构构成冷却气体回路，由冷却气体进气口 23流入，冷却气体出气口 12流出，降低整个浸入式探头温度，尤其是竖镜筒18处的温度。冷却气体为低温氩气，保护熔体2成分不受空气氧化影响，并带走高温熔体2表面产生的烟气，保护竖镜筒18和横镜筒26内的光学元件一一二向色镜17、聚焦透镜15和采集透镜27;激光测距仪22负责测量激光测距仪22本身距离高温熔体2或者炉渣层3表面的距离;丝杠传动系统21负责探头整体的升降。激光诱导击穿光谱系统集成箱体34负责信号光的激发和采集，其中激发用的入射激光由入射激光导光臂35接入到探头预留的激光入口 24，出射信号光由探头光纤座28经信号光出射光纤36引入到集成箱体34。
[0018]本实用新型工作方式:根据需要将探头支架30推到测量位置。首先打开冷却气体供应源31，并打开进气阀32、质量流量控制器33和出气口电子阀29，通入冷却气体，排空所有空气。由于中频炉中炉渣层3为3?5cm的硬质壳体，因此利用破渣工具在炉渣层3上打开一个比耐高温管6稍大的开口，保证激光测距仪22激光能到达熔体表面即激光测距目标位置4。采集激光测距仪22数据，控制丝杠传动系统21快速降低探头高度，将探头前端耐高温管6穿过炉渣层3，浸没高温熔体2并使高温熔体2进入耐高温管6内腔。此时调节冷却气体使内腔保持至少一定气压，控制丝杠传动系统21缓慢进入激光诱导击穿光谱系统工作范围。进入工作范围后，根据温度传感器14及气压传感器16反馈，依照预先制定的流量一一温度控制曲线控制冷却气体进气气压阀32和质量流量控制器33，调整输入的冷却气体流量和压力，控制出气口电子阀29调整腔体内的气压，保证温度传感器14处的温度稳定。根据激光诱导击穿光谱系统34反馈的光学信号强度，获得工作范围内最佳光学信号强度位置。控制丝杠传动系统21使探头微调至最佳光学信号强度处即入射激光聚焦点5，获取所需光学信号。最后保持冷却气体供应，控制丝杠传动系统21快速升起探头离开高温熔体2，将探头整体静置于室温环境中自然冷却或者风冷即可。
[0019]本实用新型不包含激光诱导击穿光谱系统信号发生及信号采集系统及箱体的设计。本实用新型不包含流量一一温度控制模型的制作过程，众所周知流量一一温度控制模型可根据计算机仿真模拟结果或者现场多次调试稳定的传感器数据来完成。
【主权项】
1.一种用于激光诱导击穿光谱系统的耐高温浸入式探头，其特征在于:包括耐高温管(6)、耐高温管套(7)、耐高温管隔热垫片(8)、外部隔热层(9)、中间保护管(11)、束口片、镜筒、后端箱体(20)、温度传感器(14)、气压传感器(16)、进气口(23)、出气口(12)和丝杠传动系统(21);其中， 耐高温管(6)负责穿过炉渣层(3)浸入高温熔体(2)，并使高温熔体(2)进入耐高温管(6)内达一定高度;耐高温管套(7)用于夹持耐高温管(6)，其上部布置耐高温管隔热垫片(8)用于阻隔耐高温管(6)向中间保护管(11)传导传热；外部隔热层(9)负责减少并减缓外部高温熔体表面对中间保护管(11)的辐射传热，外部隔热层(9)与耐高温管隔热垫片(8)组合将中间保护管(11)整体与高温熔体隔离；中间保护管(11)用于支承整个探头结构，并开有冷却气体出气口( 12);双束口片的内孔束口用于减少耐高温管内部熔体表面对镜筒的辐射传热，不同内径的两层束口片将中间保护管内腔分为三层气压一一温度的控温腔室，各层腔体配有若干出气口(12)及出气口电子阀(29)，出气口电子阀(29)可控制出气口(12)大小以调整各腔体气压和出气流量;镜筒负责装夹激光诱导击穿光谱系统的镜片，设计有微调装置用于装配镜片时微调，其中入射激光的激光入口(24)和信号激光的出口可根据需要互换；后端箱体(20)用于装载传感器电缆、激光诱导击穿光谱系统信号传导部件和冷却气体接入管道等管路线路，以及用于控制前端探头的控制板;传感器安装座(25)用于安装温度传感器(14)及气压传感器(16)，温度传感器(14)及气压传感器(16)用于检测探头镜筒处温度、气压状态;激光测距仪(22)负责测量探头距离高温熔体(2)表面的距离，使探头能迅速进入激光诱导击穿光谱系统的工作范围，在此期间不必开启激光诱导击穿光谱系统，以减少激光诱导击穿光谱系统信号处理单元要处理的数据量，并可依据测量距离推断探头是否处于危险深度以确保探头工作安全;丝杠传动系统(21)包括丝杠和伺服电机，负责进入信号激发范围前的大范围快速下降及激光诱导击穿光谱系统寻找最佳信号时的位置微调。2.根据权利要求1所述的一种用于激光诱导击穿光谱系统的耐高温浸入式探头，其特征在于:冷却气体为低温氩气，保护熔体成分不受空气氧化影响，并带走高温熔体(2)表面产生的烟气，同时氩气较其它冷却气体对光学信号吸收率更低，提高了光学信号强度，整个管体结构构成冷却气体回路，冷却气体由供气装置通过管道经箱体再经过安装于传感器安装座的进气口(23)进入，由安装于中间保护管的出气口(12)流出；供气装置具有气压阀(32)、质量流量控制阀(33)，可监测并根据流量一一温度闭环自动控制模型控制冷却气体压力和流量。
【文档编号】G01N21/71GK205643167SQ201620423812
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】李永新, 戴海波, 储从州, 潮斌, 王秋平, 潘从元
【申请人】中国科学技术大学