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连铸坯表面温度在线检测系统的设计 连通式铸造过程的二次冷却方法对铸造表面的质量、内部质量和生产能力有显著影响。由于二次冷却区温度高、湿度大, 且铸坯表面有冷却水形成的水膜和氧化铁皮, 铸坯周围有冷却水汽化后形成的雾状蒸汽, 所以给准确测量铸坯表面温度带来较大的难度。这也是目前无法实现二冷水闭环控制的主要原因。 尽管国外在高温测温方面实力雄厚的一些专门公司 (如美国Wall公司) 所生产的传感器及测温仪测量精确、性能稳定、可靠性高, 但仍属于温度单点测量仪器, 目前尚无能在复杂现场条件下长期运行、在线实时检测铸坯表面温度场分布的常规产品。 本文结合生产实际设计一种能够在高温、高湿环境中正常工作的连铸铸坯表面温度测量系统。 1 基于人工神经元网络技术的内部监测硬件设计 由于连铸机的生产是连续进行的, 铸坯表面温度测量必须采用非接触测量方法。考虑到待测温度点在空间上的分散性, 因此温度检测系统采用如图1所示的分布式结构, 即由一台上位机与多台监测站组成。上位机与监测站之间的通信协议如图2所示。监测站完成温度信号的采集与前处理, 通过RS485传送至上位机进行信号处理, 得到系统的温度场分布结果, 从而给连铸过程的二次冷却水的闭环控制提供参考依据。 非接触实时测量是采用具有定焦式双反射光学接收系统的红外传感器来实现的, 其传感芯片选用美国Wall公司的光伏型产品。考虑到测温现场的实际情况, 将整个传感器置于水冷套内, 并配有吹气、吹灰气路装置。 为了把水雾汽对红外光路系统的影响限制在最小范围, 设计了风帘式防尘、防水雾汽检测头, 其目的是用最小量的吹扫空气达到最大的防尘、防水雾的效果, 而对铸坯表面温度的影响很小。 为了确定不同喷淋区中的冷却特性, 在二冷水区沿铸坯长度方向设置了多台红外测温仪, 并相应地设置了多台监测站, 监测站与上位机之间的通信具有组网能力, 以保证监测站所采集的数据能够被可靠地传递, 并使系统适应更广泛的用途。 应用人工神经元网络算法对红外测温光路中残余水雾汽的影响进行现场校正, 有效地消除铸坯表面水雾汽对红外测温结果的影响。 采用Microsoft公司的Visual Basic编程, 具有可视化和面向对象的特点, 可较形象地反映出铸坯表面温度分布情况。本着方便用户的原则, 采用人机交互方式, 并尽量减少用户击键次数, 采用多层次下拉式菜单、弹出式菜单、热键操作、错误屏蔽等技术, 最大限度地方便用户操作。 监测站主机由Intel公司80C196、地址锁存器74LS373、可外接8KB EPROM 2764或RAM6264组成, 可实现RS232或RS422/RS485通信功能。监测站的供电采用DC10～30 V电源, 有较好的可靠性和适应性, 使用极为方便。传输的数据采用二进制模式, 1位起始位, 8位数据位, 1位停止位, 无奇偶校验位, 传输波特率为9 600 bps。监测站软件采用汇编语言编程, 其程序结构如图3所示。 上位机系统由研华工控机组成, 配备彩显、键盘、打印机等设备, 采用研华ADAM-4520隔离型RS232到RS422/485转换器。 上位机与监测站进行数据交换时, 由上位机起呼, 被呼监测站接收到呼叫信号后发送数据, 首先是起始字节, 再是三路A/D转换器采集的数据, 最后是数据的代数和。上位机接收数据, 首先判别起始字节, 错误即让监测站重发数据, 正确即开始接收三路A/D转换器的数据, 并将三路数据求代数和, 与监测站传送来的数据和进行校验, 若数据正确, 则分别将三路A/D转换器采集的数据确认为有效信号, 并且存入数据文件, 否则重发。对重呼、重收的时间给予一定次数限制以防无限等待的情况发生。上位机主模块流程如图4所示。 2 等效影响系数k1-2的确定 由于铸坯表面温度检测系统是长期在线实测, 现场二冷区环境高温, 铸坯周围有汽水雾化冷却形成的高温蒸汽, 铸坯表面又有冷却水形成的水膜, 在红外测温光路形成一定区域的水雾汽分布, 考虑到经过风帘式探测头消除水雾气后还可能存在的残余部分的影响, 本文引入利用人工神经元网络算法对红外测温光路中残余水雾汽的影响进行现场校正, 彻底消除水雾汽对测温精度的影响。 通常在测温现场, 辐射传递通道中的介质是各种各样的, 各种测温现场的介质种类、成分和含量是不相同的。然而对一个具体的测温对象, 辐射传递通道中的介质状态在被测温度变化过程中的统计分布几乎是不变的。在这种情况下, 用在线的辐射温度测量仪本身对介质影响进行修正是必要而又可行的方法。 以Kλ表示辐射传递通道中的介质在波长λ上的影响系数, 若介质吸收辐射功率而使入射到温度测量仪的辐射功率减少, 则Kλ≤1。我们定义Kλ1-λ2为在波段λ1-λ2的等效影响系数, 则: 上式的分子部分表示在有介质