[发明专利]基于热辐射理论的熔融炉熔融物界面位置检测系统及方法

权利要求书

1.一种基于计算一定波长下的消光系数检测熔融炉熔融物界面位置的检测系统，包括辐射检测部分和测温部分，其特征在于：所述辐射检测部分设置在熔融炉(8)顶部，包括检测炉壁特定点(11)处辐射的第一辐射检测单元(3)和检测熔融物检测点的第二辐射检测单元(4)，第一辐射检测单元(3)和第二辐射检测单元(4)的倾斜方向相同；

所述测温部分包括信号处理单元(2)、检测熔融炉(8)的炉壁特定点(11)处的内表面温度的第一温度传感器(5)、检测炉壁特定点附近环境温度的第二温度传感器(6)和检测辐射检测部分附近的环境温度的第三温度传感器(7)，三个温度传感器所测的温度数据通过信号处理单元(2)传输至计算机(1)，第一温度传感器(5)位于炉壁特定点(11)内表面，第二温度传感器(6)位于炉壁特定点(11)外表面，第三温度传感器(7)位于熔融炉(8)顶部的辐射检测部分一侧；

所述检测系统通过第一辐射检测单元(3)检测的炉壁特定点(11)的辐射信息、第一温度传感器(5)检测的炉壁特定点(11)的内表面温度信息、第二温度传感器(6)检测的炉壁特定点(11)的环境温度以及第三温度传感器(7)检测的熔融炉(8)顶部的环境温度，计算设定波长下该时刻炉壁内环境的消光系数；随后通过计算出来的消光系数、第二辐射检测单元(4)检测的熔融物检测点(13)的辐射信息计算辐射检测单元(4)与熔融物检测点(13)之间的距离，进而结合辐射检测单元(4)的倾角计算得到熔融物界面(9)的垂直距离。

2.根据权利要求1所述的基于计算一定波长下的消光系数检测熔融炉熔融物界面位置的检测系统，其特征在于：所述两个辐射检测单元的透镜面积固定。

3.根据权利要求1所述的基于计算一定波长下的消光系数检测熔融炉熔融物界面位置的检测系统，其特征在于：所述信号处理单元(2)包括A/D转换模块和用于放大温度传感器的电信号的放大电路。

4.根据权利要求1所述的基于计算一定波长下的消光系数检测熔融炉熔融物界面位置的检测系统，其特征在于：所述炉壁特定点(11)的确定方法如下：在工艺允许熔融物界面的最高位置(12)的上方且与工艺允许熔融物界面的最高位置(12)的距离不超过20cm的熔融炉(8)上任选一点即为炉壁特定点(11)。

5.根据权利要求1所述的基于计算一定波长下的消光系数检测熔融炉熔融物界面位置的检测系统，其特征在于：所述熔融物检测点(13)的确定方法如下：连接第二辐射检测单元(4)的透镜面和工艺允许熔融物液面的最低位置(10)的边缘形成第一连接线(31)，第一连接线(31)与熔融物界面(9)的交点即为熔融物检测点(13)。

6.一种基于热辐射理论的熔融炉熔融物界面位置检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1.设置辐射检测部分的工作波长λ_j，第一辐射检测单元(3)的工作波长设置为λ_j，其中j为辐射检测的次数，j初始值为1；

步骤2.在步骤1设定的波长λ_j下，检测熔融炉(8)的炉壁特定点(11)的辐射及温度信息：第一辐射检测单元(3)检测炉壁特定点(11)的辐射，第一温度传感器(5)检测炉壁特定点(11)的内表面温度，第二温度传感器(6)检测炉壁特定点(11)的环境温度，第三温度传感器(7)检测两个辐射检测单元即熔融炉(8)顶部的环境温度，并将检测的温度数据通过测温系统(2)传输至计算机(1)，检测的辐射数据传输至计算机(1)；

步骤3.实时计算波长λ_j下的消光系数根据步骤2中获取的辐射和温度数据，利用如下公式计算工作波长λ_j下的消光系数

其中，

b₁₂＝g(λ_j，T₀₁)-g(λ_j，T_u1)-g(λ_j，T₀₂)+g(λ_j，T_u2)

b₁₃＝g(λ_j，T₀₁)-g(λ_j，T_u1)-g(λ_j，T₀₃)+g(λ_j，T_u3)

K＝A_TA₀d₀^-2，

c₁、c₂为常数，计算时取：c₁＝3.741×10^-16W·m²、c₂＝0.01439m·k；d₀为辐射检测单元距离炉壁特定点的距离，t_i时刻检测响应为T_0i为t_i时刻的炉壁特定点(11)内表面温度，T_ui为t_i时刻的炉壁特定点的环境温度，T_ai为t_i时刻的辐射检测单元附近环境温度，i＝1，2，3；第一辐射检测单元(3)的透镜面积为A_T，检测立体角为Ω；响应系数为k，对应炉壁可视检测面积为A₀；

步骤4.重复步骤1～步骤3，j＝2，3，4，依次计算获取波长λ₂、λ₃、λ₄下的消光系数和

步骤5.检测熔融物界面(9)在波长λ_j下的辐射信息：第二辐射检测单元(4)的工作波长设置为λ_j，通过第二辐射检测单元(4)检测熔融物检测点(13)的辐射，j初始值为1；

步骤6.计算辐射检测部分与熔融物界面的距离：重复步骤5的操作，j＝2，3，4，结合波长λ_j下计算获得的消光系数和熔融物检测点(13)在波长λ_j下的辐射，利用如下公式计算得到第二辐射检测单元(4)与熔融物界面(9)的垂直距离h：

h＝d₁cosθ

其中，θ为第二辐射检测单元(4)与熔融炉(8)的竖直方向的夹角，d₁为第二辐射检测单元(4)与熔融物检测点(13)的距离，d₁通过下式联立计算获取：

其中，j＝1，2，3，4，检测得到熔融物界面温度为T₁，熔融物发射率为ε₁(λ_j，T₁)，熔融物反射率为α₁(λ_j，T₁)；在同一工作波长条件下，第二辐射检测单元(4)设计参数与第一辐射检测单元(3)相同，t_i时刻检测响应为沿检测光路距离熔融物界面为d₁，b₂为检测偏差。