[发明专利]用于激光诱导击穿光谱系统的耐高温浸入式探头

说明书

技术领域

本发明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

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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明采用的技术方案为：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，

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——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。

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——温度闭环自动控制模型控制冷却气体压力和流量。

本发明的优点和积极效果为：

(1)、本发明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。

(2)、本发明采用激光测距、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。