Радіаційні, яскравості, оптичні пірометри в металургії

Інфрачервоний пірометр стійко займає ринкову нішу вимірювачів температури при побутовому застосуванні, і все ширше впроваджується в системах автоматизованого контролю виробничих високотемпературних процесів.

Оптичні пірометри, спочатку орієнтовані на вимір високих температур, відносяться до категорії професійних, і затребувані в металургійній галузі, особливо для безперервного контролю температури злитків, які тверднуть в процесі виробництва в машині безперервного лиття металевих заготовок (скорочено - МБЛЗ).

Пірометри в промисловості


Обсяг випуску злитків тільки на одному металургійному комбінату сягає мільйона тонн на рік, а з огляду на високу конкуренцію на світовому ринку сталі, вимоги до дотримання технологічних умов і якості готової продукції тільки зростають.

Оптичні і інфрачервоні пірометри поряд зі спеціалізованими спектральними безконтактними термометрами здатні усунути проблеми контактного методу вимірювання температури, але при цьому необхідно врахувати знову методичні похибки, пов'язані з процесом розливки в форми і охолодження заготовок.

Інфрачервоний пірометр для виробництва

Вимірювання температури температури рідкого металу як методом занурення термопари, так і дистанційним способом, незважаючи на технологічні труднощі, спрощений, в порівнянні з вимірюванням температури поверхні охолоджуваного злитка з двох причин:

  • застигаюча металева заготовка не дозволяє занурити всередину датчик температури без пошкодження злитка. Або можливий вибірковий контроль температури, після якого частина злитків пошкоджена;
  • безперервність процесу вимагає автоматичного вимірювання температури для своєчасного прийняття оперативних рішень про необхідність внесення змін до технологічного процесу.

Інфрачервоний пірометр дає можливість успішно вирішити перераховані проблеми, але при цьому виникають труднощі, пов'язані зі специфікою дистанційного методу вимірювання температури.

Розглянемо переваги і недоліки 3-х базових методів пірометрії в металургійній промисловості.

  1. Пірометрія, заснована на залежності яскравості металургійної заготовки в залежності від температури - оптичні пірометри.
  2. Радіаційні пірометри досліджують залежність потужності інфрачервоного випромінювання від температури нагрітого злитка, деталі або заготовки.
  3. Колірна пірометрія, на основі розподілу випромінюваної енергії в середині ділянки спектра.

Інфрачервоний термометр, який ловитиме теплове випромінювання, має основний недолік, практично не усувний в бюджетних серіях пірометрів з постійним коефіцієнтом емісії.

Для побуту, коли вимоги до точності мало суворі, і похибка в кілька градусів практично не помітна, можна недорогий пірометр купити - безконтактний термометр з постійним коефіцієнтом емісії на рівні 0.95.

Для металургіческіх завдань потрібні радіаційні пірометри, здатні провести вимір високих температур розпечених предметів, що значно відрізняються відбивною здатністю, буквально в десятки разів.

Покриття сталевих, чавунних, мідних напівфабрикатів в залежності від виду матеріалу заготовки, ступеня забруднення і методу обробки, може бути як блискучою і полірованою з коефіцієнтом відображення на рівні 0.1-0.3, так і шорсткою, матовою, темною з показником 0.7-0.9.

Найпростіший пірометр з незмінним коефіцієнтом емісії з заводу, без можливості підстроювання, при вимірюванні температури розжареної заготовки, не забезпечить достовірний результат, оскільки перевірка пірометрів проводиться за допомогою еталонного зразка, близького за характеристиками до абсолютно чорного тіла, а досліджувана ділянка заготівлі часто далека від ідеалу.

Оптичний пірометр краще?

Альтернативні методи безконтактного вимірювання температури пропонує оптична пірометрія.

І в першу чергу для високотемпературних об'єктів використовуються оптичні пірометри.

Яскрава пірометрія базується на контролі температури сталевих, мідних, чавунних злитків, шляхом візуального порівняння яскравості нитки розжарювання, вбудованої в оптичний пірометр, з яскравістю аналізованого предмета.

схема роботи оптичного пірометра

Оптичні пірометри дозволяють точно підлаштувати яскравість лампи розжарювання до тих пір, поки цей показник, пропорційний силі проникаючого через лампу струму, не зрівняється з рівнем яскравості злитка.

Як тільки це станеться, можна стверджувати, що точне вимірювання температури проведено успішно і з мінімальною похибкою.

Основний недолік, яким характеризується оптичний пірометр - вплив людського фактора.

Незважаючи на те, що наші очі досить точно здатні зіставити яскравість і контрастність, відхилення все ж може мати місце.

Промислові оптичні пірометри для металургії традиційно відрізняються високою верхньою межею в 2000 - 3000 і навіть до 6000 градусов.

Яскравий оптичний пірометр може як вимагати участі обслуговуючого персоналу, так і працювати самостійно в автономному режимі, як реєстратор температури.

Оптичні пірометри проводять вимір високої температури на обраній довжині хвилі, в межах 0.6-0.65 мкм, що значно звужує спектр випромінювання нагрітої поверхні металевих злитків.

Для переходу від одного температурного діапазону до іншого, наприклад від 500-900° С до 800-1300°С, оптичний пірометр забезпечений змінними діафрагмами.

Радіаційні пірометри, відносяться до приладів повного випромінювання, що уловлюють тепловий потік ІЧ випромінювання у всьому діапазоні інфрачервоного спектра від хвиль, що надходять на датчик, що генерує електрорушійну силу. Сигнал, що виникає, вимірюється вольтметром, посилюється і відображається на дисплеї.

Інфрачервоний пірометр, на відміну від оптичного, не вимагає безпосереднього порівняння яскравості нагрітого злитка оператором, але при цьому через наявність в зоні знаходження злитка зважених летючих частинок, не рівномірно впливають і спотворюють сигнал, що надходить в радіаційний пірометр, необхідно вжити ряд захисних заходів.

Мова йде про те, що після розливання у форми, відбувається охолодження злитків і інфрачервоний тепловий потік частково поглинається паром, що утворився та аерозольною сумішшю від контакту охолоджувача з гарячою поверхнею.

Максимальне поглинання інфрачервоного випромінювання, вловлює лінза радіаційного пірометра, відбувається на хвилях в інтервалі 2-2.4 мікрона, що відповідає розмірам частинок присутньої водяної пари.

З огляду на, що інфрачервоні пірометри, працюють в більш низькому інтервалі, вплив поглинання не настільки актуальний, але залишаються впливи від вібрації при русі по конвеєру, присутності газ в і пилових частинок.

Кольорові пірометри

Спектральні або фотоелектричні безконтактні термометри затребувані при наукових дослідженнях, для автоматичної реєстрації теплових процесів на виробництві, і для металургії це один з надійних приладів для вимірювання температури.

Кольорові пірометри відносяться до категорії двохканальних. Принцип вимірювання температури спектральним дистанційним термометром базується на зв'язку температури з набором енергетичних яскравостей в певних частинах спектра.
У кожному з каналів стаціонарного фотоелектричного вимірювача температури використовується окремий фотоприймач - напівпровідниковий фотодіод.

Основна перевага двоканального спектрального безконтактного термометра - усунення традиційної похибки, якою характеризуються пірометри – сильно розрізняються поверхні злитка алюмінію, чавуну, сталі в залежності від відбивної здатності, яка визначається чистотою або наявністю оксидної плівки, яка активно осідає при високій температурі, вплив кисню і охолоджувальної води.

Пристрій колірного пірометра

Нагрітий злиток випускає теплове і оптичне випромінювання, яке розділяється на 2 сигналу оптичною призмою і через світлофільтри, що виділяють частини спектра, надходить на чутливі фотоелементи.

Після посилення, сигнали обробляються перерахунковою схемою, в якості якої може виступати логарифмический дільник. Вимірювання температури проводиться вольтметром, відградуйованим в  градусах.

Проведені практичні випробування колірних пірометрів в реальних умовах показали, що нагрівання металевих злитків, значно ближче до дійсної температурі.

Оптичні пірометри і в особливості інфрачервоні термометри, в точності поступаються фотоелектричним, які відрізняються високою стійкістю до перешкод і підвищеною швидкодією.

Значення температури в мінімальному ступені піддається впливу відбивної здатності сл ітка, ніж "грішить" радіаційний і оптичний пірометр, а також знижено вплив (розсіювання, ослаблення) сигналу на шляху поширення випромінювання від об'єкта вимірювання до приймальні призми.

Кольоровий і радіаційний пірометр в охолоджувальної зоні

Безперервне лиття заготовок на металургійних комбінатах вимагає застосування автоматичних безконтактних систем моніторингу температури. Дистанційні термометри повинні:

  • вписуватися в схему НЛМЗ за габаритами через наявність тісного скупчення опорних секцій, роликів, балок, клітей;
  • бути захищені від перегріву шляхом розміщення в водоохлаждаемой сорочці, і не можуть бути великогабаритними.

При охолодженні злитка використовується значна кількість води, наприклад для заготовки розміром 640 на 150 мм до 65 м3/год, що призводить до утворення великої кількості пара, аерозольних часток, які активно поглинають інфрачервоне випромінювання, і радіаційний пірометр видає значення виміряної температури зі значною похибкою.

Вихід полягає у видаленні обурюючих факторів з обмеженої ділянки злитка, на який спрямована приймальна лінза ІЧ термометра.

Краще використовувати колірні пірометри, що характеризуються низькою похибкою, і зручністю вбудовування в автоматичні системи контролю, однак складні температурні умови в зоні водяного охолодження створюють труднощі в їх застосуванні.

Безперервне лиття та виготовлення злитків характеризується стаціонарним режимом, при якому постійна швидкість розливання відповідає певній температурі поверхні металевого злитка.

При цьому безконтактні термометри працюють в режимі контролю діапазону, фиксуючи виникаюче відхилення і сигналізуючи виробничому персоналу.

Радіаційний пірометр - вимірювач температури злитка


Радіаційний високотемпературний пірометр в металургії може бути встановлений для дистанційного вимірювання температури злитків тільки при монтажі допоміжного спеціалізованого механізму для здування охолоджувальної води.

Інфрачервоний термометр кріпиться зверху на трубу, нижня частина якої знаходиться на відстані 1-1,5 см від поверхні.

Це дозволяє, по-перше звести до мінімуму вплив теплового випромінювання навколишнього середовища, навколо зони вимірювання, а по-друге, через бічний канал нагнітається стиснене повітря, ефективно видаляючи водяні бризки і пар, і відкриває оптичній лінзі радіаційного пірометра чисту площину для безконтактного вимірювання температури.

При такій схемі пірометри розташовуються на висоті близько 30 см від злитка.

Основні складові похибок фотоелектричних і радіаційних пірометрів при контролю температури злитків в зоні охолодження:

  • потрапляння і конденсація водного пилу на датчик;
  • вібраційний вплив;
  • не налаштований коефіцієнт емісії під відбивну здатність злитка.

Оптичний пірометр в значній мірі позбавлений зазначених недоліків.