Пн–Пт: 09:00–17:00 brom@brom.ua

Радіаційні, яскравості, оптичні пірометри в металургії

Нішу вимірювачів температури при побутовому застосуванні все активніше займає, і ширше впроваджуються в системах автоматизованого контролю виробничих високотемпературних процесів, інфрачервоний пірометр.

Спочатку орієнтовані на вимір високих температур оптичні різновиди, відносяться до категорії професійних, і затребувані в металургійній галузі, особливо для безперервного контролю температури злитків, що застигають в процесі виробництва в машині безперервного лиття металевих заготовок (скорочено - МБЛЗ).

Високотемпературні пірометри для екстремальних температур


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 портативні інфрачервоні пірометри поряд зі спеціалізованими спектральними  здатні усунути проблеми контактного методу вимірювання температури, але при цьому необхідно врахувати методичні похибки, пов'язані з процесом розливання у форми і охолодження заготовок.

Вимірювання температури температури рідкого металу як методом занурення термопари, так і дистанційним способом, незважаючи на технологічні труднощі, спрощене, порівняно 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 пошкоджених злитків йде в брак;
  • безперервність вимагає автоматичного вимірювання температури для своєчасного прийняття оперативних рішень про необхідність внесення змін до технологічного процесу.


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

Вид  Метод вимірювання, заснований на:
Радіаційні Зв'язку потужності інфрачервоного випромінювання з температурою нагрітого злитка, деталі або заготовки
Оптичні Залежності яскравості металургійної заготовки в залежності від температури
Кольорові Основі розподілу випромінюваної енергії в середині ділянки спектра

Радіаційні

Вони ловитимуть теплове випромінювання, і мають основний недолік, практично не усувний в бюджетних серіях з постійним коефіцієнтом емісії.
Для побуту, коли вимоги до точності мало суворі, і похибка в кілька градусів практично не помітна, достатньо пірометра з постійним коефіцієнтом емісії на рівні 0.95.
Для металургійних завдань потрібні прилади, 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 блискучим і полірованим з коефіцієнтом відображення на рівні 0.1-0.3, так і шорстким, матовим, темним з показником 0.7-0.9.
Найпростішие прилади з незмінним коефіцієнтом емісії з заводу, без можливості підстроювання, при вимірюванні температури розжареної заготовки, не забезпечить достовірний результат, оскільки повірка проводиться за допомогою еталонного зразка, близького за характеристиками до абсолютно чорного тіла, а досліджувана ділянка заготівлі часто далека від ідеалу.

Альтернативні методи безконтактного вимірювання температури пропонує оптична пірометрія. І в першу чергу для високотемпературних об'єктів.

Яркісні

Функціонують на основі контролю температури сталевих, мідних, чавунних злитків, шляхом візуального порівняння яскравості нитки розжарювання, з яскравістю аналізованого предмета.


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 відбудеться, можна стверджувати, що точне вимірювання температури проведено успішно і з мінімальною похибкою.

Основний недолік - вплив людського фактора.

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

4 особливості оптичних пірометрів
1 Традиційно відрізняються високою верхньою межею в 2000 - 3000 і навіть до 6000 градусів.
2 Може як вимагати участі обслуговуючого персоналу, так і працювати самостійно в автономному режимі, як реєстратор температури.
3 Проводять вимірювання високої температури на обраній довжині хвилі, в межах 0.6-0.65 мкм, що значно звужує спектр випромінювання нагрітої поверхні металевих злитків.
4 Для переходу від одного температурного діапазону до іншого, наприклад від 500-900°С до 800-1300°С, в комплект входять змінні діафрагми


Радіаційні пірометри, відносяться до приладів повного випромінювання, що уловлюють тепловий потік випромінювання у всьому діапазоні ІЧ спектра від хвиль, що надходять на датчик, що генерує електрорушійну силу. Виникає сигнал, вимірюється вольтметром, посилюється і відображається на дисплеї.
На відміну від оптичних, вони не вимагають безпосереднього порівняння яскравості нагрітого злитка оператором, але при цьому через наявність в зоні знаходження злитка зважених летючих частинок, що спотворюють сигнал, необхідно вжити ряд захисних заходів.
Йдеться про те, що після розливання у форми, відбувається охолодження злитків і тепловий потік частково поглинається паром та аерозольної сумішшю від контакту охолоджувача з гарячою поверхнею.
Максимальне поглинання інфрачервоного випромінювання, що вловлює лінза, відбувається на хвилях в інтервалі 2-2.4 мікрона, що відповідає розмірам частинок присутньої водяної пари.
З огляду на, що інфрачервоні термометри, працюють в більш низькому інтервалі, вплив поглинання не настільки актуальний, але залишаються впливи від вібрації при русі по конвеєру, присутності газів і пилових частинок.

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

Кольорові

Відносяться до категорії двохканальних. Принцип вимірювання температури 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 пирометра – усунення традиційної похибки, якої характеризуються – 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.

Нагрітий злиток випускає теплове і оптичне випромінювання, яке розділяється на 2 сигналу оптичної 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 у градусах.
Проведені практичні випробування колірних пірометрів в реальних умовах показали, що нагрівання металевих злитків, значно ближче до дійсної температурі.
Оптичні і особливо інфрачервоні, в точності поступаються фотоелектричним, які відрізняються високою стійкістю до перешкод і підвищеною швидкодією.
Значення температури в мінімальному ступені піддається впливу відбивній здатності злитка, чим "грішать" радіаційні і оптичні, а також знижено вплив (розсіювання, ослаблення) сигналу на шляху поширення випромінювання від об'єкта вимірювання до приймальні призми.

Безперервне лиття заготовок на металургійних комбінатах вимагає застосування автоматичних безконтактних систем моніторингу температури, які повинні:

  1. Вписуватися в схему НЛМЗ за габаритами через наявність тісного скупчення опорних секцій, роликів, балок, клітей.
  2. Бути захищені від перегріву шляхом розміщення в водоохолоджуваній 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 видається значення виміряної температури зі значною похибкою.
Вихід полягає у видаленні факторів, що обурюють з обмеженої ділянки злитка, на який спрямована приймальна лінза.
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 пристрої працюють в режимі контролю діапазону, фіксуючи виникає відхилення і сигналізуючи виробничому персоналу.

І в металургії можуть бути встановлені для дистанційного вимірювання температури злитків тільки при монтажі допоміжного спеціалізованого механізму для здування охолоджувальної води.

Прилад 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 відкриваючи оптичній лінзи чисту площину для безконтактного вимірювання температури.

При такій схемі монтування проводиться на висоті близько 30 см від злитка.

Основні складові похибок при контролю температури злитків в зоні охолодження:

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

Оптичні в значній мірі позбавлені зазначених недоліків.