Выход российских предприятий на мировой рынок предъявляет повышенные требования к качеству выпускаемой продукции. В металлургической и стекольной отраслях промышленности одним из важнейших факторов, влияющих на качество, является точное задание температурных режимов технологических процессов.

Сегодня имеется большой выбор средств измерения температуры, от устоявшихся, с использованием термопар и термосопротивлений, до активно развивающихся в последнее время пирометрических приборов измерения температуры. Пирометрические методы контроля температуры в металлургическом производстве получили распространение благодаря таким преимуществам перед контактными методами, как измерение температуры на большом расстоянии, возможность измерения температуры поверхности движущихся объектов, малая инерционность и узконаправленная оптика приборов. Однако большие методические погрешности наиболее часто применяемых пирометров частичного излучения зачастую приводят к отказу от использования пирометров в реальном производстве. Основными факторами, влияющими на точность измерения, являются изменение коэффициента теплового излучения (КТИ) контролируемой поверхности, наличие дыма и паров воды в зоне измерения, переотражение от контролируемой поверхности излучения объектов с более высокой температурой.

Рассмотрим первый фактор, как наиболее сложноустранимый.

Изменение коэффициента теплового излучения контролируемого объекта может быть вызвано целым рядом причин. Если объект нагрет до высокой температуры, происходит окисление поверхности, что значительно изменяет коэффициент теплового излучения. Так КТИ железа полированного при температуре 425÷10200С составляет 0,147÷0,37 [1], а окисленного гладкого железа - 0,78÷0,8 [1], т.е. изменения значения в данном случае составляют более 100%. Коэффициент теплового излучения также изменяется при изменении температуры объекта. Для металлов он может достигать 10% на 1000 изменения температуры. Важным фактором, влияющим на изменение КТИ, является марка металла. Отличие КТИ сталей после проката марок Х16Н6 и 1Х18Н1ОТ составляет более 30% в диапазоне температур 600÷1100К. Разница значений КТИ может быть связано так же и со степенью шероховатости поверхности. Окисленная поверхность стали Х16Н6 после проката имеет КТИ на 25% больше при температуре 800 К, чем та же сталь после дробеструйки [1].

Проведенный в работах [2,3] анализ показал, что зависимость методической погрешности измерения температуры объекта от эффективной длинны волны пирометра частичного излучения существенно снижается с уменьшением величины длинны волны при заданной величине погрешности КТИ. Так на 10% отличия КТИ для пирометра с эффективной длинной волны равной 10 мкм - эта погрешность составит примерно 7%, а длинной волны 1 мкм – около 1%. Результаты расчетов зависимости погрешности определения температуры от длины волны при фиксированной погрешности КТИ представлены на рис. 1. Таким образом, путем выбора коротковолнового пирометра можно существенно снизить погрешность, связанную с зависимостью КТИ от температуры, однако разная степень окисления поверхности, разная марка металла и качество обработки приводят к изменению КТИ в 2 и более раз, а это даже для коротковолнового пирометра приводит к погрешности более 10%, что неприемлемо для большинства технологических процессов.

В данном случае требуется постоянная корректировка величины КТИ, при этом необходимо знать с высокой точностью его значение. Таким образом, пирометры частичного излучения можно рекомендовать для использования в технологических процессах, допускающих изменение КТИ в диапазоне ±10% (для λ ~1мкм).

Двухдиапазонные пирометры спектрального отношения позволяют в ряде случаев существенно снизить методическую погрешность измерения температуры поверхности металла. В частности, они почти полностью исключают погрешность, связанную с пропорциональным изменением КТИ на двух длинах волн от температуры.

Сравнивать пирометры частичного излучения и спектрального отношения по величине погрешности измерения температуры на 1% погрешности КТИ для пирометров частичного излучения, и, на туже величину 1%, но изменение величины отношения ε1/ε2 у двухдиапазонных пирометров автор считает не корректным. Хотя последняя характеризует методические погрешности пирометров спектрального отношения (рис.2).

Погрешность двухдиапазонных пирометров связана с изменением КТИ сложным образом в зависимости от значения выбранных спектров каналов измерения пирометров, от эффективной длины волны прибора, от разницы между спектрами, от величины измеряемой температуры. Для большинства промышленных пирометров спектрального отношения погрешность измерения температуры составляет 0,5÷1,3%, при погрешности в изменении отношения ε1/ε2 равной 1%. Поэтому при контроле температуры существенно разных объектов – металлов и футеровки, или чистых и сильно окисленных поверхностей металла измерения данными приборами имеют большие погрешности. Например для нержавеющей стали такие изменения отношения ε1/ε2 могут достигать 25%, что приводит к аналогичным погрешностям измерения температуры. Этот эффект сильно сказывается при измерении температуры на струе жидкого металла, или при обработке поверхности металла ковкой или резаньем. Но данный вид пирометров эффективен при прокате и при нагреве заготовок.

Использование трех спектров позволяет существенно снизить зависимость погрешности измерения от изменения величины КТИ и от изменения отношения ε1/ε2 [5].

Производимые в настоящее время трехдиапазонные пирометры фирмы «ТЕХНО-АС» позволяют компенсировать погрешности, связанные с изменением КТИ от температуры, от типа сплава, от степени его окисления и качества обработки поверхности большинства сплавов железа.

На рис. 3 представлены результаты измерения в реальных условиях температуры струи стали из ковша пирометром С-3000.1 и пирометром частичного излучения с תэф=0,9 мкм.

Как видно из рисунка колебания измеряемой температуры для трехдиапазонного пирометра в зависимости от температуры зоны контроля, формы струи, образовавшихся полостей, наличия зон с окисленной пленкой составили ±100 , в тоже время, колебания температуры у пирометра частичного излучения составили ±500.

На рис. 4 представлены результаты измерений температуры на поверхности стенки печи при разогреве заготовок.
Колебания температуры в ±200 у трехдиапазонного пирометра в 4 раза меньше, чем изменения показаний у пирометра частичного излучения эффективной с длинной волны 1,0мкм.

Необходимо отметить, что при контроле заготовок при выгрузке из печи показания обоих пирометров были стабильны и отклонения сравнимы. Что позволяет сделать вывод о возможности использования пирометра частичного излучения для контроля данного технологического процесса в случае точного знания величины КТИ.

Серия приборов С-3000 вобрала в себя основные теоретические разработки в области многодиапазонной пирометрии и имеет существенное отличие от обычных пирометров частичного излучения.

Пирометры С-3000.1, С-3000.2, С-3000.3 являются многодиапазонными пирометрами и измеряют температуру объекта в трех спектральных диапазонах с последующей обработкой сигнала. Это позволяет производить измерение температуры, как чистых сплавов железа, так и окисленной поверхности без введения поправок на коэффициент теплового излучения, чего нельзя сделать на пирометрах частичного излучения. Пирометр состоит из пирометрической головки, с встроенным оптическим беспаралаксным визиром, блока расширенной индикации и, в случае необходимости, может поставляться блок питания на 24В. Пирометры имеют узконаправленную оптику (показатель визирования 1:100) и возможность визуализации зоны расположения объекта контроля и самой области контроля. Пирометрическая головка может использоваться автономно и имеет токовый выход 4 - 20 мл (рис.5). Основные технические характеристики пирометров представлены в табл. 1.

Пирометры имеют высокую повторяемость и малый уровень шума. При работе на движущемся реальном объекте контроль отклонения измеряемой величины находятся в пределах ±10 на 8000С (рис.6). При работе на МАЧТ эти отклонения еще меньше.

Пирометр С-3000.4. разработанный в 2006 г. фирмой «ТЕХНО-АС» является пирометром спектрального отношения и имеет минимальные габариты и вес. Диаметр корпуса пирометра восставляет всего 4 см. Пирометр позволяет измерить температуру в диапазоне 700-2200 0С и выпускается в двух модификациях, с токовым выходом и выходом на блок индикации. Внешний вид пирометра представлен на рис. 7. Особенностью пирометра является возможность изменения фокуса оптической системы. Пирометр частичного излучения С-700 выпускается так же в двух модификациях, с токовым и цифровым выходами. Причем в случае токового выхода дополнительное питание пирометру не требуется.

Все приборы широко используются для контроля температур в металлургической промышленности, при производстве керамики и кирпича, при механической обработке металлов.
Возможность документирования данных, запоминание 16 000 измеренных значений, вывода их в виде графика позволяет не только круглосуточно контролировать технологические процессы, но и вести учет, например, количества плавок и разливок металла, скорости работы. График контроля температуры разлива чугуна по опокам (рис.8) наглядно демонстрирует работоспособность прибора – за 5 минут разлива он фиксирует снижение температуры чугуна почти на 100 градусов. «Провалы» температуры появляются при смене объекта замера, что можно использовать, например, при автоматическом учете проведенных работ. Контролировать температуру разлива чугуна можно практически посекундно. Это можно наблюдать на графике (рис.9), при разливе чугуна в 3-ю опоку. Все графики можно перевести в табличную форму в необходимом масштабе (временном интервале).

Таким образом, пирометрический метод контроля может успешно применяться для контроля температуры в металлургии и металлообработке. Выбор типа пирометра должен осуществляться в строгой зависимости от типа техпроцесса и преобладающих в данном техпроцессе факторов, влияющих на величину коэффициента теплового излучения.

При контроле температуры заготовок при выгрузке их из печи после предварительного разогрева могут быть использованы пирометром частичного излучения.

При изменении температуры сплавов железа разной степени окисления, вида мехобработки, разных марок и их расплавов применение трехдиапазонных пирометров серии С-3000 с автоматическим определением коэффициента теплового излучения позволяет снизить погрешность до 5 раз относительно пирометров частичного излучения.

Промышленное применение пирометров С-3000 производства фирмы «ТЕХНО-АС» подтвердило их точность и эффективность.

Литература

  1. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М., «Советское радио», 1978.
  2. Сергеев С.С. Анализ погрешности при пирометрическом методе контроля температуры. Материалы второй Всероссийской конференции по проблемам термометрии. Обнинск, 2004.
  3. Инфракрасная термография в энергетике. Том 1. Основы инфракрасной термографии./ А.В. Афонин, Р.К. Ньюпорт, В.С. Поляков и др. Под ред. Р.К. Ньюпорта, А.И. Татжибаева. – СПб.: Изд. ПЭИПК, 2000. -240с.
  4. Temperature Errors Caused By 1% Emissivity Change. Рекламные материалы. MIKRON, 2002.
  5. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М.: Наука, 1982.
  6. Сергеев С.С. Новый метод измерения температуры расплавов металлов. Наука и технологии в промышленности. № 1, 2003.
  7. Сергеев С.С. Комплексное решение вопросов измерений с использованием приборов фирмы ООО «ТЕХНО-АС».Новости электротехники, 2003.
  8. Материалы сайта www.technoac.ru


Рис. 1. Зависимость относительной погрешности определения температуры (U1,%) от эффективной длины волны пирометра (λ, мкм) при заданной величине погрешности КТИ 1% и температуре 1000°С.

Рис. 2. График зависимости погрешности определения температуры от величины измеряемой температуры для пирометров спектрального отношения 0,7-1,2 мкм при изменении КТИ на 1% [4].

Т, °С
t, c

Рис. 3. Результаты измерения пирометром С-3000.1 (ряд 1) и пирометром частичного излучения с תэф=0,9 мкм, ε=1 (ряд 2) в реальных условиях температуры струи стали при розливе из ковша в зависимости от времени (сек).

Т, °С
t

Рис. 4. Результаты измерения пирометром С-3000.1 (Тистин) и пирометром частичного излучения с תэф=1,0 мкм, ε=1 (Т3) в реальных условиях температуры при сканировании поверхности стенки печи в процессе разогрева заготовок.

Таблица 1.

Технические характеристики:


1

Диапазон измеряемых температур, °С
С-3000.1
С-3000.2
С-3000.3

1200…1800
800…1200
900…1400

2

Количество спектральных интервалов

3

3

Спектральный диапазон, мкм

0,6...2,4

4

Предел допускаемой относительной погрешности, %

± 1

5

Время установления показаний, с

0,5

6

Показатель визирования

1:100

7

Цена единицы младшего разряда, оС

1

8

Напряжение питания измерительной головки, В

17 … 24

9

Напряжение питания блока индикации, В

220

10

Габаритные размеры ИГ, не более, мм

300 х 150 х 120

11

Объем памяти самописца, ячеек

16000

12

Минимальное расстояние до объекта, м

1,2

13

Интервал записи в память, с

0,5…3600

 

Рис. 5. Структура обмена информационными данными

Т, °С

Рис. 6. Изменение температуры на поверхности движущегося металла.

Рис. 7. Пирометр С-3000.4.

Рис. 8. График контроля температуры разлива чугуна по опокам.

Рис.9. График контроля температуры при разливе чугуна в 3-ю опоку.

Сергеев Сергей Сергеевич,
Генеральный директор ООО «ТЕХНО-АС», г. Коломна