Чем измерить температуру расплавленного металла

Способы измерения температуры плавления металлов

Температура плавления металлов является одним из ключевых показателей и непосредственно влияет на качество полученных сплавов. Ее четкое регулирование является неотъемлемой частью производства. В данной статье, мы расскажем, как измеряется температура плавления металлов, и как это происходит.

Чаще всего температуру уже расплавленного металла измеряют при помощи термопар. Для этого оператору необходимо поместить специальный зонд в уже расплавленный метал. По большей части, точность полученной информации зависит от профессионализма оператора и состояния зонда. Если на нем застынет шлак, то результат анализа может очень сильно отличаться от реальной температуры. Данный способ не является самым современным, ему больше подойдет название «классический».

Еще одним способом измерения температуры плавления является пирометрический. Делается это с помощью теплового сенсора, вот что улавливают инфракрасное и тепловое излучение. Однако данный прибор всегда требует очень точной настройки. Она зависит от расстояния на котором находится прибор, и еще многих других факторов.

Оптический метод измерения является более современным и точным. Но и здесь существуют свои особенности. Все дело в том, что температура шлаков, которые образуются во время плавления, значительно выше, чем температура металла. Такая разница может дать совершенно неправильную информацию. Для того, чтобы измерить все очень точно, необходимо освободить определенное пространство от шлаков, и направить оптику на свободное место. Если использовать двухспектральные приборы, то измерение температуры будет значительно проще и точнее. Они обрабатывают информацию полученную от двух различных волн, соотносят ее и анализируют. В результате получаются более точные данные. Кроме того, они не так сильно подвержены влиянию пыли, газа, дыма и прочих негативных явления. Поэтому такие приборы значительно лучше подходят для работы в сложных условиях. Особенно данные приборы эффективны если они обладают функцией автоматической регистрации температуры.

Источник

Измерение и контроль температуры расплава металла

Плавление (плавка, выплавка) представляет собой тепловую обработку руды для выделения из неё металла. Процесс плавления используется для извлечения многих металлов из их руд, в том числе серебра, железа, меди и других неблагородных металлов. В ходе плавления используется тепло и химический восстановитель для разложения руды, удаления других элементов в виде газов или шлака, в результате чего остаётся металлическая основа.

Использование пирометров для измерения температуры расплавов различных металлов рекомендуется для постоянного контроля за температурой и позволяет минимизировать расход одноразовых термопар. Наиболее точно пирометр измеряет температуру расплава в струе. Но также этот метод возможно использовать для измерения температуры в ковше с необходимостью освобождения поверхности металла в ковше от шлака. Предлагаемые нами пирометры серии Термоскоп используются на многих ведущих металлургических предприятиях РФ.

Для измерения температуры расплава металла можно использовать следующие пирометры:

Стационарный пирометр:

• Диапазон измерения температуры до 2000 С
• Показатель визирования до 240:1
• Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
• Цифровой выходной сигнал RS-485

Пирометр термоскоп-800-2C

Переносной (портативный) пирометр:

Источник

Измерение температуры жидкой стали

Плавление (плавка, выплавка) — это тепловая обработка руды для выделения из неё металла. Процесс плавления используется для извлечения многих металлов из их руд, в том числе чугуна, стали, меди и других неблагородных металлов. В ходе плавления используется тепло и химический восстановитель для разложения руды, удаления других элементов в виде газов или шлака, в результате чего остаётся металлическая основа.

Использование пирометров для измерения температуры жидкой стали рекомендуется для постоянного контроля за температурой и позволяет минимизировать расход одноразовых термопар. Наиболее точно пирометр измеряет температуру расплава стали в струе. Но также этот метод возможно использовать для измерения температуры в ковше с необходимостью освобождения поверхности стали в ковше от шлака. Предлагаемые нами пирометры серии Термоскоп используются на многих ведущих металлургических предприятиях РФ.

Для измерения температуры расплава жидкой стали можно использовать следующие пирометры:

Стационарный пирометр:

• Диапазон измерения температуры до 2000 С
• Показатель визирования до 240:1
• Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
• Цифровой выходной сигнал RS-485

Пирометр термоскоп-800-2C

Переносной (портативный) пирометр:

Источник

Бесконтактное измерение температуры металлов

Почти на всех промышленных этапах производства поддержание заданной температуры является фактором, обеспечивающим технологический процесс и качество продукции. Бесконтактные инфракрасные термометры получили при этом широкую известность в качестве измерительной техники, поскольку они не оказывают влияния на объект измерения. Это касается и процесса измерения металлов.

Правильный контроль и управление температурой технологического процесса требуют качественного консультирования со стороны изготовителя или базовых знаний по измерительной технике у клиента. В данной статье приводится основная информация по важным параметрам, например, коэффициенту излучения и отражения, а также вытекающим из них ошибкам измерения. Дополнительно показывается, какое влияние они оказывают на измерение металлов, и почему здесь возможно использование надёжного и воспроизводимого бесконтактного способа измерения.

Инфракрасный спектр излучения

Если объект имеет температуру выше абсолютного нуля 0 K (–273,15 °C), то он испускает пропорциональное своей собственной температуре электромагнитное излучение. Инфракрасная спектральная область занимает при этом во всём электромагнитном спектре излучения только очень ограниченный участок. Он располагается от конца видимой спектральной области около 0,78 мкм до значений длины волны 1 000 мкм. Спектр представляющего интерес для измерения температуры инфракрасного излучения достигает диапазона от 0,8 до 14 мкм. Выше данных значений длины волны количества энергии незначительны до такой степени, что чувствительность детекторов недостаточна для их измерения.

Испускаемое объектом инфракрасное излучение проходит сквозь атмосферу и может с помощью линзы фокусироваться на детектор. Детектор генерирует электрический сигнал, соответствующий излучению. Преобразование сигнала в пропорциональную температуре объекта выходную величину осуществляется посредством усиления сигнала и последующей цифровой обработки. Измеряемая величина может отображаться на дисплее или выдаваться в качестве электрического сигнала.

Стандартные выходы для передачи измеряемых величин в системы регулирования доступны в форме линейных сигналов 0/4–20 мА, 0–10 В и в качестве сигналов термопар. Помимо этого, большинство используемых сегодня инфракрасных термометров имеют цифровые интерфейсы (USB, RS232, RS485, реле, PROFIBUS DP, шина данных CAN, Ethernet) для вывода данных, а также для прямого доступа к параметрам устройств.

Характеристика инфракрасного излучения металлических поверхностей подробнее описывается в следующих разделах. Сначала даётся краткая информация о детекторе и преобразовании сигнала в температуру объекта.

Расчёт температуры с помощью инфракрасного излучения

Будучи приёмником излучения, детектор является самым важным элементом каждого инфракрасного термометра. Вследствие поступающего электромагнитного излучения возникает электрический сигнал, который можно точно проанализировать. Сигнал детектора U и температура объекта T_{Объекта} имеют следующую взаимосвязь:

Сигнал детектора, полученный из испускаемого излучения объекта в общем спектре излучения, увеличивается пропорционально четвёртой степени абсолютной температуры объекта. Это означает следующее: если температура объекта измерения увеличивается в два раза, сигнал детектора повышается на коэффициент 16.

Поскольку необходимо учитывать вместе со степенью излучения ε объекта и отраженное излучение окружающей среды на поверхность объекта T_{Окр. ср.} и собственное излучение инфракрасного термометра T_Пиром. (C — специфичная для устройства постоянная), формула меняется следующим образом:

К тому же, инфракрасные термометры работают не в общем спектре излучения. Показатель степени n зависит от длины волны. Показатель n для длин волн от 1 до 14 мкм находится в диапазоне 17…2, у коротковолновых измерительных приборов для определения температуры металла (от 1,0 до 2,3 мкм) — между 15…17:

Температура объекта рассчитывается посредством перестановки последней формулы. Результаты расчётов для всех встречающихся значений температуры в виде семейства кривых сохраняются в памяти ЭСППЗУ инфракрасного термометра:

Инфракрасные термометры получают достаточно сигнала для измерения температуры. Исходя из уравнений видно, что наряду с областью длины волны (спектр излучения) важное значение имеет и отражённое излучение окружающей среды и коэффициент излучения, когда требуется точно определить температуру. Значение данного параметра выводится и объясняется в дальнейшем.

Модель АЧТ — важная опорная характеристика

Уже в 1900 году Планк, Стефан, Больцман, Вин и Кирхгоф дали точное определение электромагнитному спектру и установили количественные и качественные взаимосвязи для описания инфракрасной энергии. Модель АЧТ образует базу для понимания физических основ бесконтактной технологии измерения температуры и калибровки инфракрасных термометров.

С одной стороны, модель АЧТ представляет собой тело, которое поглощает всё падающее на него излучение; на нем не появляется ни отражение (ρ = 0), ни передача (τ = 0). Его коэффициент поглощения α составляет единицу. С другой стороны, модель АЧТ в зависимости от своей собственной температуры для каждой длины волны испускает максимально возможное количество энергии. Его коэффициент излучения ε также составляет единицу.

Конструкция модели АЧТ очень проста. Нагреваемое закрытое полое тело, которое на одном конце имеет небольшое отверстие. Если это тело довести до любой, но постоянной температуры, то эта полость будет находиться в температурном равновесии, и из отверстия будет выходить идеализированное излучение общего электромагнитного спектра.

Закон излучения Планка показывает основную взаимосвязь для бесконтактного измерения температуры. Он описывает специфичное спектральное излучение M λs модели АЧТ в полупространстве в зависимости от своей температуры T и рассматриваемой длины волны λ (c: скорость света, h: квант действия по Планку):

На прилагаемой диаграмме для примеров температуры показано в каждом случае в логарифмическом виде спектральное излучение M λs модели АЧТ выше длины волны λ.

Можно вывести несколько взаимосвязей. Краткая характеристика двух из них даётся далее. За счёт интеграции спектральной интенсивности излучения по всем длинам волн от нуля до бесконечности получают величину для всего испускаемого телом излучения. Эту взаимосвязь обозначают как Закон Стефана-Больцмана. Практическое значение бесконтактного измерения температуры уже пояснялось в разделе по расчёту температуры.

Второй видимой из графического изображения взаимосвязью является то, что длина волны, при которой возникает максимальная интенсивность излучения, при увеличении температуры смещается в область коротковолнового диапазона. Эта характеристика лежит в основе Закона смещения Вина и выводится путем дифференцирования из уравнения Планка.

Следовательно, высокая интенсивность излучения является основанием, но не самым важным, для того, почему металлы, имеющие высокую температуру, измеряются при коротких длинах волн. В длинноволновом диапазоне тоже имеется весьма высокая интенсивность. Наибольшее влияние оказывают коэффициент излучения и отражения, а также вытекающие из них ошибки измерения, поскольку в случае с металлом речь идёт о селективном излучателе.

Металлические поверхности в качестве селективного излучателя

В реальности едва ли тело соответствует идеалу АЧТ. На практике же поверхности излучателя используются для калибровки датчиков, которые в требуемом диапазоне длин волн достигают коэффициенты излучения до 0,99. С помощью коэффициента излучения ε (эпсилон), который показывает соотношение реальной величины излучения объекта и чёрного излучателя при одинаковой температуре, можно прекрасно измерять температуру объекта посредством измерения излучения. Коэффициент излучения при этом всегда находится между нулём и единицей; недостающая доля излучения компенсируется посредством указания коэффициента излучения.

Многие измеряемые поверхности имеют постоянный коэффициент излучения высших длин волн, но испускают по сравнению с АЧТ меньше излучения. Они называются серыми излучателями. Большое количество неметаллических материалов обладают как минимум в длинноволновой спектральной области, независимо от свойств их поверхности, высоким и относительно постоянным коэффициентом излучения.

Объекты, чьи коэффициенты излучения среди прочего зависят от коэффициента излучения и длины волны, например, металлические поверхности, называются селективными излучателями. Имеются несколько важных причин, по которым измерение металлов должно всегда выполняться в коротковолновом диапазоне. Во-первых, металлические поверхности при высоких температурах и коротких длинах измеряемых волн (2,3 мкм 1,6 мкм; 1,0 мкм, 0,525 мкм) имеют не только максимальную интенсивность излучения, но и максимальный коэффициент излучения. Во-вторых, здесь они уравниваются с коэффициентом излучения оксидов металлов, так что погрешности температуры, вызванные изменяемым коэффициентом излучения (побежалостью), уменьшаются.

Другим важным моментом, влияющим на выбор инфракрасного термометра, выполняющего измерения в диапазоне коротких волн, является то обстоятельство, что металл по сравнению с другими материалами может обладать неизвестными коэффициентами излучения. Пирометры, выполняющие измерения в диапазоне коротких волн, существенно уменьшают погрешности измерения при неправильно настроенном коэффициенте излучения.

Инфракрасный термометр optris для измерения металлов

Фирма Optris GmbH предлагает широкий выбор пирометров измерения температуры металлов и тепловизоров для разнообразных областей применения в металлообрабатывающей промышленности.

Высокотемпературные измерения металлов

Следующие инфракрасные термометры отлично подходят для измерения очень высоких температур металлов, оксидов металлов и керамики:

Низкотемпературные измерения металлов

Измерительные приборы широко используются в металлообрабатывающей промышленности и для измерений в низком диапазоне температур. Для данного случая применения фирма Optris предлагает следующие инфракрасные термометры:

Измерение температуры жидких металлов

Благодаря очень короткой длине волны измерения, следующие инфракрасные термометры наилучшим образом подходят для измерения температуры жидких металлов:

Тепловизоры для измерения температуры металлов

Тепловизоры серии optris PI могут применяться также для измерений температуры металла в следующем диапазоне:

• Инфракрасная камера optris PI 160: –20…1 500 °C*
• Инфракрасная камера optris PI 200/230 комбинирует реальное изображение и тепловую диаграмму: –20…1 500 °C*
• Инфракрасная камера optris PI 400/PI 450 для измерения минимальной разности температур : –20…1 500 °C*
• Инфракрасная камера optris PI 640 с очень высоким разрешением : –20…900 °C

White Paper Measurement of Metal (796.1 KB)

Источник

Новый метод измерения температуры расплавов металлов

На сегодняшний день проблема с измерением температуры реальных объектов с использованием тепловизоров и пирометров окончательно не решена. Широкое распространение получили односпектральные пирометры или пирометры частичного излучения. Для точного измерения в таких пирометрах необходимо устанавливать величину излучательной способности (ИС) поверхности контролируемого изделия. Но часто величина ИС неизвестна или сведения о ней неточны, вследствие чего ошиб-ка измерения может достигать десятков и сотен процентов.

Частично эту проблему можно решить, применив двухспектральные приборы. Однако, ограничения, накладываемые на ИC при проведении измерений, иногда приводят к погрешностям большим, чем у пирометров частичного излучения. Так, если ошибка в величине ИС для пирометра частичного излучения в 1% в области 1 мкм приведет к погрешности в определении температуры примерно на 0,1%, то при отклонении от линейности ИС на 1% у пирометров спектрального отношения 0,7 — 1 мкм температура будет определена с погрешностью 1,5%, т.е. в 15 раз больше. К сожалению, ИС поверхности металлов изменяется с длиной волны, что ограничивает возмож-ность использования пирометров спектрального отношения для контроля их температуры. Пирометры других типов наша промышленность сегодня серийно не выпускает.

В ряде работ отечественных и зарубежных авторов предложены методы измерения температуры расплавов металлов без знания величины ИС. Используя математический расчет, изложенный в [1], нами был разработан многоспектральный пирометр С-3000, измеряющий температуру сплавов железа в диапазоне 1200 – 1800°С.Внешний вид пирометра представлен на рис. 1.

• точность — 1%;
• разрешающую способность — 1°С;
• показатель визирования — 1:100.

Конструктивно пирометр выполнен в виде двух блоков — измерительной головки и блока индикации, которые могут быть разнесены на сотни метров. Проводилась проверка пирометра на индукционной печи. Пирометр был установлен на расстоянии 1,2 — 1,5 м под углом ≈45° к зеркалу металла. В процессе нагрева расплава одновременно регистрировалась его температура пирометром частичного излучения (1,2 мкм) и периодически погружной термопарой.

Инструментальная погрешность пирометров определялась предварительной градуировкой на модели АЧТ и составила 1%.

На рис. 2 представлены результаты измерения температуры поверхности металла при медленном разрушении окисной пленки за счет перемешивания металла.

Рис.2 Результаты измерения температуры расплава стали от времени при интенсивном перемешивании. 1 — С-3000, 2 — пирометр частичного излучения.

Показания контактного датчика соответствовали 1520°С.

Как видно из рисунка, пирометр С-3000 показывает стабильную температуру в диапазоне 1515°±10°С и температура медленно повышается до величины 1525°±5°С.

Нестабильность температуры связана с неравномерностью прогрева поверхности металла и может служить дополнительной информацией о качестве разогрева расплава. Необходимо отметить, что собственные шумы пирометра С-3000 менее 1°С. В результате измерения температуры пирометром частичного излучения в той же точке при величине ИС равном 1,0 получено значение температуры 1475°±10°С и последующее снижение ее до величины 1450°±5°С. Поверхность чистого металла имеет более низкую величину ИС и при увеличении истинной температуры, поток, излучаемый с поверхности металла, уменьшился, поэтому показания пирометра частичного излучения снизились на 25°, что привело к неправильной оценке уровня температуры. Повышение температуры на 5°С, зафиксированное пирометром С-3000, соответствует дополнительному нагреву металла, в результате которого усилилось перемешивание и произошло разрушение окисной пленки.

Рис.3 Результаты измерения температуры расплава при ипользовании функции «антидым». 1 — С-3000, 2 — пирометр частичного излучения

При измерении температуры расплава на показания пирометра определенное влияние может оказывать экранирование поверхности объекта дымом. В пирометре С-3000 введена функция «антидым», позволяющая уменьшить влияние дыма на показания пирометра и повысить достоверность результатов измерений. Результаты измерений с использованием данной функции представлены на рис. 3. Как видно из рисунка, показания пирометра С-3000 уменьшились до величины 1670°С и оставались стабильные с точностью ±3°С, в то время, как показания пирометра частичного излучения изменялись в диапазоне 1575-1615°С.

1. Разработан многоспектральный пирометр С-3000, позволяющий измерять температуру сплавов железа в диапазоне 1200°-1800°C с точностью 1% без корректировки на величину излучательной способности материала.
2. Проведены испытания многоспектрального пирометра С-3000 на индукционной печи при контроле расплава стали, которые подтверждают метрологические характеристики прибора.
3. Выполнено сравнение результатов измерения многоспектральным пирометром С-3000 и пирометром частичного излучения, показавшее значительное снижение методической погрешности при проведении измерений пирометром С-3000 и возможность его использования в условиях, когда пирометры частичного излучения применяться не могут.
4. Опробована функция пирометра «антидым», которая позволила повысить точность измерения и снизить влияние человеческого фактора на результаты контроля температуры.
5. Пирометр С-3000 снабжен электронным самописцем температуры, позволяющим документировать полученные данные, что повышает качество выполнения процесса измерения.

Библиография:
Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М.: Наука, 1982.

Источник