Эффективное применение способов пирометрических измерений в производстве строительных материалов

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 691:536.5

А.И. Самсонов, И.А. Самсонов

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

ЭФФЕКТИВНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СПОСОБОВ ПИРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Использование предлагаемых различными фирмами пирометров может быть рекомендовано для весьма узких задач. При этом нужна информация о коэффициенте черноты для введения поправок к измеренной оптической температуре тем или иным способом. Предложенный автором метод преобразования спектральных яркостей для различных длин волн позволил создать универсальное измерительное устройство, значительно снижающее погрешность. Рассмотрен способ амплитудно-временного логарифмического преобразования пирометрических сигналов на едином блоке электроники, что позволяет решить широкий круг задач пирометрии в технологических процессах.

Ключевые слова: строительные материалы, тепловые процессы, теплофизические свойства, температура, пирометрия, спектральная яркость, коэффициент черноты, методическая погрешность, преобразование сигнала.

При производстве строительных и конструкционных материалов, таких как различные сорта стали, алюминия, стекла измерение и контроль температуры приходится производить бесконтактными способами, так как технологические процессы объектов измерения чаще всего не допускают контакта с ними. Например: плавка, варка, прокат, эскструзия, ковка, отжиг и т.д. При этом под измерением температуры мы понимаем получение результатов по Международной практической шкале температур, а под контролем температуры — процесс высокоточных измерений изменения температуры в течение технологического процесса, без привязки к Международной практической шкале. Из бесконтактных методов измерения температуры наибольшее применение имеют методы оптической пирометрии, основанные на регистрации и обработке собственного теплового излучения тел.

Все известные способы пирометрических измерений можно условно разделить на три, которые нашли наибольшее практическое применение: радиационные, яркостные и цветовые.

Радиационные или интегральные методы пирометрии используют весь спектральный поток излучения и основаны на интегральном законе теплового излучения Стефана — Больцмана:

К0 = стТ4,

где ЯТ0 — энергетическая светимость абсолютно черного тела (а.ч.т.) при темпратуре Т; ст = 5,67 108 Вт/ Вт/ (м2К3) — постоянная закона Стефана — Больцмана; Т — абсолютная температура.

Как видно из формулы (1), энергетическая светимость имеет сильную зависимость от температуры, что делает метод радиационной пирометрии весьма привлекательным. Однако отсутствие широкополосных (желательно от 0 до ) по длинам волн оптики пирометров, приемников излучения, а также ограничение пропускания промежуточной среды между измеряемым телом и пирометром делает радиационный метод измерения, пожалуй, самым неточным по сравнению с другими методами. Кроме того, при измере-

© Самсонов А.И., Самсонов И.А., 2012

165

ВЕСТНИК 9/2012

нии температуры на реальном теле, имеющем поглощение меньшее, чем а.ч.т., и, следовательно, меньшее излучение, показания радиационного пирометра будут занижены, и в ряде случаев абсолютная погрешность составит десятки и сотни градусов. Радиационные пирометры годятся для контроля температуры технологических процессов.

Истинная температура Т находится по измеренной радиационной температуре Тр путем введения поправки на интегральную излучательную способность еТ по формуле Тр

Т

4 £т

Радиационный метод измерения по оценкам, приведенным в [1, 2], имеет погрешность перехода от измеренной радиационной Тр к истинной температуре из-за неточного знания степени черноты излучения всегда выше погрешностей яркостного и цветового методов. Радиационный метод преимущественно применим в инфракрасной до 10 мкм области спектра и для измерения низких и весьма низких температур вплоть до -50 °С. Ряд ведущих компаний по производству и внедрению пирометров, таких как IMPAC, SIEMENS, TESTO, ТЕХНО-АС и др., выпускают краткие наставления по эксплуатации и применению своих приборов. Причем в большинстве случаев для каждого технологического процесса приходиться применять подходящий и рекомендованный компанией пирометр, что исключает наличие универсального прибора для широкого спектра технологических процессов и материалов.

Например, одну из главных проблем бесконтактного измерения температуры алюминия представляют значительные изменения состояния его поверхности на разных этапах обработки, которые вызывают колебания коэффициента излучения [3]. Коэффициент излучения чистого полированного алюминия, например, настолько низок (примерно 0,02) во всем используемом спектре, что измерения температуры в этом случае не могут быть проведены точно с помощью обычных пирометров. В результате контакта с кислородом на поверхности алюминия постепенно образуется оксидная пленка, благодаря которой коэффициент излучения может повыситься до 0,43. Кроме этого, в зависимости от толщины оксидной пленки возникает эффект интерференции (цветные образования, подобные радужной пленке нефти на поверхности воды). В этом случае точные знания коэффициента излучения в значительной степени затрудняются, и измерения температуры могут быть проведены только на определенной длине волны спектра.

Бесконтактные измерения температуры могут использоваться и для контроля процесса производства профильных изделий из алюминия методом экструзии, что позволяет значительно улучшить качество конечного продукта. В процессе экструзии имеются три критических участка, где могут быть использованы пирометры: это предварительный нагрев заготовки, выход заготовки из пуансона, охлаждение готового профиля. После предварительного нагрева заготовки температура алюминия составляет примерно 400 °С. В данном случае лучше всего использовать пирометр одной модели (например, IGA 5). Температура алюминиевого профиля на выходе из пуансона составляет от 500 до 600 °С. На этом участке следует использовать уже другой пирометр модели IS 10-Al. Этот пирометр имеет диапазон измерения температуры от 350 до 900 °С и время отклика всего 8 мс.

Качество конечного продукта в значительной степени зависит от скорости протекания процесса охлаждения. Для контроля температуры алюминия в этом случае лучше всего использовать пирометр модели IP 140 с диапазоном измерения температуры от 50 до 400 °С. Как видно, приведенные выше рекомендации компании IMPAC требуют применения целого спектра приборов, что, очевидно, выгодно производителям.

Аналогичная ситуация происходит и при производстве и термообработке стекла. Другими словами, использование методов пирометрии невозможно без предваритель-

ного хорошего знания его оптических характеристик, т. е. без предварительных научных исследований в этой области.

Яркостные и цветовые способы пирометрии используют для измерений одну или несколько спектральных яркостей, которые получают в результате визирования теплового излучения с поверхности тела. Основным законом, описывающим тепловое излучение а.ч.т., является фундаментальная формула Планка, показывающая распределение спектральной яркости Ь° т по длинам волн в зависимости от температуры. В практике пирометрии используют формулу Вина, которую называют виновским приближением закона Планка [4]. Используя приближение Вина, можно записать для каждой спектральной яркости реального излучения в соответствующей длине волны X выражение:

f п \

КT =ел,jCiK exp

v \Т,

где С1 = 3,7413 10-16 Вт м2, С2 = 1,4388 104 мкм^К — постоянные закона Планка; &ХТ — монохроматическая излучательная способность реального тела. Измерение цветовой температуры основано на изменении спектрального состава излучения при изменении температуры, при этом берут отношение спектральных яркостей, поэтому этот метод называют иногда методом спектрального отношения. Цветовой температурой называется такая температура черного тела, при которой одинаковое отношение монохроматических интенсивностей излучения (спектральных яркостей) для двух длин волн и Х2 как для черного, так и для нечерного тел. Если эти отношения одинаковы, то цветовая температура будет равна температуре абсолютно черного тела [5]. Используя формулу Вина для черного и реального тел, после логарифмирования и сокращения имеем

Т- ГЦ-1 =— 1п

С2 рХ2

где ТЦ — цветовая температура; Л — так называемая эквивалентная длина волны цветового метода измерений, Л = (х^1 - X2,1) .

В настоящей работе рассмотрен метод пирометрических измерений с одновременным определением монохроматических излучательных способностей в трех длинах волн, основанный на методе, описанном в [6], но с использованием цветовых температур. Это значительно снижает влияние нестабильности приемника излучения и промежуточной среды. Суть предложенного метода состоит в следующем. Произведем измерение трех спектральных яркостей излучения реального тела в длинах волн Х1, Х2, Х3 с монохроматическими излучательными способностями е1, е2, е3 соответственно. Составляем три уравнения для трех пар яркостей и трех цветовых температур по формуле (4). Затем исключаем неизвестную истинную температуру Т путем вычитания из первого — второго уравнения, а из второго — третьего уравнения. Три цветовые температуры в этих уравнениях Т ТЦ2, ТЦ3 измеряем и получаем по предварительным градуировкам пирометра на а.ч.т.:

Т-1 _ Т-1 = :^1п 1п £1.

Ц2 С р ГР '

^2 2 2 3

ТЦ-1 - Тц1 = 1п -^1п ^.

Ц3 Ц2 С< с С с

2 Ь3 2 Ь3

Недостающее уравнение к системе уравнений (5—6), имеющей три неизвестные излучательные способности е1, е2 и е3, можно добавить, сформировав так называемое двойное спектральное отношение [7]. Для этого используем формулу (3) для тех же трех длин волн. После подстановки и сокращений, логарифм от двойного спектрального отношения равен:

ВЕСТНИК

9/2012

1п = 51п- ^2

ъ_

3

+ 1п ^

С2

л 4г

где Л4— эквивалентная длина волны метода двойного спектрального отношения, и

она равна:

Л 4 — X + X 3 — 2Х 2

Подбором длин, например, ^ = 0,65 мкм; = 0,83 мкм; = 1,2 мкм мы добиваемся того, чтобы эквивалентная длина волны равнялась бесконечности. Тогда последнее слагаемое в уравнении (7) становиться равным нулю. Это значит, что соответствующий пирометрический сигнал, пропорциональный логарифму отношения трех спектральных яркостей, не зависит от температуры, а зависит только от монохроматических из-лучательных способностей. Это уравнение совместно с уравнениями (5—6) образует замкнутую систему, решение которой позволяет от измеренных цветовых температур по формуле (4) переходить к истинной. Для реализации предложенного метода пирометрических измерений предложен способ амплитудно-временного преобразования электрических сигналов в блоке электроники пирометрической установки. После экспоненциального преобразования импульсов с выхода приемника излучения на уровне сравнения ио можно выделить соответствующие моменты времени и временные интервалы (рис. 1).

Рис. 1. Временная диаграмма сигналов

Логарифм отношение импульсов с приемника излучения равен соответствующим отрезкам времени:

. Ь2

К

= т 1п-Ч ти =Т2

о.

2 2 где т — постоянная времени цепи интегрирования. Полученные интервалы времени пропорциональны температурам спектрального и двойного спектрального отношения. Как следует из формул (9), предложенный метод амплитудно-временного преобразования входных спектральных яркостей позволяет на одном устройстве измерять температуру разными способами.

Для экспериментальной проверки предложенного метода измерения истинной температуры на кафедре физики МГСУ была создана установка [8], позволяющая регистрировать спектральные яркости излучения в диапазоне длин волн от 200 до 1200 нм с разрешением от 0,2 до 6 нм и в температурном интервале от комнатных температур до 1300 К с разрешением 0,5 К. Источником теплового излучения является температурная печь — это закрытая термоизолированная электропечь с отверстием на передней стене, которое моделирует «абсолютно черное тело» (а.ч.т.). Использование излучения а.ч.т. позволяет производить градуировку установки, т.е. приводить в соответствие с температурой выходной сигнал в любой длине волны. В качестве реального

2

2

излучателя в установке используется излучение хорошо известного материала, например, вольфрама (температурная лампа СИ 10-300).

Установка для проведения пирометрических исследований представлена на рис. 2.

Обтюратор ТТЛ

Спектр излучения

ПИ

£ ИЛ

РУ ИВИ

Рис. 2. Блок-схема пирометрической установки

Линейчатый спектр излучения получаем с помощью монохроматора МУМ-1 в виде полоски длиной 20 мм. При вращении обтюратора — диска с четырьмя отверстиями — передаем на приемник излучения ПИ через собирающую линзу световые потоки в трех узких спектральных интервалах с эффективными длинами волн 0,65; 0,83; 1,2 мкм. В этих длинах волн производим измерение спектральных яркостей и по ним — цветовых температур. Четвертое (самое большое) отверстие передает максимально возможный спектр, обеспечивая радиационный способ измерения для максимально возможного снижения нижней границы измерений. Как видно из рисунка, щели в обтюраторе расположены на разных радиусах, что, с учетом линейной дисперсии монохроматора, позволяет выбрать любую эффективную длину волны для измерений. Предложенная конструкция обтюратора обеспечивает формирование не одной, а нескольких троек эффективных длин волн, что позволяет применять предложенный метод пирометрии в нескольких спектральных диапазонах.

Сигналы в виде электрических импульсов с приемника излучения, в качестве которого использован фотоэлектронный умножитель ФЭУ-62, поступает в измерительную линейку ИЛ, которая подробно описана в [9]. В этом электронном блоке производится сначала экспоненциальное формирование импульсов (см. рис. 1), а затем амплитудно-временное преобразование по описанной выше методике. Полученные временные промежутки (9) поступают в блок измерения временных интервалов ИВИ, где проводится заполнение этих временных отрезков тактовыми импульсами, т.е. аналого-цифровое преобразование. Несложная предварительная обработка сигналов вышеуказанными блоками значительно упрощает последующую обработку информации с целью получения истинной температуры в регистраторе РУ в качестве которого применяем компьютер с набором необходимых программ.

Проведенные градуировки пирометрической установки на модели а.ч.т., а затем проверка методической погрешности на вольфрамовом излучателе показали, что инструментальная и методическая погрешности в диапазоне 1200...2300 К не более 1 % от измеряемой температуры.

Библиографический список

1. Гаррисон Т.Р. Радиационная пирометрия / под ред. Д.Я. Света. М. : Мир, 1964. 248 с.

2. Сергеев С.С. Новый метод измерения расплавов металлов // Наука и технологии в промышленности. 2003. № 1. С. 32—35.

3. Излучательные свойства твердых материалов / Л.Н. Латыев, В. А. Петров, В.Я. Чеховской, Е.Н. Шестаков ; под общ. ред. А.Е. Шейндлина. М. : Энергия, 1974, 472 с.

4. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М. : Наука, 1982. 298 с.

ВЕСТНИК 9/2012

5. Поскачей А.А., Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. М. : Энергоатомиздат, 1988. 248 с.

6. Самсонов А.И. Универсальная пирометрическая система // Вестник МГСУ 2011. № 4. С. 329—333.

7. Жагулло О.М. Основные термины в области температурных измерений: словарь-справочник / под ред. А.Н. Гордова. М. : Изд-во стандартов, 1992. 196 с.

8. Самсонов А.И., Самсонов И.А. Повышение точности пирометрии излучения при производстве облицовочных строительных материалов // Интернет-вестник ВолгГАСУ Сер.: Политематическая. 2011. Вып. 4 (19).

9. Самсонов А.И. Универсальная измерительная линейка // Научные труды МЛТИ. Вып. 278. М. : МЛТИ, 1978. С. 112—115.

Поступила в редакцию в июне 2012 г.

Об авторах: Самсонов Алексей Иванович — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры физики, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, samson.45@mai1.ru;

Самсонов Илья Алексеевич — соискатель, заместитель руководителя проекта, ООО «АлюТерра», г. Москва, Пресненская набережная, д. 10С, b1ackeag17@mai1.ru.

Для цитирования: Самсонов А.И., Самсонов И.А. Эффективное применение способов пирометрических измерений в производстве строительных материалов // Вестник МГСУ 2012. № 9. С. 165—171.

A.I. Samsonov, I.A. Samsonov

EFFICIENT USE OF PYROMETRIC METHODS OF MEASUREMENT IN THE PRODUCTION OF CONSTRUCTION MATERIALS

The authors argue that the use of pyrometers can be recommended for a limited number of tasks. The method of spectral brightness conversion proposed by the authors serves as the founding principle of a universal measuring device that has a low rate of errors. This method is effective at different wavelengths.

The number of errors is reduced two-fold: first, the number of instrument-related errors is reduced through increasing the sensitivity of the pyrometer and identification of the finest pyrom-etry ratio. Second, the authors suggest using, at least, three effective wavelengths to register the spectral brightness. Moreover, the authors believe that the reduction of the systematic error of the measured optical transition temperature designated for the derivation of its genuine values requires the right choice of an effective wavelength so that the equivalent wavelength of the double spectral ratio became infinitely big. This methodology makes it possible to derive an independent pyrometry equation to identify unknown emissivity factors within three wavelengths. Thus, the pyrometric system does not only take different temperature measurements, but also serves for the simultaneous determination of monochromatic emissive power in the online mode, which is essential for the purposes of taking measurements in the course of production of construction materials.

Key words: construction materials, thermal processes, physical properties, temperature, py-rometry, spectral brightness, emissivity, methodical error, signal conversion.

References

1. Garrison T.R., edited by D.Ya. Svet. Radiatsionnaya pirometriya [Radiation Pyrometry]. Moscow, Mir Publ., 1964, 248 p.

2. Sergeyev S.S. Novyy metod izmereniya rasplavov metallov [New Method of Metal Melt Measuring]. Nauka i tekhnologii vpromyshlennosti [Science and Technologies in the Industry]. 2003, no. 1, pp. 32—35.

3. Latyev L.N., Petrov V.A., Chekhovskoy V.Ya., Shestakov E.N., edited by A.E. Sheyndlin. Izluchatel'nye svoystva tverdykh materialov [Emitting Properties of Solid Materials]. Moscow, Energiya Publ., 1974, 472 p.

4. Svet D.Ya. Opticheskie metody izmereniya istinnykh temperatur [Optical Methods of Measuring True Temperatures]. Moscow, Nauka Publ., 1982, 298 p.

5. Poskachey A.A., Chubarov E.P. Optiko-elektronnye sistemy izmereniya temperatury [Optoelectronic Systems of Temperature Measurement]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1988, 248 p.

6. Samsonov A.I. Universal'naya pirometricheskaya sistema [Universal Pyrometric System]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 4, pp. 329—333.

7. Zhagullo O.M., edited by A.N. Gordov. Osnovnye terminy v oblasti temperaturnykh izmereniy [Basic Temperature Measurement Terms]. Moscow, Izdatel'svo standartov publ., 1992, 196 p.

8. Samsonov A.I., Samsonov I.A. Povyshenie tochnosti pirometrii izlucheniya pri proizvodstve oblitsovochnykh stroitel'nykh materialov [Improving the Accuracy of Emission Pyrometry in the Manufacturing of Facing Construction Materials]. Internet-vestnik VolgGASU [Internet Bulletin of VolgGASU]. Multidisciplinary Series. 2011, no. 4 (19).

9. Samsonov A.I. Universal'naya izmeritel'naya lineyka [Universal Measuring Scale]. MLTI Scientific papers, 1978, vol. 278, pp. 112—115.

About the authors: Samsonov Aleksey Ivanovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Assistant Professor, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaro-slavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; samson.45@mail.ru;

Samsonov Ilya Alekseevich — volunteer postgraduate student, Deputy Project Manager, Ltd AluTerra Limited Liability Company, 10S Presnenskaya Emb., Moscow, 123317, Russian Federation; blackeagl7@mail.ru.

For citation: Samsonov A.I., Samsonov I.A. Effektivnoe primenenie sposobov pirometricheskikh izmereniy v proizvodstve stroitel'nykh materialov [Efficient Use of Pyrometric Methods of Measurement in the Production of Construction Materials]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 9, pp. 165—171.