СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЖИДКОЙ СРЕДЫ Российский патент 1996 года по МПК G01K11/06 G01K11/00 

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для контроля температуры различных жидких сред в широком температурном диапазоне.

Известен способ измерения температуры жидкой стали в плавильных печах по времени расплавления материала эталонного объекта в виде стального стержня /I/.

Недостатками известного способа являются низкие точность и достоверность измерения из-за визуального контроля расплавления стержня по моменту всплытия соединенного с ним шамотного блока, невозможного для многих жидких сред (например, при конвертировании стали, где имеют место высокая запыленность газовой среды и сильное перемешивание расплава).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения температуры жидкой стали по ходу кислородно-конвертерного процесса, включающий введение в среду эталонного объекта в виде присадки карбонатсодержащего материала, непрерывную регистрацию газа, выделяющегося после этого введения, и измерение интервала времени t от момента введения в среду эталонного объекта до момента регистрации заданного уровня концентрации выделяющегося газа, с последующим определением искомой температуры Т по градуировочной зависимости Т f(t), полученной для эталонного объекта в таких же что и при измерении, условиях по используемому оборудованию и гидродинамическому состоянию жидкости, в рабочем диапазоне температур 1550 - 1700^oС /2/.

К недостаткам известного способа относятся:
необходимость введения присадки очень большого веса (около 0,5 т. и более) для того, чтобы выделяющийся газ (СО₂) мог быть зарегистрирован на фоне газовой среды, сопутствующей конверторному процессу, в которой концентрация СО₂ может достигать 40 об.

влияние на точность измерения температуры, состава и влажности присадки;
непригодность материала присадки для жидких сред, отличных по составу и температуре от стали, выплавляемой в конвертере.

Техническим результатом, получаемым от использования изобретения, является расширение диапазона исследуемых жидких сред при обеспечении высокой точности и достоверности измерения.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе измерения температуры эталонный объект выполняют в виде герметичного конвейера, заполненного газом, не взаимодействующим с жидкой средой и материалом контейнера, и доведенного перед введением в среду до той же заданной температуры То, до которой контейнер был доведен при градуировке, при этом толщину и материал стенки контейнера, разрушаемой в результате взаимодействия ее материала с жидкой средой, выбирают так, чтобы в контролируемом диапазоне температур выполнялось условие

где: ΔT_и абсолютная величина заданной погрешности измерения температуры жидкой среды в контролируемом диапазоне температур; ΔT_г - абсолютная величина погрешности измерения температуры жидкой среды в контролируемом диапазоне температур прибором, используемым при градуировке;
Δt- максимальное из полученных эмпирически на статистически представительной выборке для каждого значения Т, используемого при градуировке, абсолютных величин разброса значений t, при этом ΔT_и, ΔT_г и Δt соответствуют одному и тому же заданному уровню доверительной вероятности.

В частном случае использования контейнер (или его стенка) может быть изготовлен из контролируемой жидкой среды, охлажденной до перевода в твердое состояние.

Время t складывается из времени нарушения герметичности контейнера (составляющая, которая при фиксированном материале стенки зависит от температуры жидкости Т), а также из времени подачи на анализ газа, выделяющегося из жидкости, и времени его анализа. Последние две составляющие не зависят от Т и в процессе калибровки и при измерении поддерживаются постоянными, в соответствии с требованием проведения всех измерений в одинаковых условиях, что на практике, при использовании одного и того же газоаналитического оборудования, выполняется автоматически.

В предложенном способе измерения температуры используется фактическая зависимость времени t нарушения герметичности контейнера от температуры жидкой среды. Механизм разрушения стенки контейнера может быть любой: плавление, химическое взаимодействие с жидкостью, растворение стенки. Может иметь место комбинация типов разрушения.

Выполнение контейнера из самой жидкой среды, предварительно замороженной, устраняет изменение химического состава контролируемой жидкости.

Индикатором момента нарушения герметичности контейнера является момент появления на заданном уровне концентрации газа, который заполнял контейнер перед введением в жидкость.

Доведение контейнера (перед введением в жидкость) до заданной температуры Т_о (той же, что и при градуировке) вызвано тем, что неопределенность начальной температуры контейнера при всех прочих равных условиях приведет к разбросу времени его разрушения, и, следовательно, к повышению погрешности измерения.

Осуществление способа поясняется на примере измерения температуры стали при ее производстве в конверторе.

Диапазон измерения температуры (рабочий диапазон): 1510 ^oC 1575^oС.

Погрешность измерения ΔT_и 12^oС (при доверительной вероятности более 0,95).

В качестве материала разрушаемой стенки контейнера была выбрана сталь. Газ, заполняющий контейнер ксенон.

При получении градуировочной зависимости Тf(t) в диапазоне температур стали 1510 1575^oС измерение температуры стали осуществлялось с помощью платино-родиевой термопары. Погрешность измерения температуры при доверительной вероятности 0,95 не превышала 4,2 ^oС. То есть, ΔT_г 4,2^oС. Регистрация ксенона, выходящего из контейнера при его разгерметизации и выносимого конвертерными газами из конвертера в газоход, осуществлялась с помощью масс-спектрометрической системы ФТИАН-3, которая обеспечивала подачу отходящего газа из газохода конвертера на анализатор (аналитическую стойку), входящий в состав системы, и экспрессный анализ этого газа. Длительность цикла газового анализа составляла 0,5 с. Время транспортировки (подачи) газа от расплава до анализатора системы ФТИАН-3 составляло 18 с. Начальное значение Δt было принято равным 0,5 с (т.к. длительность цикла анализа составляла 0,5 с). Таким образом, ΔT_и 12^oС, ΔT_г = 4,2^°C, Δt = 0,5 с.
С помощью условия
было определено, что для того, чтобы ΔT_и не превышала 12^oС, значение для градуировочной зависимости Т f(t) в рабочем диапазоне температур должно быть более или равно:
Для выбора толщины эталонной стенки контейнера использовались значения скорости расплавления стали при температуре 1510^oС и 1575^oС, соответственно, 40 мм/мин и 230 мм/мин определенные по графику. Этот график по концентрации углерода соответствует расплаву стали в конвертере, где при температуре стали выше 1510^oС концентрация углерода ниже 0.9 Учитывая сильное "кипение" и барботирование стали в конвертере во время ее продувки кислородом, эти значения были увеличены в 10 раз (что соответствует самому крайнему случаю, приводящему к максимальному оценочному значению толщины эталонной стенки). Таким образом, оценочные значения скорости таяния (разрушения) эталонной стенки контейнера из стали, для температуры стали 1510^oС 40 мм/мин 0,67 мм/с; для температуры стали 1575^oС 230 мм/мин 3,83 мм/с. Время разрушения эталонной стенки контейнера t_р можно оценить по формуле t_p h/V_p, где h толщина стенки, V_p- скорость разрушения.

Учитывая, что ∂t/∂T≈∂t_p/∂T, имеем ∂t/∂T = h•[∂(1/V_p)/∂T]
Используя оценочные данные для V_p при температуре стали 1510^oС и 1575^oС, можно получить числовое оценочное значение Для ∂(1/V_p)/∂T для рассматриваемого диапазона, которое равно:
Таким образом, h•0.019≥0,064 с/^oС.

Отсюда: h≥3,4 мм.

Учитывая это, были изготовлены конвейеры в виде капсул, толщина разрушаемой стенки которых составляла 5 мм. Разброс толщины разрушаемой стенки для всех капсул не превышал 0,1 мм.

При этом использовалась одна и та же аппаратура (модернизированная система ФТИАН-3). Характеристики конвертера и аппаратуры, существенные для реализации способа, во время калибровки и измерений не менялись.

Гидродинамическое состояние стали в конвертере на всех плавках при калибровке и измерении температуры было одинаково, что обеспечивалось одним и тем же режимом продувки кислородом. Температура капсул T_о была равна температуре окружающего воздуха и составляла для всего цикла измерений 23^oС±2^oС. При получении данных для построения градуировочной зависимости в расплав стали во время плавки вводились одновременно три контейнера (три для определения среднего значения , используемого для построения калибровочной зависимости, а также для оценки Δt). После введения капсул с помощью системы ФТИАН-3 осуществлялась непрерывная регистрация ксенона в отходящих конвертерных газах. Через некоторое время после погружения контейнеров (складывающегося из времени их нагревания в расплаве, времени разрушения их эталонной стенки, приводящего в момент разгерметизации контейнера к поступлению ксенона от каждой капсулы отдельно в отходящие конвертерные газы, времени подачи отходящих конвертерных газов от расплава до аналитической стойки системы ФТИАН-3 (газоанализатора) и времени анализа газов регистрировались кратковременные повышения концентрации ксенона (всплесни, пики), каждое из которых соответствовало разгерметизации отдельного контейнера.

Для каждого из трех пиков концентрации ксенона определялся момент времени, соответствующий максимальному уровню концентрации ксенона, затем определялось время от момента введения контейнеров в расплав до момента регистрации, соответствующего максимуму уровня концентрации ксенона в пике. С помощью полученных трех значений t (t₁, t₂, t₃) определялось среднее значение и оценивался разброс значений t относительно среднего , соответствующей доверительной вероятности 0,95, по формуле
, где i=1,2,3
Для окончательной проверни соответствия предложенного способа исходному требованию к точности измерения температуры стали (ΔT_и 12^oС) в выражение подставлялось уточненное при градуировке значение Δt, равное 1,1 с и минимальное значение (в диапазоне 1510 1575^oС, определенное по градуировочной зависимости. В рассматриваемом случае значение (одинаково для всего диапазона, т.к. зависимость Т f (t), как следует из данных по градуировке, хорошо аппроксимируется линейной зависимостью.

Левая часть неравенства (I):
Правая часть неравенства (1):
Δt/T_и-T_г =1,1/12-4,2 = 0,14 c/^°C.
Из этих данных следует, что условие (1) выполняется.

При измерении температуры стали в расплав погружался один контейнер с ксеноном. Результаты измерения температуры Т стали по фактическому значению t приведены в таблице, где также приведены значения t и Т_п "паспортные" значения температуры стали, полученные с помощью термопары, используемой при градуировке, а также Δ Т Т_п отклонение результатов измерения температуры стали предлагаемым способом от "паспортных" значений.

Для всех проведенных измерений погрешность D не превышает 11^oС. ТТТ1

Сущность изобретения: в жидкую среду вводят эталонный объект в виде герметичного контейнера, заполненного газом, не взаимодействующим со средой и материалом контейнера. Перед введением в среду эталонный объект доводят до той же температуры, что и в градуировочном опыте. Искомую температуру определяют по градуированной зависимости T= f(t), где t - время от момента введения контейнера до момента регистрации заданного уровня концентрации газа, выделяющегося из контейнера при разрушении его стенки в результате взаимодействия материала стенки с жидкой средой. Материалом контейнера (или его стенки) может служить исследуемая жидкая среда в твердом состоянии (например, замороженная). 1 з.п. ф-лы.

1. Способ измерения температуры жидкой среды, включающий введение в среду эталонного объекта, непрерывную регистрацию выделяющегося после этого введения газа, определение искомой температуры Т с использованием времени t от момента введения эталонного объекта до момента регистрации заданного уровня концентрации выделяющегося газа по градуировочной зависимости Т=f(t), полученной в контролируемом диапазоне температур для эталонного объекта в таких же, как и при измерении, условиях по используемому оборудованию и гидродинамическому состоянию жидкости, окружающей эталонный объект, отличающийся тем, что эталонный объект выполняют в виде герметичного контейнера, заполненного не взаимодействующим с жидкой средой и материалом контейнера газом, и доведенного перед введением в среду до той же заданной температуры Tо, до которой контейнер был доведен при градуировке, при этом толщину и материал стенки контейнера, разрушаемой в результате взаимодействия ее материала с жидкой средой, выбирают так, чтобы в контролируемом диапазоне температур выполнялось условие

где ΔTи абсолютная величина заданной погрешности измерения температуры жидкой среды в контролируемом диапазоне температур;
ΔTг абсолютная величина погрешности измерения температуры жидкой среды в контролируемом диапазоне температур прибором, используемым при градуировке;
Δt максимальное из полученных эмпирически на статистически представительной выборке для каждого значения Т, используемого при градуировке, абсолютных величин разброса значений t, при этом ΔTи, ΔTг и Δt соответствуют одному и тому же заданному уровню доверительной вероятности. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для изготовления контейнера используют исследуемую жидкую среду в твердой фазе.