СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТРАЖАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА Российский патент 1998 года по МПК G01J5/00 

Изобретение относится к промышленной энергетике, в частности к металлургическим и химико-технологическим высокотемпературным агрегатам и печам.

Известен способ бесконтактного измерения температуры отражающей поверхности твердых тел пирометром излучения, при котором для устранения влияния отраженного от поверхности потока излучения, так называемого, фонового излучения, применяют второй пирометр, наведенный на поверхность фона-обмуровки [1. с. 215 - 216]. Вместо второго пирометра применяют также измерение температуры поверхности обмуровки (кладки) термопарой [2, с. 79 - 80]. При этом для устранения экранирующего влияния селективно-поглощающей газообразной среды (водяной пар, диоксид углерода и т.д.) применяют светофильтры, обеспечивающие прохождение излучения от поверхности тела к приемнику излучения пирометра в одном из окон прозрачности газов, т.е. измерения проводят в монохроматическом варианте при определенной длине волны.

Недостатком этого способа является то, что фактически приемник излучения воспринимает при этом собственное монохроматическое излучение тела E^λ,, равное
E^λ = ε^λEλ0

,
где:
ε^λ - спектральная степень черноты тела при длине волны λ ;
Eλ0 - плотность потока монохроматического излучения абсолютно черного тела при длине волны λ.

Для получения температуры тела Т, входящей в величину Eλ0

(формула Планка)

необходимо предварительно задаваться величиной степени черноты поверхности тела ε_λ, кроме того, в случае метода двух датчиков, кроме степени черноты измеряемой поверхности, для более точного определения температуры, необходимо задаваться степенью черноты кладки, либо подбирать такое место расположения пирометра (или термопары), чтобы при этом величина теплового потока измеряемого пирометром или термопарой соответствовала бы величине падающего на поверхность, температура которой измеряется, теплового потока [2] .

Так как заранее определить и задать спектральные степени черноты измеряемой поверхности и кладки весьма затруднительно из-за сложности лабораторных опытов и изменяющейся в процессе эксплуатации состояния поверхностей (окисление, науглероживание, оплавление т. д.), то это приводит к существенным погрешностям в измерении температур.

Известны также способы компенсации влияния степени черноты поверхности на измерение ее температуры путем измерения при двух длинных волн спектра излучения [3, с.128]. Однако при этом с достаточной точностью влияние степени черноты скомпенсировать не удается, так как приходится определять отношение спектральных степеней черноты при двух длинах волн (метод определения "цветовой" температуры). В случае селективного излучения поверхности материала при этом возникают соответствующие погрешности в измерении температуры.

Известен также способ коррекции показаний пирометра на степень черноты [4], однако при этом применяют лазерное излучение, что требует установки источника и приемки лазерного луча. Это существенно усложняет схему измерения, а свойства по степени черноты и отражательной способности для когерентного лазерного излучения в направлении луча визирования и диффузного излучения, которое имеет место в печах, могут не совпадать, что приводит к ошибкам в измерении.

Таким образом, известен способ измерения температуры поверхности заготовок в нагревательной печи [1, с. 215 - 216], который наиболее близок к предлагаемому техническому решению и выбран в качестве прототипа. При этом одновременно измеряются падающие и эффективные потоки излучения при длине волны спектра излучения газов, соответствующей прозрачности печной атмосферы. При этом также рекомендуют предварительно определять места установки датчиков падающего потока излучения, которые находятся по результатам математического моделирования [2, с. 79 - 80]. Известный способ включает в себя визирную фурму, устанавливаемую на своде или боковых стенах печи, квазимонохроматический пирометр, работающий в определенном спектральном диапазоне, вычислительный блок, а также датчики падающих потоков, например, радиационный пирометр, визируемый на боковые стены или свод печи, или термопару, установленную в своде печи.

Недостатком этого способа является низкая точность измерения температуры, так как в реальных технологических и энергетических установках поверхности обладают отчетливо выраженными селективными свойствами излучения, а в этом способе требуется заранее определять и задавать степени черноты поверхности. Так как в процессе измерений этой степени черноты могут изменяться, то это приводит к существенным погрешностям в измерении температуры. Кроме того, место установки термопар-датчиков падающих потоков излучения определяется по результатам математического моделирования, при этом результаты моделирования будут существенно зависеть от задаваемых спектральных свойств излучающей поверхности.

Целью изобретения является увеличение точности бесконтактного измерения температуры поверхности в случае селективных свойств излучения анализируемой поверхности и поверхности обмуровки (кладки).

Указанная цель достигается тем, что с помощью пирометра излучения свизированного на поверхности излучения определяется спектральная плотность потока эффективного излучения при длине волны спектра излучения в окне прозрачности селективно-поглощающих газов (например, при λ = 0,65, 1,68 или 2,19 мкм).

При этом пирометр, свизированный на анализируемую поверхность в точке N, регистрирует спектральную плотность потока эффективного излучения Ελэф

при длине волны λ:
Ελэф.1= ελпEλ0(T_п)+(1-ελп)Eλпад.п,
где
ελп - спектральная степень черноты поверхности;
Eλ0(T_п) - спектральная плотность излучения а.ч.т., соответствующая температуре тела T_п;
Eλпад.п - спектральный падающий на поверхность поток излучения от кладки и самой поверхности.

Величина Eλпад.п

на поверхность определяется при той же длине волны радиометром полусферического излучения, установленными вблизи поверхности. Кроме того, вторым радиометром полусферического излучения при той же длине волны λ, установленным на поверхности кладки (обмуровки), определяется величина спектральной плотности падающего на обмуровку потока излучения Eλпад.к
Величины Eλпад.п и Eλпад.к раскрываются через неизвестные величины в данном способе следующим путем. При этом, как это обычно принимается, можно рассматривать излучающую систему из трех тел - поверхность 1, кладка 2 и среда 3 (фиг. 1), известную как систему "газ-кладка-металл" [5], пренебрегая влиянием соседних рабочих зон. В связи с тем, что измерения проводятся в окнах прозрачности, фактически система сводится к системе из двух тел поверхности 1 и кладки 2. В этих условиях величины Eλпад.п и Eλпад.к определяются по соотношениям (если пренебречь измерением температуры по поверхностям или считать температуры материала T_п и кладки T_к представительными для рассматриваемых поверхностей, т.е. среднезольными)

где
fλпк, fλпп, fλкп и fλкк - селективные локальные разрешающие коэффициенты излучения соответственно поверхности материала на кладку, с поверхности материала на поверхность материала, с кладки на поверхность материала и с кладки на кладку;
Eλ0(T_к) - спектральная плотность излучения а.ч.т., соответствующая температуре кладки T_к.

При известной геометрии среды разрешающие угловые коэффициенты определяются известными методами, например методом Монте-Карло, другими упрощенными методами [1, 5, 6]. Например, в системе из двух тел 1 и 2 (п и к) разрешающие угловые коэффициенты могут быть найдены через геометрические
В этих уравнениях величины ϕλij

представляют собой геометрические угловые коэффициенты, которые определяются из чисто геометрических соотношений [6].

Кроме того, используется второй пирометр спектрального излучения 6, визированный на точку M кладки 2 (фиг. 1). Измерения этим пирометром проводятся при той же длине волны, что и пирометром 4 в окне прозрачности спектра газового излучения.

Величина спектральной плотности потока эффективного излучения, фиксируемого вторым пирометром 6, равна
Eλэф.2

= ελкEλ0(T_к)+(1-ελк)Eλпад.к.
Это уравнение является дополнительным к системе предыдущих уравнений для определения неизвестных величин T_п,ελп,ελк,T_к.
В представленной системе уравнений для Eλэф.1,Eλпад.п,Eλпад.к,Eλэф.2 имеются четыре неизвестные T_п,ελп,ελк,T_к и при известных разрешающих угловых коэффициентах излучения fλij эти неизвестные могут быть определены. В свою очередь разрешающие угловые коэффициенты при известных угловых коэффициентах ϕλij определяются из системы представленных четырех уравнений. Так как неизвестные величины ελп и ελк входят в уравнения для fλij , то все эти уравнения должны решаться в единой системе. Решение проводится на ЭВМ известным итерационным методом [6, 7].

Отметим, что в случае известного значения ελк

система уравнений может быть уменьшена и можно в этом случае исключить, например, измерение падающего теплового потока на поверхность материала.

Кроме измерений радиометром полусферического излучения, величину падающего на материал теплового потока Eλпад.п

можно определить, так как это предложено в [2] - по показаниям термопары, установленной в кладке 5 или радиационного пирометра, визированном на кладку 6 (фиг. 2), если предварительно определить место их установки по результатам математического моделирования теплообмена в рабочем пространстве печи. В случае установки термопары 5 в кладке 2 и непосредственном измерении температуры кладки T_к система уравнений также может быть уменьшена и можно в этом случае исключить измерение плотности потока эффективного излучения от кладки Eλэф.2 .

В случае отсутствия обмуровки, например, при открытом металле для определения T_п и ελп

достаточно определить эффективный поток от металла пирометром 1 и падающий поток от металла в точке M радиометром полусферического излучения. В этом случае для определения падающего потока применяется уравнение в записи через локальный разрешающий угловой коэффициент излучения fλмп с точки M на поверхность П.

Eλпад.м

= fλмпEλ0(T_п),
Уравнение для потока излучения на пирометр 1 в этом случае
Eλ1 = ελпEλ0(T_п).
Величина
fλмп= ελпϕλмп+(1-ελп)ϕλмпfλпп,,
где:
fλпп - спектральный разрешающий угловой коэффициент с поверхности на поверхность.

Величины ϕλмп

и fλпп = ϕλпп находятся из геометрических соображений.

На фиг. 2 представлено устройство, реализующее предлагаемый способ. Оно содержит пирометр 4, визированный через визирную фурму 13 на поверхность материала (точка N), температура которой измеряется. Пирометр 6, визированный через визирную фурму 13 на представительную точку M поверхности 2 кладки, радиометры полусферического излучения 7 и 8, установленные соответственно в своде 2 и над поверхностью материала, интерференционные светофильтры 9 с длиной волны 0,5; 1,69; 2,19 или 3,9 мкм, вычислительный блок 10, блок банка данных 11 и блок отображения информации 12.

Устройство работает следующий образом.

Спектральный поток эффективного излучения по лучу визирования Eλэф.1

попадает к пирометру 4. Спектральный поток эффективного излучения по лучу визирования Eλэф.2 попадает к пирометру 6. Сигналы с выходов пирометров 4 и 6 попадают на вход вычислительного блока 10. Кроме того, на вход вычислительного блока поступают показания радиометров полусферического излучения 7 и 8 в виде спектральных потоков падающего излучения на поверхность и кладку Eλпад.п и Eλпад.к. На вход блока 10 поступают и данные блока 11. В блоке 11 содержатся данные о геометрии системы (площади поверхностей и угловые коэффициенты излучения ϕλij).
В вычислительном блоке численным методом путем итерации решается относительно неизвестных величин T_п,ελп,ελк,T_к система следующих уравнений:
.

В уравнениях Eλ0

(T) находятся по формуле Планка при температуре T и длине волны λ
.

Угловые коэффициенты излучения, входящие в последние четыре уравнения ϕλпк

, ϕλпп, ϕλкк и ϕλкп определяются, заранее исходя из геометрии излучающей системы известными методами (например, методом натянутых нитей, параллельных плоскостей, Монте-Карло и т.д.). Данные об этих величинах содержатся в блоке 11. Данные о ходе вычислительного процесса и окончательных результатах выдаются на дисплей (блок 12).

В данном устройстве радиометр полусферического излучения 8 может отсутствовать, если для определения падающего на материал потока излучения предварительно определить место установки термопары 5 по данным математического моделирования.

Также может отсутствовать пирометр 6, если температуру кладки T_к измерить непосредственно термопарой 5.

В случае, если поверхность кладки 2 отсутствует, поверхность 1 открыта. При этом пирометр 6, термопары 5 и радиометр 8 отсутствуют. Измерения проводятся при длине волны пирометром 6 и радиометром 2. От пирометра 6 показания в виде собственного излучения поверхности Eλ1

и от радиометра 7 показания в виде потока полусферического излучения в точке M пространства Eλпад.м подается в вычислительный блок 11. При этом в блоке 11 решается система уравнений
Eλ1 = ελпEλ0(T_п),
Из этой замкнутой системы находятся величины T_п и ελп . Величины угловых коэффициентов ϕλмп и fλпп = ϕλпп находятся из геометрических параметров системы и хранятся в блоке банка данных 11, поступая при этом решении системы уравнений в вычислительный блок 10.

В этом месте одновременно с температурой поверхности материала определяются спектральные степени черноты материала и кладки ελп

и ελк при длине волны.

Применение данного способа при измерении температуры поверхности особенно эффективно при сравнительно малых значениях степени черноты поверхности ελп

. Особенно это характерно при нагреве цветных металлов, при нагреве черных металлов в защитных средах. Значительные уточнения вносит предлагаемый способ в определение температуры поверхности при изменяющихся в процессе тепловой обработки степенях черноты поверхностей (окисление, обезуглероживание и т. д.). В этом случае задать заранее значения степени черноты при определенной температуре не представляется возможным и ошибки измерений при использовании ранее известных способов могут быть очень велики. Оценки показывают, что учет при измерениях степеней черноты поверхностей материала и кладки позволяет повысить точность измерения температуры на 20 - 30^oC в диапазоне величин 800 - 2000^oC.

Источники информации
1. Лисиенко В. Г., Волков В.В., Маликов Ю.К., Улучшение топливоиспользования и управления теплообменом в металлургических печах. М.: Металлургия, 1988, 230 с. (с. 215 - 216).

2. Гончаров А. Л., Лисиенко В.Г., Резник И.М., Использование математической модели плазменной печи для разработки АСУ ТП нагрева металла. Известия вузов, Черная металлургия, 1991, N 4 (с. 77 - 81), (с. 79 - 80).

3. Топперверх Н. И., Шерман М.Я., Теплотехнические измерительные и регулирующие приборы, М.: Металлургиздат, 1956, 606 с. (с. 128).

4. Veaple F. Laser - Set hot pyrometer corrects for emissivity, Design News/12-2-85/95, 1985, т. 41, N 23, p. 94 - 95.

5. Лисиенко В.Г., Интенсификация теплообмена в пламенных печах. М.: Металлургия, 1979, 224 с.

6. Лисиенко В.Г., Волков В.В., Гончаров А.Л. Металлургическое моделирование темплообмена в печах и агрегатах, Киев, Наукова думка, 1985, 230 с.

Использование: в промышленной энергетике. Сущность изобретения заключается в том, что одновременно измеряют падающий и эффективный потоки излучения от поверхности материала при длине волны прозрачности атмосферы печи. Одновременно измеряют падающий поток излучения на поверхность кладки-обмуровки и искомую температуру поверхности материала находят из системы нелинейных уравнений. 2 ил.

Способ бесконтактного измерения температуры отражающей поверхности, заключающийся в том, что одновременно измеряют падающий Eλпад.п

и эффективный Eλэф.1 потоки излучения от поверхности материала при длине волны λ прозрачности атмосферы печи, отличающийся тем, что одновременно измеряют при той же длине волны падающий поток излучения на поверхность кладки-обмуровки Eλпад.к и эффективный поток излучения от кладки Eλэф.2, а искомую температуру поверхности материала Т_п находят из восьми нелинейных уравнений:

где Т_п, Т_к - температуры поверхности материала и кладки, К;
Eλ0(T_п) и Eλ0(T_к) - функции Планка при соответствующих температурах;
ελп и ελк - степени черноты поверхности материала и кладки;
fλij и fλij - спектральный разрешающий и геометрический коэффициенты излучения с зоны i на зону j.