СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ Российский патент 1999 года по МПК G01J5/60 

Изобретение относится к способу и устройству определения внутренней температуры в металлургических установках, как, например, агломерационные установки, камеры сгорания, машины для обжига, установки для спекания или зоны нагрева и охлаждения с газообразной средой, например воздухом, внутри металлургических установок.

Из монографии "Улучшение топливоиспользования и управление теплообменом в металлургических печах", Лисиенко В.Г., Волков В.В, Маликов Ю.К., М.: Металлургия, 1988. - 230 с. известен способ бесконтактного измерения температуры экранированной поверхности твердого тела пирометром излучения, в котором используют светофильтр для устранения экранирующего влияния селективно-излучающей газообразной среды. При этом прохождение излучения от поверхности тела к приемнику излучения обеспечивается окном прозрачности газов. Для устранения фонового потока, отраженного от поверхности излучения, используют с таким же светофильтром второй пирометр, который направлен на внутреннюю сторону поверхности второй стенки многостенного сосуда. Этот способ однако приводит к невысокой точности измерения, в частности, в агрегатах с содержащей пыль газовой атмосферой, где имеет место дополнительное экранирование излучения за счет частичек сажи и пыли.

Задачей изобретения является указание способа и соответственно устройства, при помощи которых может быть увеличена по сравнению с уровнем техники точность определения внутренней температуры в металлургических установках, например, как агломерационные установки, камеры сгорания, машины для обжига, установки для спекания или зоны нагрева и охлаждения. При этом желательно, чтобы расходы на устройство для определения этой температуры по сравнению с уровнем техники по возможности уменьшались или повышались по меньшей мере незначительно.

Согласно изобретению задача решается посредством способа, а также соответствующего устройства для определения внутренней температуры в металлургических установках, например, как агломерационные установки, камеры сгорания, машины для обжига, установки для спекания или зоны нагрева и охлаждения с газообразной средой, например воздухом, внутри металлургических установок, которые ограничены по меньшей мере двумя ограничивающими поверхностями, первой и второй ограничивающими поверхностями, причем температуру газообразной среды и, при необходимости, первой и второй ограничивающих поверхностей определяют путем измерения величины, характеризующей температуру второй ограничивающей поверхности, и путем измерения излучения первой ограничивающей поверхности для по меньшей мере трех частот излучения. Таким образом можно учесть воздействие на излучение газообразной среды, например, частичек сажи и пыли, без необходимости знать заранее эти характеристики газообразной среды. Благодаря измерению величины, характеризующей температуру второй ограничивающей поверхности, и измерению излучения первой ограничивающей поверхности для по меньшей мере трех частот излучения, можно составить три соотношения, в которых по меньшей мере одну характеристическую величину газообразной среды, например, ее характеристику поглощения, принимают за неизвестную математическую величину в системе уравнений, чтобы рассчитать ее таким образом.

При преимущественном исполнении изобретения температуру газообразной среды и, при необходимости, температуру первой и второй ограничивающих поверхностей определяют путем измерения величины, характеризующей температуру второй ограничивающей поверхности и путем измерения излучения первой ограничивающей поверхности для четырех частот излучения. Путем измерения для четырех частот излучения можно составить четыре зависимости, две из которых можно использовать для того, чтобы учесть обе, рассматриваемые в качестве существенных величины воздействия газообразной среды на излучение, такие как характеристики поглощения газообразной среды и степень черноты газообразной среды, не зная их в явном виде. Таким образом можно вычислить влияние газообразной среды на отраженное излучение. Путем учета характеристик газообразной среды относительно их воздействия на отраженное излучение можно по сравнению с известным способом значительно повысить точность косвенного определения температуры в металлургических установках.

В дальнейшем преимущественном исполнении изобретения температуру газообразной среды и, при необходимости, температуру первой или второй ограничивающих поверхностей определяют через соотношение между измеренным излучением первой ограничивающей поверхности для одной частоты излучения, температурой первой ограничивающей поверхности, температурой газообразной среды, температурой второй ограничивающей поверхности и характеристиками поглощения излучения газообразной среды. При этом используют подходящее для этого соотношение

где Eλf1

- измеренное эффективное излучение первой ограничивающей поверхности для длины волны λ,
ελ1 - степень черноты поверхности первой ограничивающей поверхности относительно длины волны λ,
Eλ0(T₁) - плотность излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры первой ограничивающей поверхности T₁ относительно длины волны λ,
αλM1 - характеристика поглощения газообразной среды относительно длины волны λ,
ελM1 - степень черноты газообразной среды относительно длины волны λ,
Eλ0 - плотность излучения абсолютно черного тела при температуре газообразной среды Т_M относительно длины волны λ и
Eλ1 - падающее на первую ограничивающую поверхность излучение относительно длины водный λ.
Это соотношение особенно подходит для определения температуры газообразной среды при неизвестных характеристиках газообразной среды относительно воздействия на отраженное излучение, а также температуру обрабатываемого материала.

Для этого составляют соотношение

для четырех различных частот излучения, т.е. четырех различных длин волн, и решают вытекающую из него систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными, причем в качестве их решения получают температуру первой ограничивающей поверхности, температуру газообразной среды, а также характеристики поглощения и черноты газообразной среды.

В дальнейшем преимущественном исполнении изобретения температуру газообразной среды и, при необходимости, температуру первой или второй ограничивающей поверхности определяют путем измерения излучения первой и второй ограничивающих поверхностей для по меньшей мере трех частот излучения. Особенно преимущественным является при этом определение температуры газообразной среды и, при необходимости, температуры первой и второй ограничивающих поверхностей путем измерения излучения первой и второй ограничивающих поверхностей каждый раз для четырех частот излучения с использованием соотношения между измеренным излучением первой и второй ограничивающих поверхностей для одной частоты излучения, температурой первой ограничивающей поверхности, температурой второй ограничивающей поверхности, температурой газообразной среды и характеристикой поглощения излучения газообразной среды. Это является особенно предпочтительным в том случае, когда непосредственное измерение температуры второй ограничивающей поверхности, например при помощи термопар или температурно-зависимых сопротивлений, невозможно или нежелательно.

В дальнейшем преимущественном исполнении изобретения из соотношения

а также соотношения

где
Eλf2

- измеренное эффективное излучение второй ограничивающей поверхности для длины волны λ,
ελ2 - степень черноты поверхности второй ограничивающей поверхности относительно длины волны λ,
Eλ0(T₂) - плотность излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры второй ограничивающей поверхности T₂ относительно длины волны λ,
αλM2 - характеристика поглощения газообразной среды относительно длины волны λ,
ελM2 - степень черноты газообразной среды относительно длины волны λ и
Eλ2 - падающее на вторую ограничивающую поверхность излучение относительно длины волны λ
составляют каждый раз уравнения для четырех различных частот излучения, то есть четырех длин волн и решают вытекающую из этого систему восьми уравнений с восьмью неизвестными, причем в качестве их решения получают температуру первой и второй ограничивающих поверхностей, температуру газообразной среды, а также характеристики поглощения и черноты газообразной среды.

Дальнейшие преимущества и детали изобретения видны из нижеследующего описания примеров выполнения на основе чертежей в сочетании с подпунктами формулы изобретения, а именно:
Фиг. 1 - устройство для сушки окомкованного материала
Фиг. 2 - устройство для сушки окомкованного материала с альтернативным измерением температуры
Фиг. 3 - соответствующее изобретению измерительное устройство с одним пирометром
Фиг. 4 - соответствующее изобретению измерительное устройство с двумя пирометрами
Фиг. 1 показывает устройство для сушки окомкованного материала. При этом окомкованный материал проходит по ленточному конвейеру 1 через сушильную камеру 4. Температуру внутри сушильной камеры 4 измеряют устройством для измерения температуры, которое содержит пирометр 7, при помощи которого измеряют излучение функционирующей в качестве ограничивающей поверхности первой стенки 2, температурный чувствительный элемент, например термопару 6, а также блок обработки данных 8. При помощи пирометра 7 измеряют излучение первой стенки 2 через смотровое окно 5. На основании данных, полученных от пирометра 7 и термопары 6, при помощи которой измеряют температуру функционирующей в качестве ограничивающей поверхности второй стенки 3, блоком обработки данных 8 определяют температуру внутри сушильной камеры 4.

Фиг. 2 показывает устройство для сушки окомкованного материала подобно фиг. 1 с альтернативным измерением температуры. При этом окомкованный материал, как и на фиг. 1 проходит по ленточному конвейеру 1 через сушильную камеру 4. Температуру транспортируемого по ленточному конвейеру 1 окомкованного материала измеряют устройством для измерения температуры, которое имеет температурный чувствительный элемент, напр. термопару 6, пирометр 7, а также блок обработки данных 8. При помощи пирометра 7 измеряют через смотровое окно 5 излучение транспортируемого по ленточному конвейеру окомкованного материала, функционирующего в качестве первой ограничивающей поверхности. На основании температурных значений функционирующей в качестве ограничивающей поверхности стенки 3, полученных от пирометра 7 и термопары 6, блок обработки данных 8 определяет температуру окомкованного материала или его поверхности.

Фиг. 3 показывает измерительные устройства с фиг. 1 или фиг. 2 в деталированном виде. При этом цифрой 9 обозначена первая ограничивающая поверхность, т. е. например, одна стенка металлургической установки или обрабатываемый в металлургической установке материал, цифрой 10 - вторая ограничивающая поверхность, т.е. например, стенка металлургической установки и цифрой 33 газообразная среда между первой ограничивающей поверхностью 9 и второй ограничивающей поверхностью 10. Термопарой 11 измеряют температуру на внутренней стороне второй ограничивающей поверхности и передают по линии передачи данных 12 в блок обработки данных 14. Далее измерительное устройство содержит пирометр 15, ось луча 17 которого направлена на внутреннюю поверхность первой ограничивающей поверхности. Отраженное от внутренней поверхности первой ограничивающей поверхности 9 излучение, проходя вдоль оси луча 17, попадает через интерференционный фильтр 16 в пирометр 15. Интерференционный фильтр 16 пропускает только четыре выбранные частоты излучения, подавляя другие частоты. Пирометр 15 подает в блок обработки данных 14 интенсивность выбранного излучения через линию передачи данных 13. Блок обработки данных 14 определяет из интенсивности излучения для отдельных выбранных четырех длин волн и из температурного сигнала, поступающего от термопары 11, температуру газообразной среды 33 и, при необходимости, температуру первой или второй ограничивающей поверхности.

Фиг. 4 показывает альтернативное выполнение соответствующего изобретению измерительного устройства, которое отказывается от непосредственного определения температуры второй ограничивающей поверхности, например при помощи термопары или температурно-зависящих сопротивлений. При этом цифрой 20 обозначена первая ограничивающая поверхность, а цифрой 22 - вторая ограничивающая поверхность. Определяемой величиной является температура газообразной среды 34 и, при необходимости, температура первой или второй ограничивающей поверхности. Ось луча 26 первого пирометра 24 направлена на первую ограничивающую поверхность, а ось луча 29 второго пирометра 27 на вторую ограничивающую поверхность 21. Попадающее в пирометры 24 и 27 излучение отфильтровывают соответственно интерференционными фильтрами 25 и 28, каждый из которых пропускает только по четыре выбранных частоты излучения. Пирометры 24 и 27 измеряют интенсивности этого выбранного излучения, которое соответственно подают по линии передачи данных 30 и 31 в блок обработки данных 32. В блоке обработки данных 32 температуру газообразной среды 34 определяют из соотношения между измеренным излучением первой ограничивающей поверхности 20 для одной частоты излучения, температурой первой ограничивающей поверхности, температурой газообразной среды 34, температурой второй ограничивающей поверхности и характеристиками поглощения излучения газообразной среды 34, а также из соотношения между измеренным излучением второй ограничивающей поверхности 21 для одной частоты излучения, температурой второй ограничивающей поверхности, температурой газообразной среды 34, температурой первой ограничивающей поверхности и характеристиками поглощения излучения газообразной среды 34 путем составления и решения системы восьми уравнений, причем каждому уравнению соответствует одна выбранная длина волны.

Способ определения внутренней температуры в металлургических установках, которые содержат газообразную среду, например воздух, и ограничены по меньшей мере двумя ограничивающими поверхностями: первой ограничивающей поверхностью, например стенкой металлургической установки или обрабатываемым в металлургической установке материалом; второй ограничивающей поверхностью, например другой стенкой металлургической установки, причем внутреннюю температуру газообразной среды и, при необходимости, первой и второй ограничивающей поверхностей определяют путем измерения величины, характеризующей температуру второй ограничивающей поверхности, и путем измерения излучения первой ограничивающей поверхности для по меньшей мере трех частот излучения. Технический результат: повышение точности определения температуры. 2 с. и 13 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения внутренней температуры в металлургических установках, например агломерационные установки, камеры сгорания, машины для обжига, установки для спекания или зоны нагрева и охлаждения, которые содержат газообразную среду, например воздух, и которые ограничены по меньшей мере двумя ограничивающими поверхностями: первой ограничивающей поверхностью, например стенкой металлургической установки, или обрабатываемым в металлургической установке материалом и второй ограничивающей поверхностью, например другой стенкой металлургической установки, отличающийся тем, что внутреннюю температуру газообразной среды и первой или второй ограничивающей поверхности определяют путем измерения величины, характеризующей температуру второй ограничивающей поверхности, и путем измерения излучения первой ограничивающей поверхности для по меньшей мере трех частот излучения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение излучения первой ограничивающей поверхности проводят для четырех частот. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что вводят соотношение - зависимость между измеренным излучением первой ограничивающей поверхности для одной частоты излучения и температурой первой ограничивающей поверхности. температурой газообразной среды, температурой второй ограничивающей поверхности и характеристиками поглощения излучения газообразной среды. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что указанная зависимость имеет вид:

где Eλf1

- измеренное эффективное излучение первой ограничивающей поверхности для длины волны λ;
ελ1 - степень черноты поверхности первой ограничивающей поверхности относительно длины волны λ;
Eλ0(T₁) - плотность излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры (T₁) первой ограничивающей поверхности;
αλM1 - характеристика поглощения газообразной среды;
ελM1 - степень черноты газообразной среды относительно длины волны λ;
Eλ0 - плотность излучения абсолютно черного тела при температуре газообразной среды (T_М);
Eλ1 - падающее на первую ограничивающую поверхность излучение,
из которой определяют температуру газообразной среды. 5. Способ определения внутренней температуры по п.1 или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что составляют соотношение

для четырех различных частот излучения, т.е. четырех различных длин волн, и решают вытекающую из него систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными, из которой получают в качестве решения температуру первой ограничивающей поверхности (9), температуру газообразной среды (33), а также характеристики поглощения и черноты газообразной среды (33). 6. Способ определения внутренней температуры по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что температуру первой и второй ограничивающих поверхностей определяют путем измерения излучения первой (20) и второй (21) ограничивающих поверхностей для соответственно по меньшей мере трех частот излучения. 7. Способ определения внутренней температуры по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что температуру первой и второй ограничивающих поверхностей определяют путем измерения излучения первой (20) и второй (21) ограничивающих поверхностей для соответственно четырех частот излучения с использованием соотношения между температурой первой ограничивающей поверхности и температурой второй ограничивающей поверхности, измеренным потоком излучения первой ограничивающей поверхности (20) и измеренным потоком излучения второй ограничивающей поверхности (21), температурой газообразной среды (34) и характеристиками поглощения излучения газообразной среды (34). 8. Способ определения внутренней температуры по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающийся тем, что соотношение

и соотношение

где Eλf2 - измеренное эффективное излучение второй ограничивающей поверхности для длины волны λ;
ελ2 - степень черноты поверхности второй ограничивающей поверхности (21) относительно длины волны λ;
Eλ0(T₂) - плотность излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры (T₂) второй ограничивающей поверхности (21) относительно длины волны λ;
αλM2 - характеристика поглощения газообразной среды (34) относительно длины волны λ;
ελM2 - степень черноты газообразной среды относительно длины волны λ;
Eλ2 - падающее на вторую ограничивающую поверхность (21) излучение относительно длины волны λ,
составляют для каждой из четырех различных частот излучения, т.е. четырех различных длин волн, и решают вытекающую из этого систему восьми уравнений с восемью неизвестными, из которой получают в качестве решения температуру первой и второй ограничивающих поверхностей (20 и 21), температуру газообразной среды (34), а также характеристики поглощения и черноты газообразной среды (34). 9. Устройство определения внутренней температуры в металлургической установке, как например агломерационные установки, камеры сгорания, машины для обжига или зоны нагрева и охлаждения, которая содержит газообразную среду, например воздух, внутри металлургической установки и которая ограничена по меньшей мере двумя ограничивающими поверхностями - первой (9) и второй (10) ограничивающими поверхностями, отличающееся тем, что для определения внутренней температуры газообразной среды оно содержит по меньшей мере один пирометр (15) для измерения излучения первой стенки (9) или обрабатываемого в металлургической установке материала, функционирующего в качестве первой ограничивающей поверхности, и температурный чувствительный элемент, предназначенный для измерения температуры второй стенки, функционирующей в качестве второй ограничивающей поверхности. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что пирометр (15) содержит по меньшей мере один интерференционный фильтр (16) для выбора частоты излучения. 11. Устройство по п.9 или 10, отличающееся тем, что температурный чувствительный элемент представляет собой элемент не бесконтактного измерения температуры, например термопару (11) или сопротивление, зависящее от температуры. 12. Устройство по любому из пп.9 - 11, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере по одному пирометру (24) для измерения излучения первой ограничивающей поверхности (20) и по меньшей мере по одному пирометру (27) для измерения излучения второй ограничивающей поверхности (21). 13. Устройство по любому из пп.9 - 12, отличающееся тем, что оно содержит блок (8) обработки данных. 14. Устройство по любому из пп.9 - 13, отличающееся тем, что блок (8) обработки данных выполнен в виде однокристального компьютера, например, микроконтроллера или в виде многокристального, в частности одноплатного, компьютера или устройства автоматизации. 15. Устройство по любому из пп.9 - 14, отличающееся тем, что блок (8) обработки данных выполнен в виде устройства управления с программируемой памятью, в виде системы шин VME или в виде промышленного персонального компьютера.