POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII PROCESOWEJ, MATERIAŁOWEJ I FIZYKI STOSOWANEJ KATEDRA PIECÓW PRZEMYSŁOWYCH I OCHRONY ŚRODOWISKA KOŁO NAUKOWE PIECOWNIKÓW WSPOMAGANE KOMPUTEROWO POMIARY TEMPERATURY POWIERZCHNI WSADU NAGRZEWANEGO PRZED PRZERÓBKĄ PLASTYCZNĄ I OBRÓBKĄ CIEPLNĄ Autor: mgr inż. Agnieszka Klos

Nagrzewanie wsadu przed przeróbką plastyczną na gorąco jest bardzo ważnym procesem wpływającym zarówno na jakość walcowanego produktu jak i koszty przetwórstwa. W prawidłowo prowadzonym procesie technologicznym przestrzeganie programu nagrzewania wsadu powinno zapewnić właściwą jakość procesu tzn. przygotować wsad o określonej temperaturze i z dopuszczalnymi różnicami temperatury na przekroju [1,2]. W przypadku obróbki cieplnej istotne są również różnice temperatury na powierzchni. Wstęp

W zależności od rodzaju wymiany ciepła między ciałem, którego temperaturę mierzymy, a czujnikiem temperatury metody jej pomiaru dzielimy na stykowe i bezstykowe [3]. W metodach stykowych czujnik przyrządu styka się z ciałem, którego temperaturę mierzymy. W metodach bezstykowych, zgodnie z tym jak podaje sama nazwa, wymiana ciepła między powierzchnią badanego ciała a przyrządem pomiarowym odbywa się poprzez promieniowanie. Pomiaru temperatury możemy dokonać za pomocą różnych przyrządów i różnymi metodami. Można tu uwzględnić: pomiary za pomocą termoelementów, pomiary za pomocą czujników rezystancyjnych, pomiary ustalonej temperatury ciał stałych, pomiary nieustalonej temperatury powierzchni ciał stałych, pomiar temperatury części ruchomych, pomiar ustalonej temperatury płynów. Przyrządy do bezstykowego pomiaru temperatury wykorzystują promieniowanie cieplne. Do tej grupy zalicza się pirometry i kamery termowizyjne. Ponieważ pomiar odbywa się w sposób bezstykowy, istniejące pole temperatury nie zostaje w żaden sposób zakłócone. Jest to jedna z podstawowych zalet tego rodzaju pomiarów.

Metody Pomiaru temperatury StykoweBezstykowe PirometriaTermowizjaFotopirometria cyfrowa

Pirometria jest obecnie najpopularniejszą metodą bezkontaktowego pomiaru temperatury opierającą się na zasadach fizyki podczerwieni i emisyjności ciał. Najczęściej stosowanymi pirometrami są pirometry radiacyjne (pirometry całkowitego promieniowania, operujące w zakresie widma podczerwonego. W pomiarach pirometrycznych stosowane są również inne pirometry np. optyczne wykorzystujące zakres widmowy światła widzialnego. Metale stwarzają pewne problemy przy pomiarach temperatury metodą pirometryczną. Większość metali ma wysokie współczynniki odbicia, a stąd wynikające niskie emisyjności. Niektóre z tych emisyjności są tak niskie, że dużą cześć odbieranej przez czujnik energii stanowi energia odbita (zazwyczaj pochodząca od grzejników, płomieni, odbijających ścian itp.). Zaletą tej metody jest wysoka szybkość pomiaru oraz stosunkowo duża dokładność.

Wykonanie pomiarów przy użyciu kamery termowizyjnej Kamera termowizyjna przetwarza w sygnał elektroniczny promieniowanie temperaturowe pochodzące od obserwowanego obiektu. Kamera termowizyjna przetwarza w sygnał elektroniczny promieniowanie temperaturowe pochodzące od obserwowanego obiektu. Zastosowanie termowizji w pomiarach temperatury jest rozwinięciem metody pirometrycznej. Opiera się na tym samym zjawisku emisji energii w paśmie widma podczerwonego każdego ciała o temperaturze wyższej niż zero bezwzględne Różnica dotyczy jedynie wyniku, gdyż otrzymujemy nie temperaturę jednego punktu, ale mapę całej badanej powierzchni. Aparatura termowizyjna umożliwia zdalny, bezdotykowy pomiar temperatury. Jednak, aby dokonać właściwego pomiaru temperatury kamerą termowizyjną trzeba wcześniej określić współczynnik emisyjności badanego materiału ε. Wartość współczynnika emisyjności zależy od rodzaju materiału, jego temperatury oraz od stanu powierzchni materiału (polerowana, matowa). Aparatura termowizyjna umożliwia zdalny, bezdotykowy pomiar temperatury. Jednak, aby dokonać właściwego pomiaru temperatury kamerą termowizyjną trzeba wcześniej określić współczynnik emisyjności badanego materiału ε. Wartość współczynnika emisyjności zależy od rodzaju materiału, jego temperatury oraz od stanu powierzchni materiału (polerowana, matowa). Wadą termowizji jest średnia dokładność pomiaru oraz bardzo wysoka cena. Zaletą kamer termowizyjnych jest niewątpliwie szybkość pomiaru oraz uzyskiwanie rozkładu temperatur na całej badanej powierzchni.

Przykładowe termogramy

Wykonanie pomiarów przy użyciu fotograficznego aparatu cyfrowego Jest to zmodyfikowana wersja pirometrii optycznej. Również badany jest zakres widmowy światła widzialnego. Dzięki jednak zastosowaniu fotografii cyfrowej, możliwa jest daleko idąca automatyzacja procesu, a obróbka obrazów za pomocą komputera pozwala na dokładniejszą i bardziej kompleksową analizę oraz prawdopodobnie bardziej pozbawione błędów wnioskowanie o temperaturze. Nie bez znaczenia pozostaje tutaj również cena urządzenia. Pomimo tego, że wykorzystywany aparat cyfrowy nie może być najniższej klasy, to jednak ogólna cena tego typu urządzeń, nawet tych z najwyższej półki, jest niższa od pirometrów i zdecydowanie niższa niż aparatury do termowizji.

Wykonanie pomiarów przy użyciu fotograficznego aparatu cyfrowego W katedrze Pieców Przemysłowych i Ochrony Środowiska opracowano metodę pomiaru temperatury użyciu aparatu cyfrowego polegającą na zamianie pozyskanego obrazu pełnokolorowego (full color) na odpowiadający mu obraz w odcieniach szarości (gray scale), co powoduje uśrednienie składowych barwnych (czerwonej, zielonej i niebieskiej) każdego koloru, a następnie porównanie ich z zarejestrowanymi wcześniej i zapamiętanymi obrazami wzorcowymi, próbek o znanej temperaturze – zmierzonej inną metodą. Jest to więc przykład zastosowania fotopirometrii cyfrowej jako metody cechowanej, czy też wzorcowej. Charakterystyki cechownicze będą zależne od ustawień aparatu oraz rodzaju

Przykładowe zdjęcia cyfrowe

Charakterystyki cechownicze

Porównanie wyników pomiarów temperatury

Podsumowanie Przeprowadzona analiza wyników pomiarowych pozwala stwierdzić, że wyniki pomiaru temperatur dokonanego za pomocą aparatu cyfrowego w niewielkim stopniu odbiega od temperatur wzorcowych. Przy użyciu fotopirometrii cyfrowej uzyskano lepsze rezultaty niż przy użyciu termowizji. Jednakże zarówno wykorzystanie fotografii cyfrowej jak i kamery termowizyjnej pozwala wykonać dokładniejsze pomiary temperatury od pomiarów dokonywanych za pomocą pirometru. Tak, więc fotopirometria cyfrowa jest dokładną a jednocześnie znacznie tańszą od termowizji metodą pomiaru temperatury wsadu stalowego.

Dziękuję za uwagę.