Файл: Круашвили, З. Е. Автоматизированный нагрев стали.pdf

лучения от 0,6 до 0,7 мкм (Хаф =0,65 мкм). Рабочий участок спектра выделяется при помощи вакуумного сурьмямо-цезиевого фотоэлемен­ та и красного светофильтра. При таком участке спектра можно поль­ зоваться теми же поправками на неполноту излучения, что и для визуальных пирометров.

Предельная инструментальная погрешность измерения составляет 1% верхнего предела шкалы прибора. Быстродействие прибора тако­ во, что его указатель при мгновенном изменении температуры прохо­ дит всю шкалу за 2,5 сек.

Пирометры спектрального отношения. Наиболее типичными явля­ ются пирометры с логарифмирующим счетно-решающим устройством типа ЦЭП-3, ЦЭП-ЗМ, ЦЭПИР; пирометры, использующие следя­ щую систему для измерения отношения типов ЦЭП-2М, «Цвето- пир-1», «Цветопир-2» и «Ардокол»; пирометры с использованием элек­ тромеханического логометра типа ЦП-3; и, наконец, пирометры с предварительным преобразованием отношения сигналов в изменение их фазы, к которым относится цифровой пирометр спектрального от­ ношения и многоканальный пирометр спектрального отношения.

Принцип действия, особенности конструкции и рекомендации по применимости упомянутых выше пирометров приведены в литерату­ ре [58].

Из работ зарубежных авторов в области оптической пирометрии заслуживает внимания доклад Лавджоя [59] па симпозиуме по ме­ тодам и приборам для температурных измерений, состоящемся в Нью-Йорке в 1961 г. В докладе наряду с обзором и анализом работ по оптической пирометрии приведена общая теория оптической пиро­ метрии.

Интерес представляет сканирующий пирометр с фотоумножителем для измерения температуры поверхности металла, который был скон­ струирован Симсом и Плексом [60]. Сканирование осуществляется механически, для этого служит специальный диск-обтюратор с от­ верстиями. Изображение источника фокусируется на диск линзой объектива и затем через вторую линзу — на фотоумножитель, чтобы освещение фотокатода было равномерным. Таким образом, исключа­ ются ошибки, обусловленные изменением чувствительности фотокато­ да от точки к точке. В приборе для измерения выходного сигнала применен осциллограф с частотой 2 кадра в секунду, снабженный радиоактивным индикатором на диске для пометки начала каждого кадра. Прибор применяют для измерения температур стальных заго­ товок на прокатных станах. Он обеспечивает точность 4 град при температурах, превышающих 1000° С.

Пыотманом [61] построен пирометр с вакуумным фотоэлементом. Он снабжен перфорированным вращающимся диском для модуляции (частотой 600 щ) входящего излучения, двухкаскадньш усилителем для усиления сигнала и интерференционным фильтром ограничения длин волн. Для градуирования прибора используют образцовую воль­ фрамовую ленточную лампу. Его можно использовать для измерения

температур от 800 до 2200° С (четыре диапазона) с погрешностью 2 град.

Элдером [62] описан фототранзисторный записывающий пирометр с областью применения 600—2000° С, отличающийся высокой надеж­ ностью. Ларсеном и Шенком [63] описано применение фотоэлектри­ ческого элемента с запирающим слоем для температурного контроля поверхности металла на прокатных станах. Температура выше 1000° С измерялась с погрешностью ±10 град.

Из последних отечественных работ в области создания измери­ телей температуры поверхности металла следует отметить работу Модылевского В. Б. и др. [64], предложивших фотоэлектрический пирометр для непрерывного контроля температуры поверхности ме­ талла в нагревательных печах.

В этом фотоэлектрическом пирометре в качестве чувствительного элемента используется германиевый фотодиод в вентильном режиме_, а оптическая система заменена кварцевым световодом.

Небольшой диаметр водоохлаждаемого кожуха с датчиком поз­ воляет вводить пирометр в печь через отверстие в кладке, предусмот­ ренное для термопар.

Конструкция датчика имеет ряд особенностей, связанных со спе­ цификой его применения. Так, во избежание местного охлаждения измеряемой поверхности, датчик снабжен неохлаждаемым экраном из жаростойкой стали, который, разогреваясь, компенсирует охлаж­ дающее воздействие водяной рубашки. Визирная трубка с кварцевым световодом выдвинута из кожуха к концу экрана, что позволяет, во-первых, исключить возможность попадания лучей от нагретого экрана к фотодиоду и, во-вторых, избежать конденсации водяных паров из продуктов сгорания на поверхности кварца, поддерживать температуру наружной части световода выше точки росы.

Кварцевый световод не достигает наружного конца визирной трубки на длину 1—1,5 ее внутреннего диаметра. В эту часть трубки запрессована втулка из сильно окисленной стали с высоким коэффи­ циентом светового поглощения. Такая конструкция исключает опас­ ность попадания на фотодиод отраженного света от факелов горелок или нагревательных элементов. В качестве вторичного прибора в пи­ рометре использован обычный электронный потенциометр с некото­ рыми изменениями в измерительной схеме, связанными со значитель­ ной нелинейностью характеристики фотодиодов и необходимостью термокомпенсации.

По данным авторов, основная погрешность двух опытных об­

мального значения шкалы. Контрольная проверка после трехмесяч­ ной эксплуатации на специальном огневом стенде и промышленной термической печи показала, что ошибка измерения не превышает пределов основной погрешности. Стабильность и надежность в ра­ боте описанного фотопирометра позволяют рекомендовать его для

годный для измерения температуры металла при нагреве, который можно использовать в системах автоматического управления теп­

линдра впаяна дифференциальная хромель-копелевая термопара, один спай которой расположен около головки теплоприемника, другой же удален по вертикальной оси от первого на расстояние 5 мм.

По утверждению авторов [65], отличительная особенность теп­ ломера заключается в том, что хромелевый электрод дифференци­ альной термопары одновременно служит тепловым сопротивлением. При такой конструкции отпадает необходимость в электрической изоляции спаев термопары, что позволяет изготавливать тепломе­ ры с одинаковыми и стабильными характеристиками.

Для уменьшения потерь тепла боковой поверхностью теплоприемпик и тепловое сопротивление помещены внутрь стакана, выпол­ ненного из стеклоткани, пропитанной эпоксидным клеем. К тепло­ меру снизу пристроен медный усеченный конус с развитой поверх­ ностью в виде впаянных медных диафрагм. Этот узел устраняет влияние конвекции газов. В качестве вторичного прибора можно использовать серийные потенциометры.

Тепломер необходимо располагать вблизи излучающей поверх­ ности и вводить в рабочее пространство через кладку свода или боковых степ печи. Печные газы, попадающие внутрь головки теп­ ломера, резко охлаждаются и теряют свою скорость, что обусловле­ но наличием холодных диафрагм. Таким образом устраняется влия­ ние конвекции газов.

Тепломеры описанной конструкции были установлены в томиль­ ной H сварочной зонах методической печи стана 800 Челябинского металлургического завода па расстоянии. 150 мм от поверхности металла, они испытывались в течение двух месяцев. Расход воды на каждый тепломер составлял 0,7 иі3/ч. Показания тепломера кон­ тролировались оптическим пирометром. Тепломеры показали высо­ кую чувствительность, они реагируют на все изменения в рабочем пространстве печи (скорость проталкивания заготовок, изменение расхода газа и т. д.).

Как уже указывалось, для автоматического контроля и регули­ рования температуры поверхности металла используются преиму­ щественно бесконтактные оптические измерители (датчики) темпе­ ратуры. Однако проблема измерения температуры поверхности ме­ талла в рабочем пространстве нагревательных печей окончательно все еще не решена, отсутствуют надежные и точные серийно выпус­ каемые пирометры излучения.

Отсутствие бесконтактного датчика, способного выдавать до­ стоверную информацию о температуре металла, значительно умень­ шает эффективность системы автоматического регулирования тем­ пературы и намного усложняет системы управления процессом на­ грева. Существующие пирометры излучения дают показания, в сильной степени зависящие от параметров состояния объекта из­ мерения и промежуточной среды, учесть которые практически невоз­ можно, так как они неконтролируемым образом меняются в течение

к усложнению систем регулирования температурного режима мето­ дических печей.

Например, оптимальное управление процессом нагрева металла с минимизацией среднеквадратичного отклонения температуры от заданной осуществляется на модели объекта, непрерывно вычисля­ ющей температуру поверхности металла по температуре зоны и скорости передвижения заготовки через печь; при непосредствен­ ном измерении температуры поверхности металла значительно уп­ рощается алгоритм системы оптимального управления.

Известно применение радиационного пирометра, визируемого че­ рез водоохлаждаемую фурму в своде печи стана 900 металлурги­ ческого завода им. Дзержинского, тепломера полного излучения, радиационного пирометра со светофильтром, спектрально-дифферен­ циального пирометра СПД, яркостных переносных пирометров

и пирометров спектрального отношения. Однако и водоохлаждае­ мая фурма, вводимая в атмосферу печных газов на заводе нм. Дзер­ жинского, и радиационный пирометр с фильтром были использованы на печах, отапливаемых смесью коксового н доменного газов или доменным газом, оптически менее плотными, чем природный.

ПКИ «Автоматпром» совместно с Тбилисским ин­ ститутом средств автоматизации (ТНИИСА) был испы­ тан в промышленных условиях новый пирометр для бесконтактного измерения температуры поверхности металла — спектралы-ю-деффереициальный (СДП), пред­ ложенный Ю. Н. Костава (ТНИИСА) и предназначен­ ный для бесконтактного измерения цветовой температу­ ры объектов с заранее неизвестными характеристиками (коэффициентом черноты и прозрачности), меняющими­ ся в течение производственного процесса [66, 67].

Этот прибор имеет более широкие принципиальные возможности при оценке свойств объекта и определения его истинной температуры по сравнению с другими пиро­ метрами излучения и, кроме того, открывает широкие возможности по созданию систем управления нагревом металла с использованием средств вычислительной тех­ ники.

ПКИ «Автоматпром» провел соответствующие экспе­ рименты [68] на методической печи № 1 стана 900/750 Руставского металлургического завода, предназначенной для нагрева блюмов углеродистых и легированных ста­ лей размером от 150X150 до 300X400 мм при длине 2500—6000 мм перед прокаткой.

Печь отапливали природным газом Карадагского ме­ сторождения с теплотой сгорания 8600 ккал/м3. Произво­ дительность печи при горячем и холодном посаде со­ ставляла 100 и 70 т/ч. Во время испытаний использовали следующую аппаратуру:

1)радиационный пирометр ПРК-кварц, установлен­ ный в водоохлаждаемой и обдуваемой фурме на рассто­ янии 20—30 см от поверхности металла (так же, как и на печах стана 900 завода им. Дзержинского);

2)радиационный пирометр РАПИР, установленный в

металлургии) и без фильтра;

3)переносный оптический пирометр ОППИР;

4)переносный цветовой пирометр типа «Триколор» с пределами измерения 1050—1800° С по шкале яркостной