способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления
Классы МПК: | G01J5/00 Радиационная пирометрия |
Автор(ы): | Сафьянников Н.М., Шкульков А.В. |
Патентообладатель(и): | Научно-исследовательский институт радиоэлектронных систем прогнозирования чрезвычайных ситуаций (НИИ "Прогноз") |
Приоритеты: |
подача заявки:
1998-04-17 публикация патента:
27.05.2000 |
Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат изобретения состоит в повышении точности измерения температуры расплава веществ вне зависимости от точности данных о коэффициенте теплового излучения исследуемого вещества и наличии таких данных. Задача решается путем формирования на поверхности расплава углубления, которое является моделью "абсолютно черного тела", погружением в расплав огнеупорного и прозрачного тела, по которому тепловое излучение передается к измерителю. Устройство для осуществления способа измерения содержит световод, выполненный из оптически прозрачного и огнеупорного материала, приемник излучения и оптическую линию, соединяющую световод с приемником. 2 с. и 3 з. п.ф-лы, 2 ил., 2 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
Формула изобретения
1. Способ измерения температуры расплава, заключающийся в измерении энергии теплового излучения с поверхности расплава, сформированной погружением в расплав тела, отличающийся тем, что поверхность расплава формируют в виде углубления, которое является моделью "абсолютно черного тела", путем погружения в расплав огнеупорного тела, по которому тепловое излучение передается к измерителю. 2. Устройство для измерения температуры расплава, включающее световод, выполненный из оптического огнеупорного материала, измеритель теплового излучения и оптическую линию, связывающую световод с измерителем, отличающееся тем, что световод одновременно служит формообразователем углубления в расплаве, причем указанное углубление является моделью "абсолютно черного тела". 3. Устройство для измерения температуры расплава по п.2, отличающееся тем, что в качестве оптического огнеупорного материала использован синтетический рубин. 4. Устройство для измерения температуры расплава по п.2 или 3, отличающееся тем, что световод выполнен в форме тела вращения, а торец световода выполнен в виде конуса или имеет скругленную форму. 5. Устройство для измерения температуры расплава по п.2, или 3, или 4, отличающееся тем, что участок световода, погруженный в расплав, имеет полированную поверхность.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры расплава в металлургии, стекловарении и других отраслях промышленности. Известен способ измерения температуры расплава вещества путем измерения энергии излучения, испускаемой поверхностью расплава, с помощью оптического спектрального или радиационного пирометра [1]. Недостатком такого способа являются значительные погрешности измерения температуры вследствие неизвестной с достаточной точностью и непостоянной во время измерения эмиссионной способности расплавов, а также наличием на поверхности расплава шлака, оксидной пленки, шихты и т.п. Известен способ измерения температуры расплава стали с применением пирометра, заключающийся в формировании поверхности излучения расплава путем погружения в расплав тела (металлической трубы) и измерении энергии излучения от сформированной поверхности расплава. При этом поверхность расплава в трубе свободна от шлака, а ее эмиссионная способность остается практически постоянной [2]. Указанный способ измерения является наиболее близким по существенным признакам к заявляемому способу и принят за прототип изобретения. Способ реализуется с помощью устройства, состоящего из оптического пирометра и трубы из металла с температурой плавления выше, чем температура расплава [2]. К недостаткам способа-прототипа следует отнести погрешность измерения температуры, возникающую вследствие отличия от единицы коэффициента теплового излучения поверхности расплава, а часто и неизвестном значении этой величины с достаточной точностью. В процессе патентного поиска обнаружено устройство для измерения температуры расплава, которое является наиболее близким по количеству существенных признаков к заявляемому техническому решению для реализации способа. Оно принято за прототип. Устройство содержит измеритель оптического излучения, оптическую линию, состоящую из оптического световодного волокна, и прозрачного химически стойкого огнеупорного материала - световода [3]. Световод, выполненный, например, из синтетического сапфира, закладывается в огнеупорную футеровку печи так, чтобы его торец был заподлицо с внутренней поверхностью футеровки. При работе печи расплав металла контактирует с торцом световода и энергия, излучаемая поверхностью расплава, по световоду и оптической линии передается на приемник излучения. Прямое использование известного устройства не позволяет реализовать заявленный способ, поскольку световод, например, стержень сапфира, помещен в оболочку из огнеупорной засыпки и стальной трубы и только торец световода может контактировать с расплавом. Задача изобретения состоит в повышении точности измерения температуры расплава веществ вне зависимости от точности данных о коэффициенте теплового излучения исследуемого вещества и наличии таких данных. Задача решается тем, что в известном способе измерения температуры расплава, заключающемся в измерении энергии теплового излучения с поверхности расплава, сформированной погружением в расплав огнеупорного тела, поверхность расплава формируют в виде углубления, которое является моделью "абсолютно черного тела", при этом с помощью погружаемого тела излучение передается к измерителю. Таким образом, погружаемое тело выполняет функцию световода. Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, состоящего из световода, выполненного из оптического огнеупорного материала, например, синтетического сапфира, измерителя излучения и оптической линии, связывающей световод и измеритель излучения, отличающегося тем, что световод одновременно служит формообразователем углубления в расплаве. Световод имеет форму тела вращения, причем торец световода выполнен в виде конуса или имеет скругленную форму. Участок световода, погружаемый в расплав, имеет чистоту обработки поверхности не ниже 12 класса. При реализации заявленного способа и устройства с помощью световода, выполненного в виде тела вращения (стержня) из оптически прозрачного и огнеупорного материала, например, синтетического сапфира или рубина, на поверхности расплава формируют углубление, представляющее собой модель абсолютно черного тела (АЧТ). Излучение АЧТ по телу-световоду без потерь поступает на измеритель, где регистрируется. При этом световод одновременно является формообразователем углубления. Степень приближения излучения модели АЧТ к излучению АЧТ может быть получена сколь угодно близкой в зависимости от размеров и параметров углубления. В момент введении в расплав световода последний испытывает термический удар, в результате которого возможно разрушение световода. Чтобы исключить разрушение, световод выполнен в виде тела вращения, а его торец выполнен скругленной формы или в виде конуса. В этом случае температурный фронт теплового удара в достаточной степени совпадает с поверхностью световода и не приводит к его разрушению. Так как поверхность световода имеет оптически полированную поверхность (класс обработки не ниже 12), то между телом и расплавом создается оптический контакт. В этом случае свойство погружаемого тела (световода), именно полировка поверхности, передается поверхности расплава в углублении, что повышает эффективную излучательную способность модели АЧТ. Сущность технического решения заключается в создании на поверхности расплава модели АЧТ. Причем модель АЧТ создают в виде углубления в расплаве, которое формируют огнеупорным и оптически прозрачным телом, одновременно выполняющим функции световода. При этом форма, характеристики и размеры формообразователя-световода выбраны так, чтобы излучение модели АЧТ (углубления) максимально приблизить к излучению АЧТ. В пирометрии известны способы моделирования АЧТ, в основном в твердых телах, заключающиеся в создании отверстий на поверхности твердого тела [4]. Известное соотношение между глубиной и диаметром отверстия, а также форма дна отверстия и чистота обработки поверхности позволяют определить степень приближения модели к АЧТ. В заявляемом техническом решении на поверхности расплава вещества создают углубление, соответствующее модели АЧТ, введением прозрачного тела. Благодаря прозрачности тела оно является одновременно и световодом, что позволяет передать сформированное оптическое излучение АЧТ без потерь и помех по оптической линии к измерителю. Вследствие эффекта полировки поверхности углубления, полученного в результате оптического контакта между полированной поверхностью формообразователя-световода и расплавом, возрастает эффективный коэффициент теплового излучения углубления. Образованное таким образом углубление, например, световодом, погружаемая часть которого выполнена в виде цилиндра с конусом на торце, на глубину, при которой соотношение глубины к диаметру равно 6, и полированной поверхности, обеспечивает эффективный коэффициент теплового излучения модели АЧТ, равный 0,99. Это является достаточно высокой степенью приближения к АЧТ. Полученный в таких условиях поток тепловой энергии из углубления является практически излучением АЧТ и при его фиксировании измерителем излучения возможно с наибольшей точностью интерпретировать значение энергии излучения в значение температуры. При этом измерение энергии теплового излучения может осуществляться методами радиационной, оптической или цветовой пирометрии практически с одинаковой точностью. Рассмотрим все три варианта применения метода измерения. Радиационный способ измерения основан на законе Стефана-Больцмана для АЧТ:J =
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150061/963.gif)
где J - общая энергия, излучаемая в единицу времени с единицы площади;
Т - температура излучения, К;
Т0 - температура окружающей среды, К;
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150061/963.gif)
J =
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150061/963.gif)
а для нечерного тела
J =
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150070/949.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150061/963.gif)
где
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150070/949.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150070/949.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150070/949.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150091/2150091-2t.gif)
Для нечерного тела
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150091/2150091-3t.gif)
где ТВ - яркостная температура нечерного тела. Соотношение между ТВ и Т определяется уравнением
1/T = 1/TB+
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150070/949.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150091/955.gif)
В координатах lnJ - l/Т соотношение (4) выражается прямой линией. Однако соотношение (5) отклоняется от примой из-за существующей зависимости
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150070/949.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150091/955.gif)
lnJ
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150091/955.gif)
где K
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150091/2150091-4t.gif)
Как видно из соотношения (8), цветовая пирометрия дает возможность получить наилучшие по точности измерения температуры, так как последний член соотношения в наименьшей степени зависит от температуры. Предлагаемый метод измерения в совокупности с цветовым методом работы измерителя дает преимущества в точности измерения, однако повышение точности оказывается незначительным по сравнению со степенью усложнения устройства измерения. На фиг. 1 приведено устройство для реализации заявленного способа при измерении энергии теплового излучения методом радиационной пирометрии, продольный разрез. На фиг. 2 приведено устройство для реализации заявленного способа при измерении энергии теплового излучения методом оптической и цветовой пирометрии, продольный разрез. Устройство содержит световод 1, выполненный из оптически прозрачного и огнеупорного материала, приемник излучения 2 и оптическую линию 3, соединяющую световод 1 с приемником 2. Оптическая линия 3 состоит из волоконно-оптического жгута 4, фильтра монохроматического излучения 5 с параметрами
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150020/916.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150020/916.gif)
![способ измерения температуры расплава и устройство для его осуществления, патент № 2150091](/images/patents/321/2150091/955.gif)
1. Свет Д. Я. Оптические методы измерения истинных температур. - М.: Наука, 1982. 2. Кинджери В.Д. Измерения при высоких температурах. М. Металлургиздат, 1963, с. 37 (прототип). 3. Авторское свидетельство 393961 (СССР). Устройство для измерения температуры жидкого металла. Опубл. 25.06.77, Бюл. N 23 (прототип). 4. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник/ Под ред. А.Е. Шейндлина. - М.: Энергия, 1974, с. 30-88.
Класс G01J5/00 Радиационная пирометрия