В России провели новые испытания СВЧ-радиометра МРИТ-76 для контроля температуры расплавленного чугуна в выпускном лотке

Радиометр МРИТ-76 — это пассивный прибор, он регистрирует тепловое излучение объекта в диапазоне 75–110 ГГц (W-диапазон, длины волн 2,7–4 мм). Это тот же участок миллиметрового спектра, где работают радары мм-волновые 76–81 ГГц и радиорелейные линии E/W-диапазона. Расплав металла испускает электромагнитное излучение не только в инфракрасном спектре, но и в виде радиоволн, и по этому радиоизлучению можно также определять температуру объекта. При этом точность измерения больше не зависит от дыма, частиц пыли и корки шлака над расплавом металла.

В этой новости — про бесконтактное измерение температуры расплавленного металла, основанное на приеме теплового излучения в мм-диапазоне. Центр компетенции по мм-волновой технике «ДОК» провел очередной этап промышленных испытаний СВЧ-радиометра МРИТ-76 — прибора для непрерывного бесконтактного контроля температуры расплавленного металла по его собственному тепловому излучению.

Испытания проходили на крупном действующем металлургическом производстве в зоне выпуска чугуна. Ниже — постановка задачи, ограничения существующих методов измерения, физическое обоснование выбранного диапазона и результаты испытаний.

Почему непрерывный бесконтактный контроль расплава — нетривиальная задача

Для качественной плавки контроль температуры особых марок стали, чугуна или иного металла нужен непрерывно и в реальном времени, т.к. от этого зависят свойства металла для последующих технологических операций.

Два стандартных способа измерения — ИК-пирометрия и контактные термопреобразователи закрывают эту задачу лишь частично, и ограничения обоих хорошо известны в металлургическом приборостроении.

Ограничения ИК-пирометрии

Ключевое ограничение ИК-пирометрии в рассматриваемой задаче — это необходимость достаточной оптической видимости объекта. Дым, пыль и аэрозоли над зеркалом расплава рассеивают и поглощают оптическое и инфракрасное излучение, уменьшая полезный сигнал и повышая зависимость результата от состояния среды между прибором и объектом. Двухцветные пирометры (2-х дмапазонные пирометры) лучше переносят равномерное ослабление сигнала, однако при плотном или неоднородном задымлении ограничения оптического метода в той или иной степени остаются.

Еще один фактор включает в себя свойства и неоднородность наблюдаемой поверхности. Как и для других радиометрических методов, включая МРИТ-76, при восстановлении абсолютной температуры необходимо учитывать коэффициент излучательной способности объекта.

У расплавленного металла состояние поверхности постоянно меняется из-за оксидной пленки, корки шлака и других неоднородностей. Если в пятно визирования у пирометра одновременно попадают участки с разной температурой и коэффициентом излучения, результат представляет собой их совместный вклад, а направление и величина отклонения зависят от конкретной сцены.

Ограничения контактных методов

Погружные термопреобразователи остаются в отрасли одним из основных способов контрольного измерения температуры расплава. При таком измерении чувствительный элемент непосредственно вводится в металл, поэтому метод дает хорошее опорное значение температуры в конкретный момент времени, но по принципу применения решает другую задачу, чем дистанционный непрерывный мониторинг температуры расплава.

•      Для точечных измерений широко применяются расходные погружные датчики со сменной измерительной головкой или наконечником. Датчик вводится в расплав на несколько секунд, после получения устойчивого показания извлекается, а расходный элемент заменяется перед следующим измерением.

•      При регулярном контроле большого числа плавок это означает постоянный расход измерительных головок, защитных элементов и сопутствующей оснастки, то есть эксплуатационные затраты, зависящие от требуемой частоты измерений.

•      Главное ограничение такого подхода для непрерывного контроля — это дискретность: между погружениями, т.к. непосредственных данных о температурной динамике нет. Между контрольными точками могут происходить изменения процесса плавки.

•      Существуют также многоразовые и непрерывные контактные системы, в которых термопреобразователь длительно работает в контакте с расплавом. Они позволяют получать непрерывный сигнал, но требуют специальной монтажной схемы, защиты чувствительного элемента, обслуживания и подходят не для всех зон технологического процесса — например, их применение на открытом движущемся потоке расплава может быть конструктивно нереализуемой задачей.

•      При ручном погружении персонал выполняет операцию в непосредственной близости от раскаленного металла. Операцию стараются механизировать или автоматизировать, но это требует дополнительной оснастки; дистанционный бесконтактный прибор изначально устанавливается вне расплава, и работа с ним безопасна для персонала.

Поэтому контактные методы особенно полезны как опорные и контрольные измерения, в том числе при калибровке бесконтактных приборов. Радиометр МРИТ-76 решает прежде всего задачу непрерывного дистанционного наблюдения за температурой процесса без постоянного контакта чувствительного элемента с расплавом.

Почему миллиметровый диапазон менее чувствителен к задымлению

МРИТ-76 регистрирует собственное тепловое излучение объекта в диапазоне 75–110 ГГц, которому соответствуют длины волн примерно 2,7–4 мм. Для частиц дыма и пыли, характерный размер которых существенно меньше длины волны, эффективность рассеяния миллиметрового излучения значительно ниже, чем в оптическом диапазоне. В пределе малых частиц это соответствует релеевскому режиму рассеяния.

Поэтому дым и пыль, заметно ухудшающие видимость и работу ИК-систем, могут существенно слабее влиять на миллиметровый радиометрический канал. Родственный физический принцип используется, к примеру, в морской радиолокации: более длинные радиоволны способны работать в условиях тумана, когда оптическая прозрачность среды недостаточна.

При этом водяной пар и водная взвесь взаимодействуют с миллиметровыми волнами сильнее, чем мелкие твердые частицы дыма. Однако в диапазоне 75–110 ГГц при характерной для МРИТ-76 длине трассы в несколько метров этот эффект обычно невелик; заметно более существенным он становится для радиолиний протяженностью в сотни метров и километры. Поэтому для рассматриваемых сценариев применения водяной пар не является определяющим ограничением метода.

Методика испытаний

Радиометр устанавливался в непосредственной близости от зоны выпуска и наводился на желоб, по которому течет чугун. Измерения велись непрерывно в ходе нескольких последовательных выпусков в штатной производственной обстановке — при дыме, искрах и интенсивном тепловом излучении от расплава.

Результаты

Для сопоставления использовались данные штатного ИК-пирометра, установленного на технологической установке. На графике ниже приведен характерный фрагмент измерений: кривая СВЧ-радиометра дана с усреднением 5 секунд, кривая ИК-пирометра соответствует данным, поступающим в SCADA с усреднением 30 секунд. От начала графика и примерно до отметки времени 21:00 присутствовал участок сильного задымления.

На участке задымления систематического снижения показаний радиометра или увеличения их разброса не зафиксировано; показания оставались в русле общей температурной динамики. В то же время локальная индикация ИК-пирометра в этот период могла меняться скачкообразно. В данных SCADA, где применялось 30-секундное усреднение, эти изменения были выражены значительно слабее.

В данных SCADA также заметны участки, где ИК-канал практически перестает изменяться вблизи границ используемого диапазона; особенно выражена верхняя граница около 1535–1540 °C. По имеющимся данным нельзя определить, где именно возникает это ограничение — в настройках самого пирометра, преобразовании аналогового выхода 4–20 мА или в системе сбора данных. Поэтому участки вблизи границ диапазона не следует использовать для точной оценки расхождения двух методов.

Такое близкое совпадение показаний, как на приведенном графике, наблюдалось не во всех циклах измерений. Одним из основных факторов могла быть юстировка опытной версии МРИТ-76: при неполном заполнении зоны визирования потоком металла в измеряемый сигнал начинает вносить больший вклад окружающий желоб, а изменения положения и формы потока дополнительно влияют на результат. Для промышленной версии поэтому особое внимание уделено быстрой и воспроизводимой юстировке непосредственно на месте установки.

Отдельно контролировался тепловой режим самого прибора. В использованном месте установки принудительное воздушное охлаждение не потребовалось: температура платы электроники и линзы антенны внутри корпуса радиометра оставалась значительно ниже предельно допустимых значений.

Доработки для серийного промышленного исполнения

По итогам испытаний для промышленной версии сформированы четыре основных направления доработки радиометра:

•      Юстировка на месте установки: локальный индикатор текущей температуры на корпусе, лазерный указатель и регулируемое поворотное крепление. Это позволит настраивать прибор непосредственно рядом с точкой измерения, без контроля показаний с удаленного компьютера.

•      Интеграция и регистрация данных: настраиваемый аналоговый выход 4–20 мА для АСУ ТП; Ethernet/TCP-IP для настройки, диагностики и считывания данных; внутренняя энергонезависимая память для автономной записи температуры и технических параметров.

•      Компактное исполнение: новый проектируемый корпус для основных рассматриваемых сценариев будет иметь ориентировочные габариты около 150 × 150 × 500 мм, а масса прибора снизится примерно до 4 кг.

•      Тепловой режим: для рассматриваемых сценариев применения принудительное охлаждение не требуется, что и позволяет перейти к более компактному корпусу. Для объектов с существенно большей тепловой нагрузкой при необходимости возможно отдельное исполнение увеличенного размера с воздушным охлаждением.

Выводы

Испытания подтвердили устойчивость показаний СВЧ-радиометрии к сильному задымлению, характерному для зоны выпуска чугуна, — одному из ключевых факторов, затрудняющих оптические измерения в таких условиях.

Общая температурная динамика, зарегистрированная радиометром, согласуется со штатным ИК-пирометром, хотя такое близкое совпадение абсолютных показаний наблюдалось не во всех циклах. Существенным фактором остается геометрия визирования и воспроизводимость юстировки.

Следующий этап — переход к промышленной конфигурации МРИТ-76 с локальными средствами юстировки, стандартным выходом 4–20 мА, Ethernet/TCP-IP, внутренней памятью и значительно более компактным и легким корпусом.