Методи монохроматичної одно- й двокольорової термометрії випромінення розплавів в металургії. Частина 1
DOI:
https://doi.org/10.15407/steelcast2025.03-04.008Ключові слова:
монохроматична одно- й двокольорова термометрія випромінення, термодинамічна та умовна температура, розплав, спектральна випромінювальна здатність, модель (рівняння) вимірювання, невизначеність вимірюванняАнотація
Термометрія випромінення найбільш прийнятна при безперервному вимірюванні температури металевих розплавів, що необхідно для вимірювального контролю їх станів по ходу плавки, а також енергозберігаючого управління останньою. В контексті максимізації вірогідності контролю й підвищення енергоефективності плавки актуальною є задача зниження невизначеності вимірювання температури розплавів. При раціональному підході цього можна досягти, спираючись на різноманіття сучасних методів монохроматичної одно- й двокольорової термометрії випромінення. Останні було поділено на дві групи, залежно від використання в їх моделях вимірювань інформації про спектральну випромінювальну здатність об’єкта. Поточна робота присвячена аналізу 1-ї групи методів термометрії випромінення — тих, в моделях вимірювань яких відсутня корекція на спектральну випромінювальну здатність. Показано, що рівність умовних та термодинамічної температур має місце при термодинамічно рівноважному випроміненні абсолютно чорного тіла, спектральна випромінювальна здатність якого тотожно рівна одиниці. Відповідно, методи одно- й двокольорової термометрії випромінення розплавів без корекції на випромінювальну здатність ґрунтуються на припущенні, що останні випромінюють як абсолютно чорне тіло. Встановлено, що емпіричні способи оцінювання температури розжарених об’єктів, зокрема розплавів, за зоровим сприйняттям їх енергетичної яскравості й кольору історично виникли першими. На початку минулого століття на їх основі виникли 2 класичні методи монохроматичної термометрії випромінення в видимому діапазоні довжин хвиль — яскравісної та спектрального відношення умовних температур. До «некласичних» віднесено 6 умовних температур, які з’явились пізніше внаслідок розвитку теоретичної бази термометрії випромінення. Розглянуто моделі вимірювань умовних температур. Виявлено 3 співвідношення між значеннями спектральної випромінювальної здатності «нечорного» об’єкта на двох довжинах хвиль, за яких систематичні методичні похибки деяких двокольорових методів виключаються. Наведено залежність спектральної випромінювальної здатності від довжини хвилі, яка обумовлює ці співвідношення. На практиці, у випадку «нечорних» об’єктів з суттєво нестабільною спектральною випромінювальною здатністю, до яких належать розплави, адекватні умови застосовності (за яких гарантовано виключається систематична методична похибка) розглянутих методів забезпечують за допомогою технологій нормалізації випромінення. Описано 5 технологій, а також наведено принципові недоліки кожної з них. Враховуючи складність та суттєву вартість технологій, а також низьку методичну точність вимірювання температури розплавів розглянутими методами термометрії випромінення без них, для безконтактного контролю температури розплавів в металургії необхідні більш метрологічно досконалі методи термометрії випромінення, поєднані з методами вимірювання спектральної випромінювальної здатності.
Завантажити
Посилання
Zhukov, L. F. (1992). Issledovanie i razrabotka metodov i sredstv temperaturnogo kontrolya i resursosberegayushchikh tekhnologicheskikh protsessov polucheniya zhidkogo chuguna v liteinom proizvodstve [Investigation and development of methods and means of temperature control and resource-saving technological processes of liquid cast-iron production in foundry engineering]. Dr. Tech. Sci. Thesis: spec. 05.11.04, 05.16.04. Institute of Foundry Problems of Academy of Sciences of Ukraine [in Russian].
Volodarskyi, Ye. Т., Kukharchuk, V. V., Podzharenko, V. O., & Serdiuk, H. B. (2001). Metrolohichne zabezpechennia vymiriuvan i kontroliu [Metrological support of measurements and control]. Vinnytsia State Technical University [in Ukrainian].
Joint Committee for Guides in Metrology. (2012). International vocabulary of metrology – basic and general concepts and associated terms (VIM): 3-rd edition. (JCGM 200:2012 (E/F)). https://doi.org/10.59161/JCGM200-2012
Zrazhevskii, А. D., Nogovitsin, A. V., & Derbenev, D. V. (2017). VII Konferentsiya staleplavilshchikov Ukraini (obzor dokladov) [The 7-th Conference оf Ukrainian Steelmakers (review of reports)]. Metal and Casting of Ukraine, 11-12(294-295), 53-59 [in Russian].
Prokhorov, A. V., Datla, R. V., Zakharenkov, V. P., Mikhaylov, O. M., Privalsky, V., Humpherys, T. W., Sapritsky, V., Parr, A. C., & Issaev, L. K. (2021). Spaceborne Optoelectronic Sensors and their Radiometric Calibration. Terms and Definitions. Part 1. Calibration Techniques (NISTIR – 7203). NIST. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/IR/nistir7203.pdf
Snopko, V. N. (1999). Osnovi metodov pirometrii po spektru teplovogo izlucheniya [Fundamentals of pyrometry methods by the spectrum of thermal radiation]. Institute of physics named after B. I. Stepanov NASB [in Russian].
Araújo, A. (2017). Multi-spectral pyrometry – a review. Measurement Science and Technology, 28(8). 082002. https://doi.org/10.1088/1361-6501/aa7b4b
Hots, N. Ye. (2012). Osnovni napriamy vdoskonalennia terminolohichnoi bazy termometrii vyprominennia [The main directions of improving the terminological base of radiation thermometry]. Measuring Equipment and Metrology, 73, 127-133 [in Ukrainian].
CCD vs CMOS: A Review of Sensor Technology. https://www.csensor.com/ccd-vs-cmos
Zhang, Z. M., Tsai, B. K., & Machin, G. (Eds.). (2009). Radiometric Temperature Measurements І. Fundamentals. Academic Press (Elsevier).
Zhang, Z. M., Tsai, B. K., & Machin, G. (Eds.). (2010). Radiometric Temperature Measurements IІ. Applications. Academic Press (Elsevier).
Poskachei, A. A., & Charikhov, L. A. (1978). Pirometriya obektov s izmenyayushcheisya izluchatelnoi sposobnostyu [Pyrometry of objects with changing emissivity]. Metallurgiya [in Russian].
Zhukov, L. F., & Bogdan, A. V. (2002). Investigation and elaboration of methods of multicolor optical thermometry. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 75(5), 1207-1212. https://doi.org/10.1023/A:1021140313623
Zhukov, L. F., Kornienko, A. L., Bogdan, A. V., Krupnik, V. M., Krupnik, L. V., Pіsarenko, V. H., & Kostanovskyi, V. V. (2012). Innovatsionnyie tehnologii mnogotsvetovoy termometrii [Innovative technologies of multicolour thermometry]. Measuring Equipment and Metrology, 73, 45-51 [in Russian].
Zhukov L. F., Kornienko A. L., Petrenko D. A., & Bogdan А. V. (2015). Ustanovka dlya pretsizionnikh issledovanii i graduirovki sistem mnogotsvetovoi pirometrii izlucheniya metallurgicheskikh obektov [Set for precision investigations and calibration of the multiwavelength pyrometry systems of metallurgical objects]. Casting processes, 6(114), 55-59 [in Russian].
Svet, D. Ya. (1982). Opticheskie metodi izmereniya istinnikh temperatur [Optical methods of true temperatures measurement]. Nauka [in Russian].
Ribaud, G. (1934). Opticheskaya pirometriya. [Optical pyrometry (translated from French by G. Landsberg and F. Landsberg)]. Gosudarstvennoe tekhniko-teoreticheskoe izdatelstvo [in Russian].
Heda, Ya. M., & Snopko, V. N. (1981). Nekotorie metodi bikhromaticheskoi pirometrii [Some methods of bichromatic pyrometry]. High temperature, 19(6), 1260-1265 [in Russian].
Gotz, N. E. (2007). The review of single-channel pyrometry. Bulletin of ZhSТU. Series Technical Sciences, 1(40), 95-100 https://vtn.ztu.edu.ua/article/view/93996 [in Ukrainian].
Zhukov, L. F., & Petrenko, D. O. (2022). Metody oposeredkovanykh vymiriuvan vyprominiuvalnoi zdatnosti volframu i zalizovuhletsevykh splaviv [Methods for indirect measurements of the emissivity of tungsten and iron-carbon alloys]. Ukrainian Metrological Journal, 1, 20-27. https://doi.org/10.24027/2306-7039.1.2022.258801 [in Ukrainian].
Chugunnii, Ye. G., & Zhukov, L. F. (1978). Avtomaticheskii kontrol temperaturi zhidkogo chuguna v liteinom proizvodstve [Automatic control of liquid cast iron temperature in foundry production]. Naukova dumka [in Russian].
Ono, A. (1988). Methods for reducing emissivity effects. In «Theory and Practice of Radiation Thermometry», ed. by D. P. DeWitt and G. D. Nutter, 565-623. Wiley.
Zhang, J., Mei, G., Zhao, S., & Xie, Z. (2014). Effect of Firing Temperature on Mechanical Properties of Al2O3–C Sensor for Continuous Measurement of Molten Steel Temperature. ISIJ International, 54(3), 553-558. https://doi.org/10.2355/isijinternational.54.553
Ma, J., Meng, L., Liu, Z., & Zhao, X. (2024). Rapid Identification of Liquid Steel Temperature in Tundish Based on Blackbody Cavity Sensor. ISIJ International, 64(11), 1691-1698. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2023-499
Sugiura, M., Yamazaki, T., Nakao, R., Tanaka, T., Nagata, S., Kumazawa, H., Tsubota, E., & Nagai, W. (2004). Development of new technique for continuous molten steel temperature measurement. Nippon Steel Corporation technical report No. 89, 23-27.
Zhukov, L., & Petrenko, D. (2024). Continuous Light-Guide Control of Melts Temperature in Induction Furnaces. System Research in Energy, 76(1), 54-64. https://doi:10.15407/srenergy2024.01.054
Yamada, Y., Ohsumi, A., Yamanaka, Z., & Yamada, T. (1997). Temperature measurement of molten metal by immersion-type optical fiber radiation thermometer. In P. Marcarino (Ed.), «Proc. TEMPMEKO ‘96», 347-352. Levrottо & Bella.
Neyens, G., Radelet, C., Indeherberge, M., & Stevens, F. (2024). Device and method for measuring a temperature of a molten metal. Patent No. 11959813B2, USA, IPC G01K 13/00, G01K 13/02. United States Patent and Trademark Office. https://patents.google.com/patent/US11959813B2/en
Cielo, P. G., Krapez, J-С., Lamontegne, M., Thomson, J. G., & Lamb, M. G. (1993). Conical-cavity fiber optic sensor for temperature measurement in a steel furnace. Optical Engineering, 32(3), 486-493. https://doi.org/10.1117/12.60857
Grujić, K. (2023). A Review of Thermal Spectral Imaging Methods for Monitoring High-Temperature Molten Material Streams. Sensors, 23(3). 1130. https://doi.org/10.3390/s23031130
Zhukov, L. F., & Bogdan, O. V. (2011). Sposib vymiriuvannia temperatury [Method for measurement of temperature]. Patent of Ukraine on utility model No. 63755, IPC G01J5/00. State Service for Intellectual Property of Ukraine. https://sis.nipo.gov.ua/uk/search/detail/674541/ [in Ukrainian].
Petrenko, D., & Hotra, O. (2025). Uncertainty budget of temperature measurement by the methods of monochromatic one- and two-color thermometry with emissivity correction. Measuring Equipment and Metrology, 86(2), 18-26. https://doi.org/10.23939/istcmtm2025.02.018
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Д.О. Петренко
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
