автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Повышение эффективности информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов

На правах рукописи

Подбельский Александр Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ БЕСКОНТАКТНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 в мар гоїз

Москва-2013

005051016

Работа выполнена в Московском государственном университете приборостроения и информатики (МГУПИ)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Приборы и информационно-измерительные системы» МГУПИ Слепцов Владимир Владимирович

доктор технических наук, профессор, заместитель начальника Научного Центра по науке ОАО «Российские космические системы» Данилин Николай Семенович

Ведущая организация:

кандидат технических наук, директор ООО «Глобал Тест» Кирпичев Александр Александрович

ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт» (ЦНИТИ)

Защита диссертации состоится « 28 » марта 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.119.01 в Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д. 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета

Автореферат разослан «25 » февраля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.119.01 доктор технических наук, профессор

В В. Филинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Потребность в оперативной дистанционной диагностике высокотемпературных процессов в металлургии в настоящее время непрерывно расширяется, что обусловлено, в первую очередь, необходимостью автоматизации производства. Требуемый диапазон измеряемых температур, как правило, лежит в пределах от 700 до 2000 "С. Применение в этих условиях контактных методов (термопар, измерительных зондов) неэффективно из-за их недолговечности. Таким образом, наиболее целесообразно для решения таких задач применять бесконтактные методы. Отсюда возникает необходимость в разработке методов, алгоритмов и проблемно-ориентированных приборов, адаптированных к решению конкретных задач дистанционной диагностики.

В настоящее время также резко возросла потребность в точности и быстроте в получении, обработке и воспроизведении результатов - получения точных показателей теплофизических свойств металлических расплавов в режиме реального времени. Такие результаты можно получить только за счет применения современных информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС), позволяющих осуществлять все более быстрый и эффективный контроль и управлешк процессами, протекающими в агрегатах расплава металлов. Необходим новый подход к реализации принципов ИИУС и ИИУС технологическими процессами (ИИУС ТП) с использованием самых современных бесконтактных средств измерения технологических параметров, применением новых и ранее разработанных математических моделей технологических процессов без внесения изменений в существующее технологическое оборудование.

Применение таких ИИУС является необходимым условием успешной металлоплавильной практики.

Поэтому повышение эффективности ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов за счет обеспечения точности и быстродействия при обработке полученных данных является необходимой и актуальной научно-технической задачей.

Целью диссертационной работы является повышение точности и сокращение времени определения теплофизических данных металлических расплавов за счет использования бесконтактной термометрии в производственной ИИУС.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

• на основе анализа методов бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов необходимо определить виды преобразователей, являющихся наиболее эффективными для решения данной задачи;

• разработать структуру информационно-измерительной и управляющей системы бескош-актной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов;

• разработать алгоритмы функционирования информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии;

■ разработать математическую модель информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов;

провести метрологическую оценку информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов;

• практически реализовать структурные и алгоритмические решения новых информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов.

Методы исследования

Для достижения поставленной цели в качестве аппарата исследований использованы: теория систем, спектроскопия, физическое металловедение, теория автоматического управления, теоретическая электротехника, электроника и микропроцессорная техника, теория вероятностей, прикладная комбинаторика.

Научная иовшпа работы заключается в следующем:

1. Разработана структура информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, обеспечивающая ее адаптацию к различным режимам работы.

2. Разработана математическая модель информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющая обеспечить заданную точность и быстродействия.

3. Разработан алгоритм функционирования информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, обеспечивающий работу при воздействии дестабилизирующих факторов.

4. Разработан алгоритм бесконтактной термометрии для оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющий существенно сократить время измерения.

5. Разработаны ИИУС бесконтактной термометрии для оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющие сократить время измерения на 30%.

6. Разработана методика спектральной пирометрии металлических расплавов с неизвестной излучателыюй способностью, основанная на регистрации спектра теплового излучения объекта с помощью спектрометра с ПЗС-линейкой фотоприемников. Существенное отличие ее от традиционных методов яркоепюй и цветовой пирометрии заключается в том, что данные об излучателыюй способности объекта не требуются.

Практическая значимость работы заключается в том, что: на основе научных результатов, полученных в диссертационной работе, разработана методика проектирования информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, обеспечивающих заданные показатели качества. Предложены структуры новых информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов, внедренные на ряде предприятий металлургической отрасли.

Достоверность результатов работы подтверждается:

• совпадением расчетных результатов с экспериментальными;

■ положительным опытом работы разработанных информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов. |

Реализация н внедрение результатов работы: I

Созданы и внедрены в промышленное производство информационно-измерительные и управляющие системы бесконтактной термометрии производственного уровня, обеспечивающие повышение точности оценки качества металла за счет сокращения времени определения теплофизических датшх металлических расплавов

Информационно-измерительные и управляющие системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов применены в разработках и изделиях ООО «Нординкрафт-Сенсор» (г. Череповец) и имеют высокие технико-экономнческие показатели, что подтверждено соответствующим актом о использовании.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре «Приборы и информационно-измерительные системы» Московского государственного университета приборостроения и информатики, в ОАО ЦНИТИ, на отраслевых совещаниях в ООО «Нординкрафт-Сенсор», ОАО «Северсталь», VIII Всероссийской НПК «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве», г. Новокузнецк, Международной НПК «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики», г. Сочи.

Личный вклад автора

Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, выборе и обосновании методов их решения, интерпретации полученных результатов.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ в виде статей в журналах, трудах российской и международной научно-практических конференций, из них 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных положений диссертациишых работ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 141 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 127 наименований и приложения, а также включает рисунки и таблицы в количестве 45 шт.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющая определять параметры ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, обеспечивающие заданные показатели качества.

2. Алгоритм функционирования информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, обладающий возможностью получения достоверной информации о теплофизических свойствах расплавов при воздействии дестабилизирующих факторов.

3. Алгоритм бесконтактной термометрии для оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов.

4. Методика спектральной пирометрии металлических расплавов с неизвестной излучательной способностью, основанная на регистрации спектра теплового излучения объекта с помощью спектрометра с ПЗС-линейкой фотоприемников. Существенное отличие ее от традиционных методов яркостной и цветовой пирометрии заключается в том, что данные об излучательной способности объекта не требуются.

5. Структуры информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, обладающие существенной новизной и внедренные на ряде производств.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, формулируются цель и основные направления научного исследования, отмечаются новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первая глава диссертации посвящена анализу методов бескош-актной термометрии и структур информационно-измерительных и управляющих систем для определения теплофизических свойств металлических расплавов. Также в ней определена цели и задачи исследования.

Проведенный анализ методов бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов показал, что наиболее важными параметрами при измерении теплофизических свойств являются: температура, окнсленность (содержание кислорода) и содержание водорода в металлических расплавах. Определено, что бесконтактные методы измерения температуры охватывают диапазон широкий диапазон температур и основаны на определении параметров теплового излучения объектов по их тепловому электромагнитному излучению без нарушения температурных полей. Установлено, что самыми важными характеристиками при термометрии, определяющими точность измерения температуры являются оптическое разрешение и настройка степени черноты объекта. Показано, что пирометрические методы, основаны на: измерении полного излучения (радиациошгые); частичного излучения (яркостные) и спектрального отношения (цветовые). Определено, что при измерении температуры объектов яркосгными пирометрами для получения достоверных результатов необходимо знать значение их излучательной способности, а в пирометрах спектрального отношения этого не требуется, что значительно упрощает работу с ними. Установлено, что пирометры спектрального отношения обладают большим преимуществом в возможности измерения объекта размером меньше пятна визирования прибора.

Рассмотрено современное состояние вопросов построения структур информационно - измерительных и управляющих систем (ИИУС) бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов,

Проведенный анализ ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов показал, что для решения поставленной задачи необходимо иметь ИИУС, удовлетворяющую следующим основным требованиям:

• высокая надёжность работы;

• минимальная продолжительность измерительного цикла (времени от старта до следующего старта);

• необходимая достоверность результатов замеров параметров плавки (температуры, окисленности, содержания углерода, уровня ванны);

• обеспечение возможности выполнения многократных замеров на одной плавке без повалки конвертера с автоматической перезарядкой сменных блоков.

ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов включает в себя физическую и математическую модели объекта контроля, подсистему бесконтактной термометрии, включающую алгоритмы определения теплофизических свойств металлических расплавов (рис. 1).

Математическое обеспечение ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов включает модели и алгоритмы градуировки измерительных преобразователей с целью приведения измеряемых величин к их действительным значениям, а так же модели и алгоритмы коррекции математических моделей по материалам с известными свойствами. Назначение математического обеспечения заключается в обеспечении нормируемой точности определения искомых параметров.

Рисунок 1 - ИИУС бесконтактной термометрии

На рис. 2 представлена обобщенная структурная схема ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов

Рисунок 2 - Обобщенная структурная схема ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов 0(Я, /) - измереш1ая спектральная характеристика;

- эталонная функция, одним из параметров которой является температура объекта Т.

Определено, что ИИУС в полной мере должна использовать различные методы определения, оптимизации режимных параметров процесса измерений и методы принятия решения в условиях неопределенности.

Установлено, что целью работы является обеспечение повышения точности оценки качества металла при бесконтактной термометрии за счет сокращения времени определения теплофизических данных металлических расплавов, обеспечения метрологического сопровождения измерений и интеграции результатов в ИИУС производственного уровня, что позволяет оперативно определиться с дальнейшей технологией процессов получения металлических расплавов.

Определено, что для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

на основе анализа методов бесконтактной термометрии металлических расплавов необходимо определить виды первичных преобразователей, являющихся наиболее эффективными для решения задачи определения теплофизических свойств металлических расплавов;

• разработать обобщенную структуру ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов;

• разработать базовую математическую модель ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов;

разработать алгоритмы работы ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов;

провести метрологическую оценку ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов;

• разработать и практически реализовать структурно - алгоритмические и схемотехнические решения новых ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов и выработать дополнительные рекомендации по проектированию на основе полученных результатов практических исследований.

Вторая глава посвящена разработке математической модели и алгоритмов функционирования ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов.

Показано, что построение модели ИИУС включает формирование структуры и алгоритмов функционирования ИИУС в целом; разработку элементов структуры ИИУС, алгоритмов их функционирования, механизма их взаимодействия между собой и с окружающей средой; построение алгоритмов обработки информации в ИИУС.

Установлено, что при определении математической модели ИИУС необходимо определить:

• переменные математической модели;

методы определения бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов;

• параметры структуры ИИУС;

• методы метрологического анализа;

• дестабилизирующие факторы;

• критерии оценки функционировать ИИУС.

Для возможности оценки качества и эффективности процесса функционирования ИИУС необходимо выбрать совокупности критериев оценки эффективности в функции параметров и переменных ИИУС с учетом воздействующих дестабилизирующих факторов. На рис. 2 представлена структурная схема, отражающая последовательность выполнения задач принятия решения. !

Также во второй главе разработан алгоритм функционирования ИИУС бесконтактной термометрии на основе учета основных показателей эффективности, которыми являются точность и оперативность определения теплофизических свойств.

В предлагаемом алгоритме определения теплофизических свойств металлических расплавов повышение эффективности функционирования ИИУС достигается за счет решения задачи уменьшения погрешности определе1Шя теплофизических свойств в результате влияния дестабилизирующих факторов, адаптации по режимным и энергетическим параметрам к исследуемым расплавам, прогнозирования погрешности измерений.

Рисунок 2 - Структурная схема, отражающая последовательность выполнения задач принятия решения

Разработан алгоритм спектральной пирометрии металлических расплавов с неизвестной излучателыюй способностью. В предложенном алгоритме осуществляется аппроксимация измеренной спектральной характеристики С (Я) эталонной функцией 5(Я;7"), одним из параметров которой является температура объекта.

В таком случае, искомой оценкой температуры будет аргумент Т = ТЧ функции Б (Л; Г), при котором обеспечивается наилучшее совпадение спектральных характеристик О (Л) и Б (Я; Г). Алгоритм позволяет получить качественную оценку температуры в условиях существенного искажения отдельных, заранее не известных, участков спектра; инвариантность результата к изменению интегрального коэффициента излучения объекта.

Таким образом, новизна предложенного алгоритма оценки температуры заключается в существенном расширении возможностей спектральной пирометрии в плане адекватности результата анализа зарегистрированного спектра излучения объекта при наличии в нем интервалов со значительно искаженной формой.

Разработана методика спектральной пирометрии металлических расплавов с неизвестной излучательной способностью, основанная на регистрации спектра теплового излучения объекта с помощью спектрометра с ПЗС-линейкой фотоприемников. Существенное отличие ее от традиционных методов яркостной и цветовой пирометрии данные об излучательной способности объекта не требуются.

В третьей главе рассмотрены вопросы метрологического обеспечения ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов. Показано, что измерение температуры при помощи пирометров является косвенным методом. Поток излучения объекта, регистрируемый пирометром, определяется его температурой. Кроме температуры объекта, на поток излучения оказывают влияние следующие факторы:

• излучательная способность объекта, которая зависит от его оптических свойств, электросопротивления, температуры, фазового состояния и др.;

• поглощение излучения промежуточной средой;

• отраженное объектом излучение сторонних источников.

Методические погрешности, возникающие вследствие влияния данных факторов, аддитивны, поэтому в пирометрии принято использовать обобщенный коэффициент с.

Таким образом, пирометр измеряет некую условную температуру, которую принято называть радиационной или яркостной для энергетических пирометров и цветовой для пирометров спектрального отношения.

Методическая погрешность определения температуры, связанная с неточным знанием величины е(Я,Т), для энергетических типов пирометров может быть выражена:

<5 = 1п0/|

где 0 = ех / £0 ,

Для спектральных пирометров, использующих два участка спектра, методическая погрешность составляет:

1п(в,/е2)

5т

1п(0,/02)--

(А,-Л2)-ЯТ

Помимо методических погрешностей, пирометры обладают инструментальной погрешностью, которая связана с погрешностью измерения интенсивности излучения. Для энергетических пирометров инструментальная погрешность имеет вид:

<5„= — 8Ф, С2

где 8Ф погрешность измерения потока излучения.

В пирометрах спектрального отношения прн измерении интенсивности в двух участках спектра инструментальная погрешность составляет:

Зу,

где <5у - погрешность измерения отношения потоков излучения.

Показано, что для заданной инструментальной точности измерений необходимо знание излучателыюй способности с такой же точностью.

Определена процедура выделения доминирующих компонент в составе полных погрешностей результатов измерений теплофизических свойств металлических расплавов, заключающаяся в их упорядочивании и исключения из рассмотрения всех компонент суммарный вклад которых меньше установлешюго. Показано, что предлагаемый подход обеспечивает корректность выделения доминант в совокупности компонент полной погрешности.

Проведена метрологическая оценка информационно-измерительных и управляющих систем определения теплофизических свойств металлических расплавов

В четвертой главе рассмотрены результаты практической реализации разработанных ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов.

Показано, что современным требованиям к ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов по обеспечению точности и быстродействия при обработке полученных данных удовлетворяет применение надежного и оперативного метода измерения с применением спектрометра. Он позволяет освоить новый уровень технологии контроля плавки металлов за счет получения точных показателей расплава в режиме реального времени.

Представлена разработанная ИИУС бескигтактной термометрии для оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов.

ИИУС обеспечивает автоматическое измерение спектров с занесением результатов измерений в базу данных, тестирование, управление всеми системами спектрометра, оптимизацию режимов измерения, математическую обработку спектральных данных, работу со спектральной базой данных, графическое представление спектров на дисплее и распечатку результатов измерения на принтере. В основу работы спектрометра положен метод эмиссионного спектрального анализа, использующий зависимость интенсивности спектральных линий от содержания элемента в пробе. Общая блок-схема спектрометра показана на рис. 4.

Блок-схема системы возбуждения спектра приведена на рис. 5.

ИИУС конструктивно состоит из следующих частей:

• собственно спектрометр, включающий в себя систему возбуждения спектра, систему регистрации спектра, систему управления подачей аргона, а также встроенный компьютер;

• монитор, клавиатура и мышь, подключенные к спектрометру;

• баллон аргона спектральной чистоты (ТУ 6-21-12-94), соединенный со спектрометром трубкой из полиэтилена (полиуретана) высокого давления;

• насос вакуумный, соединешшй со спектрометром вакуумным шлангом.

Рис. 4. Блок-схема ИИУС бесконтактной термометрии с применением эмиссионного спектрометра

Проба, химический состав которой надо определить 1 устанавливается на столик 2. Электрод 3 через плату разрядника 4 соединен с генератором 5. Величина промежутка между анализируемым образцом и электродом устанавливается при помощи специального калибра.

Промежуток между образцом и электродом продувается потоком аргона ВЧ (чистота газа не менее 99.998%). Регулировка потока аргона ВЧ осуществляется регулятором расхода газа (РРГ) 14. Управление РРГ осуществляется контроллером 16. Подача аргона на РРГ осуществляется через газовый клапан 15.

К промежутку прикладывается импульсное напряжение для зажигания периодического разряда униполярного искры, электрод всегда является анодом. Величина и форма напряжения и тока формируются генератором искры 5. Величина сопротивления в разрядном контуре генератора искры может меняться по команде от компьютера 17.

Излучение разряда фокусируется кварцевой линзой 8 на входную щель 10 спектрографа где раскладывается в спектр при помощи дифракционной решетки 9. Разложенный спектр регистрируется при помощи системы регистрации спектра 6 на базе набора фотодиодных линейных приборов с зарядовой связью (ПЗС) 7.

Управление системой регистрации 6, обработка зарегистрированного спектра и вычисление концентраций химических элементов осуществляется компьютером 17 при помощи специально программного обеспечения. і

Система возбуждения спектра состоит из платы разрядника 1 и генератора 2.

Генератор 2 состоит из блока питания 6 предназначенного для зарядки конденсаторов разрядного контура 4 и питания схемы управления 5. Выходы блока коммутации сопротивлений 3 подключены к плате разрядника 1.

Схема управления 5 обеспечивает контроль заряда конденсатора, нормирование энергии пробойного импульса, задает частоту следования импульсов и управляет коммутацией балластных сопротивлений. Схема управления подключается через интерфейс Я5-232 к СОМ-порту компьютера.

Рис. 5. Блок-схема системы возбуждения спектра эмиссионного спектрометра

По команде от компьютера, схема управления производит запуск периодической зарядки конденсаторов разрядного контура заданного напряжения, с последующим поджигом искрового разряда высоковольтным импульсом и разрядом конденсатора на межэлектродный промежуток через последовательно подключенные резистор. Частота следования импульсов, напряжение заряда разрядных конденсаторов и величина сопротивления задается компьютером, что позволяет варьировать энергию импульсов разряда, прикладываемую к поверхности образца.

Для работы на спектрометре используется программное обеспечение, которое обеспечивает следующие основные возможности:

• управление системами возбуждения и регистрации, а также системой продувки аргоном;

• переключение между различными аналитическими методиками;

• проведение рутинных измерений по выбранной методике;

• ведение журнала измерений и создание отчетов о результатах измерения;

• рекалибровка концентрационных кривых по контрольным образцам;

• просмотр спектра измеренных образцов и редактирование аналитической задачи;

• калибровка методики по ГСО (СОП) с учетом коррекции разбавления основы сплава и межэлементных влияний.

Луч лазера 1, проходя через линзы 2,3, отражаясь от зеркала 4, проходя через кварцевую перегородку 5, падает на исследуемую поверхность металла 6, затекшего в сменный погружной блок 7, и возбуждает ионизированное облако на исследуемой поверхности, излучение от которого проходит через объектив(-ы) 8 по волоконно-оптическим линиям связи 9 и попадает в спектрометр(-ы) 10, и результаты обработки спектра далее передаются на ЭВМ. ИИУС состоит из лазера, спектрометра и ЭВМ, составляющих системный блок 11 установки, защитного кожуха 12, зонда 13 со сменной погружной частью 7, перемещаемого в расплавленный металл посредством механизма вертикального перемещения зонда 14.

Рисунок 4 - ИИУС оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов

1 - лазер; 2 - линза; 3 - линза; 4 - зеркало; 5 - кварцевая перегородка; 6 - расплавленный металл; 7 - сменный погружной блок; 8 - объективы; 9 - волоконно-оптические линии связи; 10 - спектрометры; 11 - приборный блок; 12 - защитный кожух; 13 - зонд; 14 -манипулятор вертикального перемещения зонда.

Цикл работы разработанной ИИУС (время от старта до старта) составляет 1мин.40с и превосходит по этому показателю ИИУС фирмы Steel Nippon corpora's.

Опыт эксплуатации разработанной ИИУС на конвертере показал, что цикл плавки за счет бесповалочной работы конвертера сокращается на 4 мин.

На ОАО «Северсталь» используются три подобные ИИУС. Установлены они и па некоторых других предприятиях: в Старом Осколе, Нижнем Тагиле, Волгограде. Применение ИИУС позволило сократить время плавки в целом, улучшить ее тепловой баланс, уменьшает количество додувок и повысить стойкость футеровки конвертора (уменьшение продолжительности плавки составлило 8 минут, уменьшение износа футеровки - 25%).

Использование ИИУС на установке десульфурации чугуна позволило сократить время обработки, осуществить экономию десульфурирующих реагентов до 15%, уменьшить затраты на анализ в химической лаборатории, стабилизировать химический состав чугуна и стали. Кроме этого, применеіше этой ИИУС позволило обеспечить быструю обратную связь с доменной печыо по результатам измерения температуры, %S и %Si, возможность оперативного контроля за выпускаемым из доменной печи чугуном.

Разработанная ИИУС для автоматического определения параметров плавки в конвертере является системой контроля температуры, содержания углерода, окисленности, уровня ванны и отбора проб металла без повалки конвертера с помощью измерительного зонда. Применение такой ИИУС позволили уменьшить количество промежуточных повалок конвертера и создаёт условия для оптимизации параметров процесса продувки плавки.

С помощью ИИУС, осуществляются многократные замеры температуры, окисленности, содержания углерода, уровня ванны и отбор проб металла. Замеры и отбор проб производятся во время продувки плавки без повалки конвертера. Перезарядка сменных блоков выполняется автоматически.

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в

целом.

В приложении к диссертации представлен акт внедрения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана структура информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, обеспечивающая ее построение на основе унифицированных функциональных узлов и адаптацию к различным режимам работы.

2. На уровне аппаратных средств решена комплексная задача создания ИИУС, математического, программного и метрологического обеспечения, согласованных между собой по информационным процессам и параметрам.

3. Разработана математическая модель информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющая обеспечить заданную точность и быстродействия.

4. Разработан алгоритм функционирования информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, обеспечивающий работу при воздействии дестабилизирующих факторов.

5. Разработан алгоритм бесконтактной термометрии для оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющий существенно сократить время измерения и получить качественную оценку температуры в условиях существенного искажения отдельных, заранее не известных, участков спектра.

В предлагаемом алгоритме определения теплофизических свойств металлических расплавов повышение эффективности функционирования ИИУС достигается за счет решения задачи уменьшения погрешности определения теплофизических свойств в результате влияния дестабилизирующих факторов, адаптации по режимным и энергетическим параметрам к исследуемым расплавам, прогнозирования погрешности измерений.

6.Разработан алгоритм спектральной пирометрии металлических расплавов с неизвестной излучательной способностью. В предложенном алгоритме осуществляется аппроксимация измеренной спектральной характеристики эталонной функции, одним из параметров которой является температура объекта.

Разработаны устройства бесконтактной термометрии для оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющие сократить время измерения на 30%.

7. Предложена модель принятия решения в ИИУС бесконтактной термометрии, позволяющая оценить эффективность функционирования ИИУС.

8. Разработана методика спектральной пирометрии металлических расплавов с неизвестной излучательной способностью, основанная на регистрации спектра теплового излучения объекта с помощью спектрометра с ПЗС-линейкой фотоприемников. Существенное отличие ее от традиционных методов яркостной и цветовой пирометрии заключается в том, что данные об излучательной способности объекта не требуются.

9. Определена процедура выделения доминирующих компонент в составе полных погрешностей результатов определения теплофизических свойств металлических расплавов, заключающаяся в их упорядочивании и исключения из рассмотрения всех компонент, суммарный вклад которых меньше установленного. Показано, что предлагаемый подход обеспечивает корректность выделения доминант в совокупности компонент полной погрешности.

10. Разработаны ИИУС спектрального анализа элементов металлического расплава непосредственно в плавильном резервуаре, способная поддерживать оптимальную температуру разливаемого металла в очень узком диапазоне, ИИУС для автоматического определения параметров плавки в конвертере. С помощью ИИУС, осуществляются многократные замеры температуры, окислённосги, содержания углерода, уровня наполнения ванны и отбор проб металла. Замеры и отбор проб производятся во время продувки плавки без повалки конвертера. Перезарядка сменных блоков выполняется автоматически. Цикл работы разработанной ИИУС (время от старта до старта) составляет 1мин.40с и превосходит по этому показателю ИИУС фирмы Steel Nippon corpora's. Опыт эксплуатации разработанной ИИУС на конвертере показал, что цикл плавки за счет бесповалочной работы конвертера сокращается на 4 мин.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

!. Гордеев Ю.В., Подбельский А.Н. Использование информационно-измерительных и управляющих систем для повышения качества определения теплофизических свойств металлических расплавов. ПРИБОРЫ, 2011, №10, С. 50-55.

2. Слепцов В.В., Гордеев Ю.В., Подбельский А.Н. Информационно - измерительная и управляющая система определения теплофизических свойств металлических расплавов с использованием спектральных методов. ПРИБОРЫ, 2012, №11, С. 18-23.

Публикации в других изданиях

1. Подбельский А.Н. Вопросы построения информационно-измерительных систем для определения теплофизических свойств твердых материалов. Системы автоматизации в образовании, науке и производстве: Труды VIII Всероссийской НПК. - Новокузнецк: СибГИУ, 2011, С. 89-91.

2. Подбельский А.Н. Вопросы построения информационно-измерительных систем для определения теплофизических свойств твердых материалов. Вестник МГУПИ. М.: МГУПИ. 2011, № 35, С. 38-42.

3. Подбельский А.Н. Информационно-измерительные системы для определения теплофизических свойств твердых материалов, фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики: Сборник научных трудов по материалам XIV Международной НПК. Приборостроение - М.: МГУПИ, 2011, С.181-184.

4. Слепцов В.В., Подбельский А.Н. Задачи проектирования интеллектуальных измерительных датчиков. Вестник МГУПИ. М.: МГУПИ. 2012, № 38, С. 81-84.

Подписано к печати 25.02.2013 г. Формат 60 х 84. Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 27

Московский государственный университет приборостроения и ииформатики

107996, Москва, ул. Стромынка, 20

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНФОРМАЦИОННО -ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

БЕСКОНТАКТНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

Специальность 05.11.16. - Информационно-измерительные и управляющие системы (промышленность)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201360607

Подбельский Александр Николаевич

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Слепцов В.В.

Москва, 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ БЕСКОНТАКТНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

1.1. Анализ методов бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов....................................11

1.2. Анализ информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов......................................................................................................27

1.3. Разработка обобщенной структурной схемы информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов..............37

1.4. Постановка цели и задачи исследования....................................42

Выводы..................................................................................43

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

БЕСКОНТАКТНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

2.1. Разработка математической модели информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов..........................44

2.2. Разработка алгоритма функционирования информационно -измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии

для определения теплофизических свойств металлических расплавов.....50

2.3. Разработка алгоритма бесконтактной термометрии для оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов.........58

2.4. Разработка метода спектральной пирометрии металлических

расплавов с неизвестной излучательной способностью......................66

Выводы............................................................................................................73

ГЛАВА 3. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ БЕСКОНТАКТНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

3.1. Оценка погрешностей результатов измерений теплофизических свойств металлических расплавов методами бесконтактной термометрии............................................................................76

3.2. Выделение доминирующих компонент в составе полных погрешностей результатов измерений теплофизических свойств металлических расплавов методами бесконтактной термометрии..........81

3.3. Метрологическая оценка информационно-измерительных

и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения

теплофизических свойств металлических расплавов............................90

Выводы..................................................................................92

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

БЕСКОНТАКТНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

4.1. Разработка спектрометра для информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения

теплофизических свойств металлических расплавов...........................93

4.2. Разработка информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов........................110

4.3. Разработка информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии металлического расплава с

использованием спектральной пирометрии....................................117

Выводы.................................................................................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ

Акт использования результатов диссертационной работы.......................141

ВВЕДЕНИЕ

Потребность в оперативной дистанционной диагностике высокотемпературных процессов в металлургии в настоящее время непрерывно расширяется, что обусловлено, в первую очередь, необходимостью автоматизации производства.

Требуемый диапазон измеряемых температур, как правило, лежит в пределах от 700 до 2000 °С. Применение в этих условиях контактных методов (термопар, измерительных зондов) неэффективно из-за их недолговечности. Таким образом, наиболее целесообразно для решения таких задач применять бесконтактные методы. Отсюда возникает необходимость в разработке методов, алгоритмов и проблемно-ориентированных приборов, адаптированных к решению конкретных задач дистанционной диагностики.

В настоящее время также резко возросла потребность в точности и быстроте в получении, обработке и воспроизведении результатов - получения точных показателей теплофизических свойств металлических расплавов в режиме реального времени. Такие результаты можно получить только за счет применения современных информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС), позволяющих осуществлять все более быстрый и эффективный контроль и управление процессами, протекающими в агрегатах расплава металлов.

Необходим новый подход к реализации принципов ИИУС и ИИУС технологическими процессами (ИИУС ТП) с использованием самых современных бесконтактных средств измерения технологических параметров, применением новых и ранее разработанных математических моделей технологических процессов без внесения изменений в существующее технологическое оборудование.

Применение таких ИИУС является необходимым условием успешной металлоплавильной практики.

Поэтому повышение эффективности ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов за счет обеспечения точности и быстродействия при обработке полученных данных является необходимой и актуальной научно-технической задачей.

Целью диссертационной работы является повышение точности и сокращение времени определения теплофизических данных металлических расплавов за счет использования бесконтактной термометрии и интеграции результатов измерений в производственной ИИУС.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих

задач:

• на основе анализа методов бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов необходимо определить виды преобразователей, являющихся наиболее эффективными для решения данной задачи;

• разработать обобщенную структуру информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов;

• разработать алгоритмы работы информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов;

• разработать математическую модель информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов на основе теоретического анализа функциональной схемы;

• провести метрологическую оценку информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов;

• разработать и практически реализовать структурные, алгоритмические и схемотехнические решения новых информационно-

измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов и выработать дополнительные рекомендации по проектированию на основе полученных результатов практических исследований.

Для достижения поставленной цели в качестве аппарата исследований использованы: теория систем, спектроскопия, физическое металловедение, теория автоматического управления, теоретическая электротехника, электроника и микропроцессорная техника, теория вероятностей, прикладная комбинаторика.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана обобщенная структура информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, обеспечивающая ее построение на основе унифицированных функциональных узлов и адаптацию к различным режимам работы.

2. Разработана математическая модель информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющая формировать структуру и параметры информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов с целью обеспечения заданной точности и быстродействия.

3. Разработан алгоритм функционирования информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, обеспечивающий получение достоверной информации о теплофизических свойствах расплавов при воздействии дестабилизирующих факторов.

4. Разработан алгоритм бесконтактной термометрии для оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющий существенно сократить время измерения.

5. Разработана методика спектральной пирометрии металлических расплавов с неизвестной излучательной способностью, основанная на регистрации спектра теплового излучения объекта с помощью спектрометра с ПЗС-линейкой фотоприемников. Существенное отличие ее от традиционных методов яркостной и цветовой пирометрии заключается в том, что данные об излучательной способности объекта не требуются.

6. Разработаны ИИУС бесконтактной термометрии для оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющие сократить время измерения на 30%.

Практическая значимость работы заключается в том, что: на основе научных результатов, полученных в диссертационной работе, разработана методика проектирования информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, обеспечивающих заданные показатели качества.

Предложены структуры новых информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов, внедренные на ряде предприятий металлургической отрасли.

Достоверность результатов работы подтверждается:

• совпадением расчетных результатов с экспериментальными;

• положительным опытом работы разработанных информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов.

Созданы и внедрены в промышленное производство информационно-измерительные и управляющие системы бесконтактной термометрии производственного уровня, обеспечивающие повышение точности оценки качества металла за счет сокращения времени определения теплофизических данных металлических расплавов

Информационно-измерительные и управляющие системы бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов применены в разработках и изделиях ООО «Нординкрафт-Сенсор» (г. Череповец) и имеют высокие технико-экономические показатели, что подтверждено соответствующим актом о использовании.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре «Приборы и информационно-измерительные системы» Московского государственного университета приборостроения и информатики, в ОАО ЦНИТИ, на отраслевых совещаниях в ООО «Нординкрафт-Сенсор», ОАО «Северсталь», VIII Всероссийской НПК «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве», г. Новокузнецк, Международной НПК «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики», г. Сочи.

Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, выборе и обосновании методов их решения, интерпретации полученных результатов.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ в виде статей в журналах, трудах российской и международной научно-практических конференций, из них 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных положений диссертационных работ.

Диссертационная работа изложена на 141 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 127 наименований и приложения, а также включает рисунки и таблицы в количестве 45 шт.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель информационно-измерительной и управляющей системы бесконтактной термометрии для определения

теплофизических свойств металлических расплавов, позволяющая определять параметры ИИУС бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, обеспечивающие заданные показатели качества.

2. Алгоритм функционирования информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, обладающий возможностью получения достоверной информации о теплофизических свойствах расплавов при воздействии дестабилизирующих факторов.

3. Алгоритм бесконтактной термометрии для оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов.

4. Методика спектральной пирометрии металлических расплавов с неизвестной излучательной способностью, основанная на регистрации спектра теплового излучения объекта с помощью спектрометра с ПЗС-линейкой фотоприемников. Существенное отличие ее от традиционных методов яркостной и цветовой пирометрии заключается в том, что данные об излучательной способности объекта не требуются.

5.Устройства бесконтактной термометрии для оперативного определения теплофизических свойств металлических расплавов.

6. Структуры информационно-измерительных и управляющих систем бесконтактной термометрии для определения теплофизических свойств металлических расплавов, обладающие существенной новизной и внедренные на ряде производств.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ БЕСКОНТАКТНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

1.1. Анализ методов бесконтактной термометрии для определения

теплофизических свойств металлических расплавов

Большинство методов определения теплофизических свойств металлических расплавов основывается на регистрации параметров при не установившихся процессах теплообмена в исследуемых материалах.

Различия заключаются в характере теплового воздействия и типах регистрируемых параметров.

Методы определения параметров металлических расплавов можно разделить на две основные группы [1,3]:

• контактные методы;

• бесконтактные методы.

Наиболее важными параметрами при измерении теплофизических свойств металлических расплавах являются:

• температура;

• окисленность (содержание кислорода);

• содержание водорода.

Широко известны термометры, которые осуществляют измерение температуры лишь находясь в тепловом контакте с исследуемым объектом.

Бесконтактные (дистанционные) измерения осуществляют, используя известные закономерности теплового излучения нагретых тел.

Ограничивающим фактором при бесконтактных измерениях является то обстоятельство, что датчик должен «видеть» объект. Этим способом нельзя измерить температуру внутри непрозрачного твердого тела, при наличии между датчиком и объектом непрозрачной среды.

Пирометрические методы измерения температуры основаны на законах, устанавливающих связь между излучением абсолютно черного тела (АЧТ) и его температурой. Полная энергия, излучаемая с единицы поверхности АЧТ в единицу времени, определяется законом Стефана-Больцмана [7]

М ° =сгТ4

>

8 2 4

где о = 5,67032 10" Вт/(м К ) - постоянная Стефана-Больцмана.

Распределение излучаемой энергии по спектру представляет собой функцию с максимумом, положение которого по шкале длин волн определяется температурой тела. С увеличением температуры максимумы кривых сдвигаются коротковолновую область спектра (рис. 1.1.1). Сдвиг максимума излучения подчиняется закону смещения Вина, установленному в виде двух завис�