Metody badań wyrobów i procesów

Temat: Wykorzystanie metod
pomiaru temperatury do

innowacyjnych procesów w
metalurgii i odlewnictwie,

do identyfikacji zjawisk,
poszerzania bazy danych i

sterowania procesami w

metalurgii i odlewnictwie.

Data wykonania:
19.05.2014 r.

Data oddania
sprawozdania:

02.06.2014 r.

Ocena:

Paweł BRZÓSKA
Rafał HOFMAN

Mateusz MYTYCH
Robert KNOSKI

Adrian KAŁKOWSKI

Mechanika i
Budowa Maszyn

TPM - semestr VI

Prowadzący:

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z różnymi aparaturami do pomiaru temperatury z

wyróżnieniem na metody stykowe i bezstykowe.

2. Metoda stykowa

OPIS METODY

W dzisiejszych procesach odlewniczych i metalurgicznych, pomiary temperatury stosuje

się w celu sprawdzenia poprawności przeprowadzonej symulacji komputerowej oraz
wyznaczenia rzeczywistej krzywej stygnięcia. Największą zaletą stosowania metod stykowych w

pomiarze temperatury jest możliwość jej badania w dowolnym miejscu – zarówno na
powierzchni,

jak

i wewnątrz odlewu.

Podstawowym elementem układu mierzącego temperaturę jest termoelement. Jego

działanie oparte jest na zjawisku Seebecka, polegającym na powstawaniu siły

elektromotorycznej
w obwodzie zawierającym dwa różne metale, gdy ich złącza znajdują się w różnych

temperaturach. Powstające napięcie jest proporcjonalne do różnicy temperatur.

Termoelementy podzielone są na 3 grupy: I (-200⁰C do 1200⁰C, brak metali

szlachetnych),
II (0⁰C do 1600⁰C, platynowo-rodowe) i III(0⁰C do 2200⁰C, wolframowo-renowe). Z kolei grupy

podzielone są na typy, różniące się od siebie zawartością poszczególnych pierwiastków.
W odlewnictwie staliw i żeliw bardzo popularne są termoelementy typu S (PtRh10-Pt) oraz

typu K (NiCr-NiAl). Możliwe jest również występowanie termoelementów J (Fe-CuNi).

Termoelement platynarod-platyna, oznaczenie S lub PtRh10-Pt (90% Pt, 10% Rh-Pt) jest

stosowany do 1300°C (dorywczo do 1600°C). Jest on najbardziej rozpowszechnionym
termoelementem wykonanym z metali szlachetnych. Stosuje się go jako termoelement

wzorcowy przy odtwarzaniu międzynarodowej skali temperatur.

Termoelement nikielchrom-nikielaluminium, oznaczenie K lub NiCr-NiAl jest odporny

na atmosferę utleniającą, w wyższych temperaturach jest wrażliwy na atmosferę redukcyjną i na

obecność związków siarki. Termoelement K odznacza się najwyższą temperaturą pracy z
wszystkich innych termoelementów z metali nieszlachetnych do 1000°C (nawet do 1300°C). Ma

on prawie prostoliniową charakterystykę termometryczną. Termoelement ten wyparł
powszechnie stosowany

NiCr-Ni.

Termoelement, żelazo-konstantan, oznaczenie J lub Fe-CuNi (Fe-Konst), jest

powszechnie stosowany ze względu na niską cenę, stosunkowo dużą wartość siły

termoelektrycznej i możliwość stosowania zarówno w atmosferze utleniającej jak i redukcyjnej.
Zakres zastosowania od -200 do 600°C (dorywczo do +800°C). Termoelement ten powinien być

chroniony od zetknięcia z gazami zawierającymi wilgoć, tlen i siarkę. Bliskim odpowiednikiem
termoelementu Fe-Konst jest termoelement Fe-Kopel.

PRZEBIEG ĆWICZENIA

Pomiar temperatury metodą stykową należało rozpocząć od wyboru odpowiedniego

termoelementu. Należało zwrócić uwagę na: zakres temperatur pracy, czułość, stabilność
termiczną, atmosferę pracy oraz oczywiście koszt. Po dobraniu termoelementu trzeba było

zespawać dwa druty określić miejsce, w którym zostaną umieszczone (np. powierzchnia lub

wnęka formierska). Kolejnym krokiem było przyłączenie przewodów kompensacyjnych i
zamknięcie obwodu w celu dokonania pomiarów.

WNIOSKI

Pomiary metodą stykową są dokładną metodą pomiaru temperatury. Jednak należy

pamiętać, że ze względu na inercyjną charakterystykę termoelementów wynika, że odpowiedź
nie pojawia się w czasie zerowym, lecz z pewnym opóźnieniem, związanym z nagrzewaniem się

termoelementu. Długość tego opóźnienia zależna jest od stałej czasowej T.

Jest to wielkość zmienna, zależna od wielu czynników, takich jak:

- średnica drutów i ich skład chemiczny,
- umiejscowienie termoelementu,

- stosowanie osłonek i ich wielkość,
- różnica temperatur pomiędzy drutem, a obiektem badanym.

W trakcie odpowiedzi metal stygnie, więc tracimy pewną ilość danych. Ich liczba jest

zależna od stałej czasowej i szybkości stygnięcia odlewu.

Dodatkowo wpływ na otrzymaną wartość temperatury może mieć jakość utworzonej

spoiny.

3.Metoda bezstykowa:

OPIS METODY

Sposób pomiaru temperatury wykorzystujący promieniowanie cieplne. Promieniowanie

cieplene emitowane jest przez każda materie o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego,
zachodzi ono w całej objętości ciała, jednak jest mało przenikliwe, dlatego w ciałach stałych

oraz cieczach promieniowanie pochodzące z warstwy przypowierzchniowej o grubości kilku
mikrometrów ma szanse wydostania się na zewnątrz. Z tego względu promieniowanie cieplne

cial stalych i ciekłych jest traktowane, jako zjawisko powierzchniowe (z malymi wyjatkami). W

odróznieniu od przewodzenia i konwekcji, które wymagaja zetknięcia się ciał, promieniowanie
może zachodzić w próżni.

Pirometr

-

przyrząd pomiarowy służący

do bezdotykowego pomiaru temperatury. Działa w

oparciu o analizę promieniowania
cieplnego emitowanego przez badane ciała.

Wszystkie ciała o temperaturze wyższej od
temperatury zera bezwzględnego emitują

promieniowanie cieplne o podobnej
charakterystyce zwanej promieniowaniem ciała

doskonale czarnego. Proste pirometry mierzą ilość

energii emitowanej poprzez pomiar temperatury elementu, na który pada promieniowanie. Do
pomiaru temperatur powyżej 600 °C używane są pirometry optyczne, w których jasność

świecenia badanego obiektu jest porównywana z jasnością obiektu wzorcowego (np. żarnika).

Kamera termowizyjna swoje działanie opiera na zjawisku promieniowania

podczerwonego, które jest niewidzialne dla ludzkiego oka. Promieniowanie tego typu moża
wykrywać z większych odległości niż normalne promieniowanie widzialne. Przedmiot lub ciało

o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego, zawsze jest źródłem promieniowania
podczerwonego. Promieniowanie emitowane przez ciało fizyczne o temperaturze większej od

zera bezwzględnego rejestrowane jest przez kamerę termowizyjną. Promieniowanie to
przechodzi przez soczewkę i trafia na detektor kamery termowizyjnej. Sposób odczytu jest

podobny jak w przypadku promieniowania widzialnego na kliszy zwykłego aparatu
fotograficznego.

Kamery termograficzne znajdują

zastosowanie w wielu dziedzinach
gospodarki, np. budownictwie, przemyśle,

energetyce, medycynie, badaniach
naukowych – wszędzie tam, gdzie

temperatura jest ważnym parametrem
diagnostycznym stanu obiektu. Temperatura

jest parametrem, który zmienia się w wielu
wypadkach na długo przed wystąpieniem

awarii. Pozwala to przy regularnie
prowadzonych przeglądach na wykrycie

miejsc przyszłych awarii lub innych
obszarów zagrożenia i podjęcie

odpowiednich działań prewencyjnych np.
wykonanie termoizolacji budynku,

rurociągu, wykrywanie zagrożenia

przegrzania układów, przewodów, złącz,
zidentyfikowanie stanów zapalnych części

ciała itp. W wielu sytuacjach kamera
termograficzna jest jedynym narzędziem

umożliwiającym pomiar temperatury
obiektów wysoko położonych lub będących

pod napięciem.

Kamera termowizyjna V50 firmy VIGO:

Zakres

pomiarowy

-20 do 120ºC, 0 do 400ºC(określony indywidualnie), opcjonalnie do 1500ºC

Dokładność

±2ºC, ±2% zakresu

Tryby pomiaru

-pirometryczny, pomiar temperatury w punkcie centralnym obrazu

-pomiar temperatury w dowolnym punkcie obrazu

-pomiar temperatury w 5 dowolnych punktach obrazu jednocześnie

-pomiar temperatury minimalnej i maksymalnej

Korekcja

Korekcja transmisji przez atmosferę (z uwzględnieniem wilgotności, temperatury

otoczenia i odległość)

Korekcja emisyjności (0.01 do 1.0)

Korekcja temperatury otoczenia

Do każdej kamery dołączane jest oprogramowanie THERM. Przy pomocy którego mamy

możliwość oglądania oraz analizowania uzyskanych obrazów. Oprogramowanie umożliwia
różnego rodzaju badania rozkładu temperatur, definiowania regionów, wykresów, histogramów.

Oferujemy także biblioteki programisty DLL i do LAB View umożliwiającą opracowanie
własnego oprogramowania do komunikacji z kamerą.

WNIOSKI

Pomiary temperatury metodą bezstykową dają możliwość badania temperatury w

trudno dostępnych miejscach (obiektów wysoko położonych lub będących pod napięciem).
Zdjęcie z kamery termowizyjnej umożliwia pomiar temperatury w dowolnym punkcie obrazu.
Wadą metod bezstykowego pomiaru temperatury jest fakt ze można zbadać temperaturę tylko
na powierzchni obiektu.