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.