В России испытали новый СВЧ-радиометр МРИТ-76 для измерения температуры жидкого чугуна

Радиометр МРИТ-76 представляет собой пассивное устройство, фиксирующее тепловое излучение объектов в частотном диапазоне 75–110 ГГц (W-диапазон, длина волн составляет 2,7–4 мм). Данный участок миллиметрового спектра задействован в работе мм-волновых радаров (76–81 ГГц) и радиорелейных магистралей E/W-диапазона. Расплавленный металл генерирует электромагнитные волны не только в инфракрасном спектре, но и на радиочастотах, что позволяет эффективно вычислять температуру объекта. Примечательно, что на точность подобных замеров больше не влияют густой дым, взвешенные частицы пыли или шлаковая корка на поверхности металла.

В данном материале рассматривается бесконтактный метод мониторинга температуры жидкого металла с помощью фиксации его собственного теплового излучения в миллиметровом диапазоне. Инжиниринговый центр миллиметровой радиоэлектроники «ДОК» успешно завершил очередной этап заводских испытаний СВЧ-радиометра МРИТ-76 — специализированного прибора для непрерывного дистанционного контроля температуры расплавленных металлов.

Тестирование проводилось на действующих мощностях крупного металлургического комбината непосредственно на участке выпуска чугуна. Ниже подробно описаны поставленная задача, технические барьеры традиционных методов, физические предпосылки выбора частотного диапазона и итоги испытаний.

Сложности непрерывного дистанционного мониторинга расплава

Для выплавки высококачественных марок стали и чугуна критически важен постоянный в реальном времени контроль температурных режимов, поскольку от этого напрямую зависят физико-химические свойства получаемого сплава.

Два классических подхода — инфракрасная пирометрия и контактные термопары — решают эту производственную проблему лишь частично, и их технологические ограничения хорошо известны специалистам по металлургическим измерениям.

Специфика ограничений ИК-пирометрии

Главный недостаток инфракрасных пирометров заключается в жестком требовании к оптической прозрачности среды. Плотный дым, пылевые завесы и аэрозоли над поверхностью расплава рассеивают и поглощают световые и инфракрасные волны. Это ослабляет полезный сигнал и делает результаты измерений зависимыми от состояния атмосферы в зоне видимости. Двухспектральные пирометры эффективнее справляются с равномерным затуханием сигнала, однако при интенсивном и неоднородном задымлении оптические системы все равно теряют точность.

Дополнительным фактором выступает переменная структура наблюдаемой поверхности. Как и в случае с радиометрией (включая МРИТ-76), для точного расчета абсолютной температуры необходимо учитывать коэффициент эмиссии материала.

У зеркала жидкого металла поверхность постоянно трансформируется из-за появления оксидных пленок, шлаковых наплывов и прочих неоднородностей. Если в поле зрения пирометра попадают зоны с разной температурой и излучательной способностью, прибор фиксирует усредненный показатель, погрешность которого зависит от конкретной визуальной картины.

Минусы контактных методик

Погружные термопреобразователи остаются классическим инструментом для проверочных замеров температуры расплавов. Поскольку измерительный зонд помещается непосредственно в металл, метод обеспечивает эталонное значение в конкретный момент времени, но принципиально отличается от задач непрерывного удаленного мониторинга.

•      Для эпизодических замеров активно применяются одноразовые погружные датчики со сменными наконечниками. Зонд погружают на несколько секунд, фиксируют стабильное показание и утилизируют расходный элемент перед следующим циклом.

•      Регулярный контроль множества плавок влечет за собой постоянное потребление сменных зондов, защитных гильз и сопутствующей арматуры, формируя существенные эксплуатационные расходы.

•      Главное препятствие для непрерывного контроля — дискретность данных. В промежутках между погружениями оперативная информация о динамике температуры отсутствует, из-за чего технологический процесс на этом отрезке остается «слепым».

•      Существуют и долговечные контактные системы с непрерывным погружением в расплав. Они выдают постоянный сигнал, но требуют сложного монтажа, усиленной защиты датчиков и регулярного обслуживания. Более того, их установка на открытом движущемся потоке металла технически не реализуема.

•      При ручном погружении сотрудники работают в опасной близости от раскаленного металла. Процесс стараются автоматизировать, однако это требует громоздкого спецоборудования, в то время как бесконтактный радиометр монтируется на безопасном удалении.

Таким образом, контактные датчики незаменимы как эталонные средства для калибровки бесконтактного оборудования. Радиометр МРИТ-76 ориентирован на непрерывное дистанционное отслеживание технологического процесса без физического вмешательства в расплав.

Почему миллиметровый диапазон невосприимчив к задымлению

Прибор МРИТ-76 улавливает собственное тепловое излучение объекта в полосе 75–110 ГГц (длины волн 2,7–4 мм). Для частиц пыли и дыма, чьи физические размеры значительно меньше длины волны, интенсивность рассеяния миллиметровых волн неизмеримо ниже, чем в оптическом диапазоне (в рамках релеевского рассеяния).

Именно поэтому дымовые завесы и пыль, критически ухудшающие работу ИК-систем, практически не мешают радиометрическому каналу. Сходные физические принципы заложены, например, в морских радиолокаторах, способных функционировать в плотном тумане при нулевой видимости.

Стоит отметить, что молекулы воды и водяной пар взаимодействуют с миллиметровыми волнами активнее мелких твердых частиц. Тем не менее, в полосе 75–110 ГГц при небольшой дистанции до объекта (в пределах нескольких метров) этот фактор пренебрежимо мал. Заметное затухание наблюдается лишь на радиолиниях протяженностью в сотни метров и километры, поэтому в условиях цеха влажность не создает критических помех.

Ход испытаний

Радиометр смонтировали в непосредственной близости от разливочного желоба, направив на поток жидкого чугуна. Измерения производились непрерывно в ходе нескольких технологических циклов выпуска металла в штатной обстановке цеха, сопровождавшейся выбросами искр, интенсивным жаром и задымлением.

Результаты тестирования

Для верификации данных использовали штатный оптический пирометр предприятия. На графике ниже сопоставлены показатели приборов: кривая СВЧ-радиометра приведена с пятисекундным усреднением, а данные ИК-пирометра поступали в SCADA-систему с интервалом усреднения 30 секунд. С начала графика и вплоть до отметки 21:00 фиксировалось сильное задымление рабочей зоны.

В периоды задымления не наблюдалось ни систематического падения показателей радиометра, ни увеличения разброса данных — кривая точно повторяла общую температурную динамику. В то же время показания инфракрасного пирометра в эти моменты демонстрировали скачкообразные колебания (хотя в SCADA за счет 30-секундного фильтра эти выбросы были сглажены).

Кроме того, на графиках SCADA заметны зоны, где показатели ИК-датчика «замирают» у пределов шкалы, особенно в верхнем диапазоне около 1535–1540 °C. Источник этого ограничения (конфигурация пирометра, особенности токовой петли 4–20 мА или логика АСУ ТП) установить не удалось, поэтому участки у границ шкалы не подходят для строгого сравнения методик.

Столь высокая степень сходимости графиков наблюдалась не во всех плапках. Ключевой причиной отклонений стала точность юстировки прототипа МРИТ-76: если поток металла заполнял поле зрения не полностью, в измеряемый радиосигнал попадал фон от стенок желоба, а смещения струи искажали результат. Для серийного образца инженеры уделили особое внимание простой и точной настройке прибора непосредственно на объекте.

Параллельно контролировался тепловой баланс самого радиометра. Принудительный обдув не потребовался: температура внутренних компонентов (электронной платы и антенной линзы) оставалась далеко в пределах безопасных лимитов.

Усовершенствования для серийного выпуска

Основываясь на результатах промышленных тестов, разработчики выделили четыре вектора доработки прибора для коммерческого применения:

•      Местная юстировка: интеграция встроенного дисплея с текущими значениями температуры, лазерного целеуказателя и эргономичного поворотного кронштейна. Это позволит настраивать устройство прямо на точке контроля без подключения к удаленному ПК.

•      Интерфейсы и коммуникации: настраиваемый промышленный выход 4–20 мА для интеграции в АСУ ТП, порт Ethernet/TCP-IP для конфигурации и диагностики, а также встроенный защищенный накопитель для автономного логирования температурных и служебных данных.

•      Компактность: габариты корпуса нового поколения составят примерно 150 × 150 × 500 мм при общей массе около 4 кг.

•      Терморегулирование: поскольку в штатных сценариях принудительное охлаждение не нужно, удалось уменьшить корпус. Для работы в условиях экстремальных тепловых нагрузок будет предусмотрена специализированная модификация увеличенного объема с системой воздушного охлаждения.

Заключение

Испытания на практике доказали невосприимчивость СВЧ-радиометрии к плотным дымовым завесам на выпуске чугуна — основному препятствию для классических оптических приборов.

Общая динамика температур, зафиксированная радиометром, полностью отражает реальные процессы и коррелирует с показаниями штатных ИК-пирометров, хотя абсолютные значения зависят от качества наведения прибора на струю.

Следующим шагом станет запуск в серию готовой промышленной модификации МРИТ-76, оснащенной средствами быстрой юстировки, стандартными индустриальными интерфейсами (4–20 мА, Ethernet), внутренней памятью и оптимизированным легким корпусом.

 

Источник