Способ бесконтактного измерения температуры поверхности нагретых тел

 

Изобретение относится к измерению температуры в области металлургии и обработки металлов давлением. Способ включает съемку объекта в инфракрасном и/или видимом диапазонах спектра излучения. При этом цветное изображение объекта разлагают на три цветовые компоненты - красную, зеленую и синюю. Затем преобразуют каждую компоненту в цифровую форму. Цифровые значения компонент сопоставляют с эталонными их значениями по температуре в градусах в каждом элементе изображения и определяют температуру на поверхности объекта по ближайшим эталонным значениям. Изобретение позволяет производить бесконтактное непрерывное измерение температуры нагретых тел одновременно по всей исследуемой поверхности с высокой разрешающей способностью, при условии сокращения времени измерения, а также уменьшения габаритов и массы измерительного прибора.

Изобретение относится к измерению температуры в области металлургии и обработки металлов давлением и может быть использовано на металлургических и машиностроительных заводах, имеющих плавильные, термические цехи, цехи по горячей обработке металлов давлением.

Во многих процессах металлургического производства, в особенности литейного, прокатного и кузнечного, требуется контроль температуры поверхностей обрабатываемого металла, оборудования, технологической оснастки.

Известен способ измерения температуры поверхности с помощью зачеканенных термопар, предполагающий установку спаев термопар на объекте и регистрацию созданной ими термо-ЭДС (Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Энергия, 1978. С.86-186). Однако применение термопар в производственных условиях затруднительно из-за необходимости предварительной установки их и большого количества проводов для подключения к измерительному прибору, неприемлемо при длительном нагреве металла в печи до высокой температуры (1000°С и выше) из-за опасности разрушения зачеканенных термопар.

Известен способ измерения температуры поверхности контактными термопарами-зондами (Измерительные приборы в промышленности. Каталог-справочник. - Санкт-Петербург: Издательство “Крисмас+” 2000, №7, С.4-5), который заключается в прикладывании зонда на рукоятке к исследуемой поверхности. Однако применение таких зондов в условиях высокой температуры рабочей зоны, например в печах или при разливке стали, затруднительно. Кроме того, точность измерения резко снижается при неровной поверхности объекта или наличии на ней окалины, остатков формовочной смеси, огнеупоров.

Известные способы измерения температуры поверхности оптическими и инфракрасными пирометрами (Гордон А.Н. Основы пирометрии. 2-е изд. доп. и перераб. - М.: Металлургия, 1971. 447 c.), в том числе цифровыми и микропроцессорными (Измерительные приборы в промышленности. Каталог-справочник. - Санкт-Петербург: Издательство “Крисмас+” 2000, №7, с.6), позволяют бесконтактно производить замеры путем наведения чувствительного элемента на объект и регистрации его теплового излучения. Однако невозможно произвести измерение температуры одновременно по всей исследуемой поверхности, т.к. количество чувствительных элементов у подобных приборов ограничено, а средства для быстрого сканирования всего объекта отсутствуют.

Известен способ измерения температуры сканирующими тепловизорами (типа ИРТИС-200). Этот способ позволяет получить полную картину распределения температуры, однако большое время формирования кадра, около 2 с, не позволяет исследовать современные скоростные процессы, например прокатку.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения температуры поверхности с помощью тепловизоров с матричным чувствительным элементом. При этом чувствительный элемент наводится на объект и производится считывание тепловой картины с экрана прибора (Измерительные приборы в промышленности. Каталог-справочник. - Санкт-Петербург: Издательство “Крисмас+” 2000, №7, с.7). Однако тепловизионные комплексы имеют очень высокую стоимость, и их применение часто бывает экономически не оправдано. Приемный блок тепловизоров обычно имеет большие габариты - около 200×200×100 мм и массу порядка 2 кг или требует постоянного подключения к какому-либо внешнему устройству, что затрудняет быстрое перемещение к другому объекту; число элементов в кадре у тепловизоров (обычно 256×256) невелико, а это важно при исследовании небольших по размерам или удаленных объектов; необходимость охлаждения чувствительного элемента до низких температур при использовании некоторых моделей тепловизоров создает дополнительные сложности.

Таким образом, ни один из известных способов измерения температуры поверхности нагретых тел не позволяет непрерывно и одновременно по всей поверхности произвести замеры температуры с минимальными затратами средств, например, при исследовании в производственных условиях современных скоростных методов обработки металлов давлением или температурных полей изложниц при разливке стали.

Результатом изобретения является обеспечение бесконтактного измерения температуры нагретых тел непрерывно и одновременно по всей исследуемой поверхности с высокой разрешающей способностью, малого времени измерения, малых габаритов и массы измерительного прибора, хранения большого количества термоизображений, получения термовидеофильмов, а также снижение трудоемкости и стоимости измерений. Поставленная задача решается тем, что производят съемку объекта в инфракрасном и/или видимом диапазонах спектра излучения, цветное изображение объекта разлагают на три цветовые компоненты - красную, зеленую и синюю, затем преобразуют каждую компоненту в цифровую форму, после чего цифровые значения компонент сопоставляют с эталонными их значениями по температуре в градусах в каждом элементе изображения и определяют температуру на поверхности объекта по двум ближайшим эталонным значениям.

Заявленный способ измерения температуры поверхности нагретых тел заключается в том, что производят съемку исследуемой поверхности с помощью портативной фото- или видеокамеры, которые имеют малые массу и габариты и невысокую стоимость. Видеокамеры позволяют производить съемку как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах излучения, что делает их пригодными для исследования температуры поверхности нагретого объекта в диапазоне от 400 до 1600°С. При использовании видеокамеры достигается число элементов в кадре до 576×720, а фотокамеры - 1200×1600 и выше, что позволяет измерять температуру небольших по размерам или удаленных объектов. Видеокамера позволяет производить съемку с частотой до 25 кадров в секунду, что позволяет исследовать быстропротекающие процессы. Съемку ведут с записью текущего времени для временной привязки отснятых кадров. Экспозицию выбирают исходя из яркости излучения исследуемого объекта так, чтобы объект был четко различимым. При температуре поверхности выше 700-800°С ослабляют красную и инфракрасную области спектра с помощью синего светофильтра или уменьшают весь световой поток с помощью нейтрального светофильтра для получения качественного изображения. Далее производят цифровую обработку полученного видеоматериала. При использовании камеры только с аналоговым выходом предварительно преобразуют его в цифровую форму с помощью видеоадаптера со стандартным видеовходом или TV-тюнера с разложением цветного изображения на три цветовые компоненты - красную, зеленую и синюю. Использование трех компонент вместо суммарной яркости, как в большинстве промышленных тепловизионных способов, позволяет исследовать излучение по его спектральному составу, который в отличие от яркости для серых тел зависит только от температуры и не зависит от излучательной способности поверхности тела. Это при наличии свечения объекта в видимом диапазоне (выше 550°С) позволяет измерять цветовую температуру вместо яркостной, что повышает точность измерения.

Полученные цифровые значения компонент сопоставляют с эталонными их значениями по температуре в градусах в каждом элементе изображения и определяют температуру на поверхности объекта по ближайшим эталонным значениям. Значения температуры используют для построения термограмм и/или термовидеофильма. Компьютерная обработка изображения позволяет получить достаточную для большинства задач металлургии точность измерения: погрешность при 400°С составляет менее 10°С, при 1200°С - 15°С, т.е. около 2%. Этого достаточно для получения картины распределения температур, например, на поверхности изложницы при затвердевании слитка или поверхности заготовки при горячей обработке металлов давлением.

Эталонные значения получают путем последовательных замеров цветовых компонент изображения с помощью видеосъемки образцов, равномерно нагретых в печи до различных температур - от 400 до 1200-1600°С с шагом 50°С. Измерение температуры проводят с помощью термопар, зачеканенных в образцы на глубину 1-2 мм. Режимы видеосъемки (экспозицию, светофильтр) выбирают такие же, что и при измерениях. Полученные значения цветовых компонент (измеренные видеокамерой) и температуры (измеренные термопарой) принимают за эталонные.

Пример 1. Измерение температуры на поверхности изложниц на протяжении процесса кристаллизации и охлаждения металла в условиях сталеплавильного цеха.

Точки видеосъемки выбирали так, чтобы исследуемые зоны изложниц были хорошо различимы. Какой-либо специальной подготовки изложниц не проводили. Видеосъемку осуществляли камерой Sony HandyCam TR-515 сначала только в инфракрасном режиме (переключатель Nightsurf включен), а после прогрева изложниц до 650°С - и в видимом. Для получения качественного изображения объекта при температуре выше 600°С применяли 4х нейтральный светофильтр, так как яркость свечения изложниц слишком велика. Съемку изложниц высотой 1100 и диаметром 400 мм вели с расстояния 2-10 м. Изображение записывали на стандартную 8 мм видеокассету при включенном счетчике времени. Затем отснятое изображение преобразовали в цифровую форму с помощью видеоадаптера Asus 3DP V3000 и сохранили на жестком диске компьютера в виде графических файлов. Далее последовательно читали из файлов значения цветовых компонент каждой точки и по заранее определенным эталонным значениям вычисляли значения температуры в градусах Цельсия. По этим значениям построили термограммы и термовидеофильм, отражающие динамику изменения теплового состояния изложниц. Эталонные значения получили путем одновременной видеосъемки и измерения температуры зачеканенной термопарой нагреваемого в печи стального образца до 800°С.

Таким образом, заявленный способ измерения температуры поверхности нагретых тел позволяет достичь цели изобретения, а именно: обеспечить бесконтактное измерение температуры нагретых тел непрерывно и одновременно по всей исследуемой поверхности с высокой разрешающей способностью, малое время измерения, малые габариты и массу измерительного прибора, хранение большого количества термоизображений, получение термовидеофильмов, а также снижение трудоемкости и стоимости измерений.

Формула изобретения

Способ бесконтактного измерения температуры поверхности нагретых тел, включающий съемку объекта в инфракрасном и/или видимом диапазонах спектра излучения, отличающийся тем, что цветное изображение объекта разлагают на три цветовые компоненты - красную, зеленую и синюю, затем преобразуют каждую компоненту в цифровую форму, после чего цифровые значения компонент сопоставляют с эталонными их значениями по температуре в градусах в каждом элементе изображения и определяют температуру на поверхности объекта по ближайшим эталонным значениям.