Пірометр для реєстрації температури зварювального процесу у реальному часі

Магазин Gtest® - авторизований постачальник пірометрів в Україні:
https://gtest.com.ua/uk/vimiryuvalni-priladi/pirometri

1. Вступ

Зварювальний процес виконується відповідно до технологічних процедур (ТСП), в яких суворо визначено зварювальне обладнання та параметри.

Якість зварного з'єднання визначається дотриманням зварювального оператора параметрів зварювання. Відхилення від заданих параметрів зварювальної процедури - зварювального струму, напруги, швидкості, початкового нагріву елементів, що зварюються - призводять до зниження якості.

Відхилення від заданих параметрів зварювальної процедури можуть виникати з різних причин – в обладнанні, матеріалах та операторі процесу. Деякі з цих причин, що знижують якість зварного з'єднання, можуть виникати в процесі зварювання, а деякі можуть періодично з'являтися та зникати.

Для зниження впливу таких явищ на процес зварювання та якість зварних з'єднань необхідно впровадити контроль якості в режимі реального часу. Такий контроль здійснюється шляхом реєстрації параметрів зварювання, таких як зварювальний струм, напруга, швидкість або непрямих показників, таких як вимірювання температури в одній або декількох конкретних точках. Фізична дія зварювального струму і напруги із заданою швидкістю забезпечує рівномірне нагрівання елементів, що зварюються за інших рівних умов і зварювального середовища. З цих причин застосовується контроль температури. Контроль температури може бути контактним – в основному за допомогою термопар, розташованих поряд із зварним швом, або безконтактним – за допомогою пірометрів, що фіксують температуру поряд із зварним швом.

Пірометр – це прилад для безконтактного вимірювання температури об'єкта за інфрачервоним випромінюванням, що випускається об'єктом. [1]. Основні елементи пірометра показано на рис. 1. Інфрачервоне випромінювання, що випускається нагрітими тілами, фокусується і надходить з оптики приладу на термочутливий елемент, який перетворює інфрачервоне випромінювання в напругу, яке потім передається для обробки мікропроцесорний блок, а інформація відображається на екрані в зручному для оператора вигляді. Найважливішою характеристикою оптики є кут огляду. Він визначає розмір спостережуваної плями об'єкта [2,3,4].

Рис. 1. Блок-схема пірометра [1].

2. Пірометричний вимір

Пірометри мають перевагу перед контактними термометрами в установці вимірювального елемента на поверхні, що вимірювається об'єкта. Термопари повинні мати хороший контакт з об'єктом, а пірометр вловлює інфрачервоне випромінювання, яке випускається об'єктом. Недоліком пірометрів є необхідність калібрування. Випромінюване інфрачервоне випромінювання залежить від коефіцієнта випромінювання об'єкта. Воно варіюється в залежності від матеріалу об'єкта, стану поверхні та незначно змінюється при зміні температури. Коефіцієнт випромінювання більшості матеріалів відомий і існують бази даних, у тому числі на сайтах виробників пірометрів, що визначають коефіцієнт випромінювання необхідного матеріалу. Стан поверхні зварних елементів однаково для кожного процесу чи партії, і пірометри мають внутрішню корекцію коефіцієнта випромінювання за зміни температури. Це допомагає скоротити процес калібрування при безконтактних вимірах температури. Для невідомих матеріалів та станів поверхні існують різні методи калібрування пірометрів. Основний метод полягає у порівнянні контактного та безконтактного вимірювання. Об'єкт нагрівається до постійної температури та вимірюється каліброваним контактним термометром. Пірометр фокусується на об'єкті, і його коефіцієнт випромінювання змінюється, поки температури контактного та безконтактного термометра однакові. І тут коефіцієнт випромінювання цього матеріалу вважається відомим.

Установка для безконтактного вимірювання температури складається із зварювального пальника, встановленого на механічному захопленні. Механічний захоплення фіксує пальник в одному положенні та усуває коливання, що виникають при рухах зварювальника. Механічний захоплення встановлено на зварювальному тракторі, який переміщається вздовж і над елементами, що зварюються, з постійною швидкістю. Зварювані елементи розміщуються на зварювальному столі. Поруч зі зварювальним столом розміщуються джерело живлення, що живить пальник, і газовий балон, що захищає з'єднання. Вимірювальне обладнання складається із модуля захоплення Lincoln Arc Tracker. Arc Tracker фіксує зварювальний струм та напругу. Він підключений до WiFi-роутера, який передає дані на ноутбук. На двох штативах встановлені пірометри IL 92 та Trotec TP10, які безконтактно вимірюють температуру у двох точках поряд із зварним швом. Пірометри підключаються до ноутбука через кабель USB. Пірометри розташовуються на відстані 1,5 м (Trotec TP10) та 1,2 м (IL 92) від точки вимірювання. Розроблено програму на Matlab для реєстрації температури з пірометрів.

Для проведення експерименту було обрано два пірометри: Trotec TP10 та IL 92. Обидва мають широкий діапазон вимірювання температур, включаючи рідкі метали. Чудове співвідношення відстані до розміру вимірюваної поверхні, що дорівнює 75:1 (Trotec TP10) і 50:1 (IL 92), дозволяє проводити вимірювання на великих відстанях навіть для невеликих об'єктів, а також в екстремальних умовах, наприклад, печі. Характеристики приладу: Trotec TP10 – діапазон виміру: від -50 до 1850 ° С; точність приладу ±2%; час реакції – 150 мс; спектральний діапазон - 8-14 мкм [5]; IL 92 – діапазон виміру: від -50 до 2200 ° С; точність приладу ±2%; час реакції – 150 мс; спектральний діапазон - 8-14 мкм [6]. Пірометри запускаються в режимі безперервного вимірювання та підключаються до комп'ютера через порт USB. Їхні вихідні сигнали зчитуються програмою, розробленою на Matlab. Один звіт пірометра є пакетом з 17 байт: два початкових FF, наступні два байти представляють поточну виміряну температуру з точністю 0,1 ° C, останній - завершальний байт - AA. Час виміру задається заздалегідь шляхом установки вхідного буфера (байт), кратного 17. Після завершення процесу результати автоматично перетворюються на температуру (градуси Цельсія), будується графік, дані зберігаються у файлі .xls, а графік – в .jpeg.

Функціональність настройки перевірена експериментально за наступних параметрів:

• зварювальний струм - 210 А
• зварювальна напруга - 25 В;
• η зварювального джерела – 0,8;
• потужність зварювання – 4200 Дж/с;
• швидкість зварювання – 50 см/хв;
• зварювання сталевих пластин розміром 50x5x200 мм.

Безконтактне вимірювання температури проводиться одночасно у двох точках, розташованих поспіль на відстані 1 мм один від одного, починаючи з 3 мм (Trotec TP10) та 4 мм (IL 92) від траєкторії зварювального пальника. Отримані температурні криві у час представлені на рис. 2 для пірометра Trotec TP10 та на рис. 3 для пірометра IL 92

Рис. 2 Крива вимірювання температури пірометром Trotec TP10 на відстані 3 мм від траєкторії зварювального пальника.

Рис. 3. Вимірювання температурної кривої пірометром IL 92 на відстані 4 мм від траєкторії зварювального пальника.

3. Висновки

Показано налаштування для вимірювання температури зварювального процесу в режимі реального часу в точці, що цікавить, за допомогою пірометра. Розроблено програму для вимірювання температури зварювального процесу в режимі реального часу різними пірометрами.