Pomiary temperatury w piecu

Pomiary temperatury w piecu. Stożki, pierścienie, termopary, pirometry.

To druga część artykułu o pomiarach temperatury. Część bardziej techniczna. W technologii ceramicznej pomiary temperatury i ogólnie ilości dostarczanej energii cieplnej mają krytyczne znaczenie. Przedstawię pobieżnie kilka aspektów, które moim zdaniem należy wziąć pod uwagę.

Uprzedzam! Artykuł chyba dla wąskiej grupy ludzi, którzy:

dysponują piecem
mają przynajmniej blade pojęcie o technice
nie boją się eksperymentować
oczekują spektakularnych efektów
mają bardzo konkretne wymagania co do ustawionych: temperatury i czasu wypału

Trochę teorii

Wędrówka ciepła w piecu

Należy pamiętać, że w piecach ceramicznych ciepło dostarczane jest głównie w wyniku konwekcji ( czyli ruchu powietrza wynikającego z różnicy temperatur ). W przypadku pieców elektrycznych jest to tzw. konwekcja swobodna. Nie ma innego czynnika wymuszającego ruch powietrza w piecu. W przypadku pieców gazowych i na paliwa stałe ( np. drewno ) jest to konwekcja wymuszona. Ruch ciepła związany jest z przepływem spalin od palnika ( paleniska) do przewodu kominowego. W przypadku pieców elektrycznych należy jednak wziąć pod uwagę promieniowanie elementów grzejnych. Wymiana ciepła przez promieniowanie jest dużo bardziej efektywna niż wymiana przez konwekcję ( wynika to z prawa Stefana-Bolzmanna ( btw. Stefan to nazwisko! )). Jest to niezwykle ważne gdyż oznacza, że temperatura powierzchni produktów sąsiadujących ze spiralami grzejnymi może być dużo wyższa niż ta wskazywana przez termoparę (automatykę pieca)!!!.

Parametry pomiarowe

W technologii ceramicznej pomiary temperatury mają krytyczne znaczenie. Są przynajmniej trzy parametry związane z temperaturą. Każdy jest inny ale odgrywa równie ważną rolę.

1/ Temperatura ( pomiar statyczny ) – to pomiar temperatury w danej chwili. Przeważnie to co widzimy na wyświetlaczu automatyki. Sytuacja jest dość jasna patrzymy, sprawdzamy widzimy, wiemy.

2/ Przyrost temperatury w czasie ( tzw. Δ – delta ) – to wskazanie jak ma przyrosnąć ( lub spaść) temperatura w danym czasie od poziomi A do poziomu B – Ustawiamy temperaturę na automatyce, że ma wzrosnąć od A do B w danym czasie. Np 200 C wciągu 16 minut. ( przykład ! )

3/ Dynamika przyrostu temperatury ( nie będzie rachunku różniczkowego 🙂 ) Tu już zaczynają się ‘schody’. Dlaczego? Ponieważ temperatura może rosnąć różnie!!! Jest pewnie nieskończona ilość możliwości ale np.

Wracając do ceramiki. Ważna jest nie tylko temperatura jaka ma być osiągnięta ale również w jakim czasie ale i jaką drogą.

Stożki pirometryczne

Po pierwsze temperatura musi być dokładnie taka jak chcemy – czyli ważna jest ‘prawdziwość’ pomiaru. Oznacza to, że jeśli życzymy sobie np. 1320 C to to co widzimy na wyświetlaczu musi być dokładnie tym co chcemy osiągnąć!!! Do określania dokładności najlepiej wykorzystać stożki pirometryczne ustawione w tzw. miejscu referencyjnym. Jest to miejsce, w którym najbardziej zależy nam na otrzymaniu określonej temperatury. Przeważnie jest to centralna część pieca. Ale nie koniecznie… Chodzi o to, żeby wstępnie, w miarę dokładnie, skorelować temperaturę w piecu z temperaturą wskazywaną na wyświetlaczu.

Stożki pirometryczne mogą również służyć do zbadania rozkładu temperatur w piecu podczas wypału. Zdarza się, dość często, że w piecu występują duże różnice temperatur na poszczególnych półkach. Związane to jest z budową pieca, umieszczeniem elementów grzejnych, rozmieszczeniem poszczególnych produktów podczas wypału. Ważne jest aby wiedzieć jakie te różnice są, bo są zawsze!!!

Termopary

Termopara to element pomiarowy ( ale nie tylko pomiarowy ) – składający się z dwóch różnych przewodników, połączonych w jednym punkcie ( tzw.złącze pomiarowe). Wykorzystywane jest tu tzw. efekt Seebecka ( nie trzeba wiedzieć! 🙂 ) polegające na przepływie prądu, ( w efekcie wartości napięcia) które zależne jest od temperatury. Istnieje wiele rodzajów termopar. W ceramice przeważnie wykorzystywane są termopary typu K. Wynika to z ich charakterystyki zbieżnej z charakterystyką wypału ( pomiar możliwy do ok. 1365 C).

Unikając zbędnych szczegółów termopary to dość dokładne elementy pomiarowe ale… charakteryzuje się dużą nietrwałością złącza pomiarowego, zwłaszcza w atmosferze, która panuje w piecu ceramicznym. Aby zwiększyć trwałość złącza termopary stosowane są izolacje ceramiczne. Izolacje powodują jednak duże zaburzenia pomiarowe, wydłużają czas reakcji. Termopary zmieniają również swoją charakterystykę w związku z wypalaniem złącza pomiarowego!!! Stąd konieczność ich wzorcowania!!! Potrafią oszukiwać!!!

Niedogodnością jest też to, że termopary mierzą temperaturę w miejscu, w którym są zainstalowane. Nie ma możliwości zmiany miejsca umieszczenia termopary bez ingerencji w konstrukcję pieca. W ‘małych’ piecach przeważnie instalowana jest jedna termopara. Chociaż w ‘lepsiejszych’ dwie, ale ta druga jest nie do wykorzystania przez ceramika gdyż jest to tak zwany element zabezpieczenia przed przekroczeniem temperatury krytycznej bezpieczeństwa (STB).

Pirometry

Urządzenia mniej przydatne (ale przydatne 🙂 ) w ceramice. Są to bezdotykowe urządzenia pomiarowe działające na zasadzie pomiaru promieniowania cieplnego obiektu i porównywania go ze wzorcem. Zaletą jest możliwość dokonywania pomiaru ( w zależności od rodzaju urządzenia ) nawet do 4000 C !!! Proste pirometry doskonale sprawdzają się w technice Raku. Wykorzystywane są również równolegle ze stożkami pirometrycznymi i termoparami w przypadku wypałów w dużych piecach na drewno, gdzie niezbędne jest dokonywanie pomiarów w wielu miejscach celem zapewnienia równomiernego rozkładu temperatury wypału. Zwłaszcza w piecach z tzw. paleniskiem krzyżowym, w których temperaturę w poszczególnych miejscach w piecu reguluje się przez dostarczanie różnych ilości drewna do odpowiednich palenisk rozmieszczonych w różnych miejscach pieca.

Pierścienie PTCR (Process Temperature Control Ring)

Doskonały sposób pomiaru ilości zaabsorbowanego ciepła. Uwaga!!! Pierścienie nie mierzą temperatury rzeczywistej – tylko temperaturę przeliczeniową!!! ( ale nie tylko ). Ważne żeby wiedzieć o co w tym chodzi. Pierścienie PTCR to tajemnicze krążki. Stanowią ‘mocarne’ narzędzie w arsenale ceramika. Służą do wzorcowania termopar ale tylko w połączeniu ze stożkami pirometrycznymi, ponieważ odczyt z krążków nie wskaże temperatury rzeczywistej!!! Wspaniale nadają się do wykrywania tzw. hot spotów i cold spotów w piecu ale również pełnią inną super rolę w procesie wypału. O tym za chwilę. Najpierw ‘hot spots’ i ‘cold spots’. W piecach ceramicznych, zwłaszcza tych komorowych o budowie sześcianu występują miejsca, które są wyraźnie ‘chłodniejsze’ ( cold spots) – głównie narożniki i wyraźnie ‘cieplejsze’ – miejsca w pobliżu elementów grzejnych. Aby wiedzieć jakie są różnice w ilości dostarczonego ciepła względem ilości ciepła dostarczonego w miejscu referencyjnym – umieszcza się tam pierścienie.  

Główne zastosowanie pierścieni PTCR

Z punktu widzenia wypału jest jeszcze jeden, kto wie czy nie najważniejszy parametr. Jest to ilość ciepła zaabsorbowanego przez produkt. W procesie wypału chodzi przede wszystkim o to by nasz wyrób w całości „pochłonął” taką ilość ciepła, która potrzebna jest do prawidłowego przebiegu procesu, równomiernego spieku w całej masie!!! Bywa, że produkt ‘dobrze wypalony’ z wierzchu jest ‘niedopalony’ w środku. Widać to po przekrojeniu próbki ( ale kto by kroił swoje dzieła 🙂 ) lub po obniżonej wytrzymałości. Słynne ‘niedopalone’ miski, miseczki, talerze dostępne tu i ówdzie….

Jak działa PTCR – kurczy się proporcjonalnie ilości zaabsorbowanego ciepła. Krążki są standaryzowane ( różne krążki przeznaczone do różnych zakresów temperatur ). Po wypale wyjmuje się krążek i mierzy się mikrometrem ( śrubą mikrometryczną ) skurcz krążka! Proste! Na podstawie skurczu krążka specjalne tabele pozwalają obliczyć tak zwaną (choć fikcyjną – bo wynikającą z różnych parametrów) temperaturę krążka (RT). Trzeba pamiętać, że temperatura RT nie pokaże nam ani maksymalnej temperatury w piecu ani nawet temperatury rzeczywistej. Skurcz PTRC pokaże nam ilość ‘pochłoniętego’ ciepła w trakcie procesu.

Krążki PTRC przeznaczone są tak jak stożki pirometryczne dla różnych zakresów temperatur maksymalnych. Wykorzystanie ich w innych niż przewidziane zakresach daje błędne odczyty.

 

Dynamika procesu – Najgorsze na końcu!!!


Dynamika procesu może, powinna być i często jest określana jest osobno dla każdego przedziału krzywej grzewczej. Wartości wymagane ustawiane są na automatyce pieca. Od algorytmu automatyki zależy w jaki sposób dynamika jest kontrolowana i realizowana. Większość obecnie dostępnych automatyk posiada i realizuje algorytm PID – ( proporcjonalno, różniczkujaco, całkujący – proszę się nie obawiać, matematyki nie będzie 🙂 ). Tłumacząc ‘po ludzku’: człon P – proporcjonalny – dąży do równoważenia uchybów ( odchyleń od wartości ustawionej w automatyce ) o charakterze bieżącym, obecnym. Element I – całkujący – informuje automatykę o tym co się ‘działo wcześniej’, dotychczas. Element D – różniczkujący – próbuje przewidzieć na podstawie wcześniejszych danych co się będzie działo z procesem w najbliższej przyszłości. Wszystkie trzy elementy razem określają jak ma się zachowywać układ wykonawczy – element grzejny. Każdy z parametrów w automatyce można ustawić!

Teraz już będzie coraz łatwiej.

Przypominamy sobie trzy wykresy, które umieszczono wcześniej. Czy, któryś z przedstawionych na nich przebiegów jest gorszy? Nie. Wszystko zależy od tego co chcemy osiągnąć. Wiemy, że w temperaturze 573 C dochodzi do inwersji kwarcu w glinie i szkliwie. Chwilę przed tym punktem np. ok.550 C proces powinien zwolnić a w okolicach 600 C może już przyśpieszyć. Dla każdej z charakterystyk przedstawionych na wykresach A,B i C możemy tak umieścić punkt 573 C aby spełnić wymagania procesu.

Proszę zauważyć, że dla każdego z wykresów warunek spowolnienia temperatury może być spełniony w zależności od tego gdzie na krzywej ustawimy krytyczny punkt 573 C.

Czy to komuś potrzebne? No może się przydać!!! Zwłaszcza, że np. niektóre szkliwa dają dobry efekt jeśli zostaną ‘przetrzymane’ przez określony czas w bardzo wąskim zakresie temperatur np. 1230-1240 przez np. 20 -30 minut ( zakres podaje arbitralnie bo każdy ma takie szkliwo i taki zakres jaki sobie doświadczalnie wypracował ).

I to już!!!….

zobacz nas na:

Więcej postów..

Wyślij nam wiadomość

Zobacz nasze artykuły.....

Gdzie to hasło?

Zaloguj się  proszę !