几乎所有的制造都依赖于准确的温度测量,但对许多人来说,很难获得可靠的温度知识。
温度是工业中测量量最大的物理量之一。然而,对于许多应用和条件,很难获得温度的可靠知识。
在750°C以上,非接触式和接触式测温技术都容易出现大的误差,而在大约1200°C以上的温度下,传统热电偶会在指示温度中产生“漂移”,随着时间的推移,这种漂移会逐渐恶化,并可能导致数十至数百摄氏度的误差。
例如,在航空航天和汽车热处理过程中,这会产生影响,由此产生的错误温度指示可能会导致不适当的温度控制和次优处理。在燃气轮机等发动机的情况下,在低于最佳温度的条件下运行会导致效率损失。类似地,恶劣的环境,例如电磁场的高水平电离辐射,也会降低或以其他方式干扰温度指示。因此,操作员必须定期重新校准(或更常见的是更换)温度传感器,这既耗时又昂贵。
表面温度测量是工业中另一个具有挑战性的问题;辐射温度计(如热成像仪)依赖于难以获得的表面特性知识,而接触式探针受到热通量效应的影响,很少与表面实现热平衡。在这两种情况下,误差都可能达到数十或数百摄氏度。
基于受激光学现象的传感器,如热成像磷光体测温,有可能克服这些问题。在这种技术中,探针涂有一种材料,当受到特定波长的光刺激时,该材料会发光。发光的各种特性,例如特定波长下的强度或衰减时间,是温度的函数,可以利用温度将磷光体用作温度计。
然而,这种系统要么没有商用,要么缺乏计量验证,要么无法可靠地评估极端环境中的温度。热成像磷光体可用于进行点温度测量或二维温度映射。
EMPIR项目通过改进温度测量提高工艺效率2(17IND04,EMPRESS 2)大大促进了克服上述问题的技术开发,并在工业环境中进行了演示。
在上一个EMPIR项目EMPRESS的基础上,由项目合作伙伴设计和建造了三个磷光体温度计。
·在意大利国家计量研究所INRiM,基于具有宽动态范围、高温度灵敏度和长发光衰减时间的磷光体开发了一种发光衰减温度计。在600摄氏度下对热电偶测量结果进行的测试表明,正如预期的那样,热电偶低估了几十度的温度,而磷光体测温提供了比3摄氏度更好的更低的温度测量不确定度。在工业设施的汽车制动试验台上对表面温度进行了现场测量,证明了磷光体在不确定度方面比传统测量技术有潜在的改进性能。
·英国斯特拉斯克莱德大学高级成形研究中心开发了一种荧光粉/高温计装置,该装置在500吨液压机、感应加热系统和实际锻造模具上进行了试验,以测量锻造过程中模具表面的温度变化。该系统已表明,它可以返回放置在温度控制的液压压板上的各种金属样品(铝、钛和钢)的确证温度,最高可达300摄氏度。
·在英国的NMI NPL,开发了一种荧光温度计,然后在一系列工业应用中进行了试验,包括光伏面板开发、拉伸测试和水下焊接。它还被部署在核退役场,证明了它对核退役和废物储存中的一系列问题的实用性。在对高达750°C的工程合金进行热处理期间,NPL温度计与Strathclyde在先进成形研究中心(AFRC)的设置进行了比较。这产生了一种磷光体温度计,能够在高达750oC的温度范围内进行可靠的表面温度映射,在大多数温度范围内不确定性优于3oC。
NPL现在基于这项工作提供磷光体测温服务。
开发的其他仪器
EMPRESS 2项目还开发了一套其他仪器技术,以补充磷光体测温方法,包括:
·NPL开发的便携式标准火焰已经在欧洲实验室实施SI可追溯性。
·基于铑和铂的改进热电偶的开发——在石英玻璃制造等行业进行了试验。
·一种低成本的多光谱火焰成像仪——在一家能源供应商和一家垃圾焚烧厂进行了试验。
·光纤温度计(适用于恶劣环境)在放射治疗医院、光伏板制造商和海上风电场进行了试验。
这项工作还为EURAMET热电偶校准指南以及支持指南中建议的热电偶不均匀性数据做出了贡献。
磷光体测温技术的发展——并将其可追溯性引入国际90温标(its-90)——将使制造业能够更准确地监测正在进行成形、锻造、焊接或热处理的零件的温度,从而相应提高工艺效率。
这个非常成功的项目的协调员Jonathan Pearce(NPL)谈到这项工作时说:
“贯穿该项目所有活动的一个主题是实际实施可追溯测温技术,以应对一系列特定的工业过程控制挑战。该联盟的成员合作良好,很高兴看到欧洲各地具有互补专业知识的团体合作,生产出有效、实用的测温解决方案改进过程保证。”
该EMPIR项目由欧盟地平线2020研究和创新计划和EMPIR参与国共同资助。