Индукционный нагрев создаёт для средств измерения принципиально враждебную среду. Мощное переменное магнитное поле, высокая температура заготовки, окалина и брызги металла - всё это делает традиционные контактные термопары уязвимыми: их чехлы разрушаются, электромагнитные помехи искажают показания, а сам факт контакта с быстродвижущейся заготовкой в методических (конвейерных) установках механически невозможен.
Именно поэтому бесконтактные датчики не просто удобная альтернатива, а единственный практически реализуемый способ обратной связи по температуре в большинстве промышленных индукционных систем.
Пирометр как главный орган обратной связи
Инфракрасный пирометр регистрирует тепловое излучение, испускаемое нагретой поверхностью в соответствии с законом Планка, и пересчитывает интенсивность этого излучения в температуру. Физически это означает, что информация о состоянии заготовки распространяется со скоростью света и не требует никакого механического контакта - датчик может быть смонтирован на расстоянии в несколько метров от зоны нагрева.
Современные промышленные пирометры серий Impac и Himmelwerk обеспечивают время отклика до 2–5 мс при диаметре пятна измерения от 0,5 мм, что позволяет вести мониторинг непосредственно через зазор между витками индуктора.
Сигнал пирометра - как правило, аналоговый 4–20 мА или цифровой RS-485 - поступает непосредственно на аналоговый вход программируемого логического контроллера (ПЛК) и становится управляющей переменной для алгоритма регулирования мощности инвертора.
Принципиальное ограничение пирометра - зависимость точности от коэффициента излучения (эмиссивности) поверхности. Полированная сталь и окисленная поверхность при одинаковой истинной температуре дают разные сигналы пирометра.
Двухцветные (соотношение двух длин волн) пирометры частично снимают эту проблему: используя отношение интенсивностей излучения на двух близких спектральных длинах волн вместо абсолютной интенсивности, они становятся нечувствительными к загрязнению оптики и частичному перекрытию поля зрения - что критически важно в условиях реального производства с дымом и паром.
Индуктивные датчики положения: логика подачи заготовок
Температура заготовки - не единственная переменная, которую необходимо измерять без контакта. В методических индукционных установках ПЛК должен знать точное положение каждой заготовки в пространстве индуктора, чтобы правильно синхронизировать мощность нагрева с темпом продвижения.
Здесь работают индуктивные датчики положения - устройства, реагирующие на вхождение металлического объекта в зону действия их собственного высокочастотного электромагнитного поля. Когда заготовка приближается к датчику, вихревые токи, наводимые в её поверхности, поглощают часть энергии генератора датчика, амплитуда его колебаний падает, и схема сравнения формирует выходной сигнал.
Индуктивные датчики положения для металлургических цехов рассчитаны на температуру окружающей среды до +80°C, устойчивы к токопроводящей пыли и окалине - то есть спроектированы именно для той среды, в которой работают.
Быстродействие современных индуктивных датчиков достигает нескольких килогерц по частоте переключений - значительно выше, чем требует любая реалистичная механика подачи заготовок. Это означает, что запаздывание в канале «заготовка вошла в индуктор - сигнал на ПЛК» пренебрежимо мало по сравнению с постоянными времени тепловых процессов, и ПЛК всегда получает актуальные данные о состоянии транспортного тракта.
Тепловизионные камеры: новый уровень пространственного контроля
Точечный пирометр и индуктивный датчик положения дают ПЛК одномерную информацию - температуру в одной точке и факт наличия объекта.
Тепловизионные камеры поднимают качество обратной связи на принципиально иной уровень: вместо точки - двумерное поле температур по всей поверхности заготовки в реальном времени. Для индукционного нагрева это означает возможность обнаружить неравномерность прогрева по сечению, выявить зоны перегрева у торцов заготовки (характерный эффект краевого поля индуктора) и скорректировать профиль мощности ещё до того, как деталь покинет индуктор.
Интеграция тепловизора с ПЛК через интерфейс Industrial Ethernet или OPC UA позволяет алгоритму управления обрабатывать тепловое изображение как входной массив данных и принимать решения на основе пространственного распределения температуры, а не одной усреднённой точки.
Датчики тока и напряжения: диагностика контура без вскрытия
Отдельный класс бесконтактных измерений в индукционных установках - электрические параметры колебательного контура.
Трансформаторы тока с разъёмным сердечником позволяют измерять ток в шине индуктора без разрыва цепи, датчики Холла фиксируют постоянные и переменные составляющие тока без гальванической связи с силовой цепью.
ПЛК, получающий данные о токе, напряжении и фазовом сдвиге между ними в реальном времени, способен не только поддерживать резонанс, но и непрерывно вычислять эквивалентные электрические параметры нагрузки - а значит, косвенно оценивать состояние заготовки.
Изменение эффективного активного сопротивления нагрузки при прохождении через точку Кюри, отражается в сигналах датчиков тока как чёткий скачок - и ПЛК может использовать этот момент как опорную точку для перестройки алгоритма управления, без какого-либо контакта с раскалённой деталью.
Андрей Повный
Телеграмм каналы для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: