Comparazione di metodi di misura senza contatto della temperatura di fili sottili

This work describes the design of contactless temperature measurement systems based on total radiance and two color pyrometers. The systems have been conceived to measure the temperature of a small brass coated steel wire during wire drawing process. The studied application presents critical conditions, i.e. small wire size, wire axial movement and transversal oscillation and wire’ emissivity variations due to the use of solvents and due to inhomogeneous oxidation of some parts of the wire. Therefore, usual contact and IR sensors cannot be applied, unless a large uncertainty is accepted in the temperature measurement. Optical layouts are designed in order to maximize the radiative exchange between wire and sensors and to reduce the sensitivity of the measuring system to wire oscillations. Performances of different measurement systems have been compared on the basis of the achieved measurement uncertainty simulating background temperature variation, wire emissivity slopes and atmosphere absorption, and, considering the two color pyrometer, the actual characteristics of the available optical filters. Finally, the detailed drawings of the developed pyrometers have been created for future implementation of instrument prototypes allowing to verify the expected performance and validate the developed models.

Il seguente lavoro di tesi analizza due metodi per la misura della temperatura di un filo all’uscita di un forno a induzione per ottonatura. L’applicazione studiata presenta problematiche particolari, ovvero il filo è di dimensioni ridotte, è in movimento lungo il suo asse a velocità di qualche metro al secondo, oscilla trasversalmente al suo asse e la sua emissività è variabile, in quanto dipende dai solventi e rivestimenti utilizzati nel processo e dall’ossidazione locale di alcune parti del filo. Pertanto, i comuni sensori di temperatura, sia a contatto che per irraggiamento, portano ad un elevato errore nella misura di temperatura. I metodi presentati sono basati sulla misura di temperatura senza contatto, in particolare prevedono l’utilizzo di un pirometro a radiazione totale e di un pirometro bicolore. Il layout ottico dei sistemi di misura è stato studiato in modo da massimizzare lo scambio radiativo tra il filo e i sensori e ridurre la sensibilità all’oscillazione del filo. Inoltre sono stati sviluppati dei modelli analitici che considerano l’effetto di disturbo del background, le variazioni di emissività del filo in funzione della lunghezza d’onda, l’assorbività dell’atmosfera a differenti temperature e nel caso del pirometro bicolore, le caratteristiche reali dei filtri ottici utilizzati. Differenti soluzioni sono state comparate al fine di identificare la configurazione che permette di minimizzare l’incertezza nella misura di temperatura. Infine, si sono realizzati i disegni di dettaglio dei sistemi di misura sviluppati per la futura realizzazione di prototipi di laboratorio da realizzare per verificare le prestazioni ottenute e validare i modelli realizzati.