Priorität 2030: Wissenschaftler haben intelligente Temperaturmessgeräte für Metallurgie und Maschinenbau entwickelt

SUSU-Wissenschaftler entwickeln neue Messschaltungen und Methoden zur Diagnose der Funktionsqualität eines Temperaturmessgeräts – eines thermoelektrischen Wandlers (Thermoelement). Diese Entwicklung kann in der petrochemischen Industrie, im Maschinenbau, in der Metallurgie und in der Elektroenergietechnik Anwendung finden. Dadurch kann die Genauigkeit der Temperaturmessung mithilfe von Thermoelementen verbessert und die Sicherheit von Produktionsprozessen dank der frühzeitigen Erkennung von Thermoelementausfällen gewährleistet werden.

Dieses Projekt wird im Rahmen des Programms „Priorität 2030“ durchgeführt und ist Teil des strategischen Projekts „Intelligente Fertigung“. Im Jahr 2023 haben SUSU-Wissenschaftler bereits ein Erfindungspatent für eine „Methode zur Bestimmung der Richtigkeit von Messergebnissen mithilfe eines thermoelektrischen Wandlers“ erhalten.

Die bestehenden Ansätze zur Bestimmung der Richtigkeit von Messungen mithilfe von Thermoelementen weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Einige von ihnen sind teuer und nehmen viel Zeit in Anspruch (mehr als 4 Stunden), andere zeichnen sich durch ein hohes Maß an erkannten Fehlern (±10℃) und eine Anfälligkeit für den Einfluss externer Faktoren aus.

Durch den Einsatz der von den SUSU-Wissenschaftlern entwickelten neuen Messschaltung wird die Zeit für die Thermoelementdiagnose auf 1–2 Minuten verkürzt, und der minimale geschätzte Fehlerwert wird ± 2℃ betragen. Der in der Entwicklung befindliche Ansatz zur Diagnose der Genauigkeit von Thermoelementmessungen ist nicht anfällig für den Einfluss technologischer Prozesse, in denen das Thermoelement arbeitet.

Der von den Forschungsstipendiaten der SUSU School of Electronic Engineering and Computer Science vorgeschlagene Ansatz sieht die Vereinigung mehrerer Thermoelementleiter aus unterschiedlichen Materialien vor. Somit handelt es sich bei der neuen Thermoelement-Messschaltung um eine Multielektrodenstruktur. Dank einer solchen Lösung können die Wissenschaftler mehr Daten über die gemessenen Parameter erhalten, was die Genauigkeit der Forschung verbessern wird.

„Wir entwickeln neue Messschaltungen für Einzonen- (Temperaturmessung an einem Punkt) und Mehrzonen-Thermoelemente (Temperaturmessung an mehreren Punkten). Die gewonnenen zusätzlichen Informationen über die Funktionsweise des Geräts ermöglichen den Temperaturmessgeräten eine vollständige messtechnische Selbstvalidierung. „Die messtechnische Überwachung ist die Fähigkeit eines Messgeräts, die Zunahme seines Fehlers unabhängig zu verfolgen und dem Benutzer zu melden, wenn der Fehler die zulässigen Grenzen überschreitet“, erklärt Ivan Fedosov, Nachwuchswissenschaftler am Forschungslabor für selbstvalidierende Sensoren und Systeme. und fortgeschrittene Instrumentierung.

Die Verarbeitung der erhaltenen Messinformationen ermöglicht die Bildung des Status der Messergebnisse, der den Anstieg des Wertes des Thermoelementfehlers im Vergleich zum zulässigen Wert charakterisiert.

„Zum Beispiel misst ein Standard-Thermoelement einfach die Temperatur und liefert als Ergebnis nur einen Wert. Und wir wissen nicht, wie hoch der Fehler dieses Werts ist, ob er noch innerhalb der zulässigen Grenze liegt oder bereits deutlich zugenommen hat.“ Unser Die Lösung ermöglicht die Anzeige des Ergebnisses nicht nur mit dem Temperaturwert, sondern auch mit dem Messstatus. Beispielsweise kann es ein System mit drei Status geben: „bestätigt“ – alles ist in Ordnung, der Fehler liegt innerhalb der zulässigen Grenze; „Warnung“ – der Fehler nimmt zu, aber das Thermoelement kann weiterhin verwendet werden; „nicht gültig“ – das erhaltene Messergebnis weist einen erheblichen Fehler auf und das Thermoelement muss ausgetauscht werden“, erklärt der Wissenschaftler.

Die Technologie der messtechnischen Selbstvalidierung von Thermoelementen wird es ermöglichen, die Qualität der hergestellten Produkte dank einer strengeren Temperaturkontrolle (Reduzierung der Abweichung der Prozesstemperatur von der Nenntemperatur um das 2- bis 5-fache) zu verbessern und technologische Prozesse zu verbessern sicherer. Temperaturmessgeräte von Thermoelementen werden in Vakuumöfen, Hochöfen, Walzwerken, Autoklaven, als Teil der Ausrüstung zur Diagnose elektrischer Antriebe usw. eingesetzt.

In der nächsten Phase der Arbeit planen die Wissenschaftler die Entwicklung von Prototypen intelligenter Temperaturmessgeräte für thermoelektrische Wandler. Die Messgeräte werden über einen neuen Messkreis verfügen und in der Lage sein, die Methoden zur Zustandsbestimmung und Korrektur der Messergebnisse umzusetzen. Die entwickelten Lösungen werden an den Standorten von Industriepartnern (Magnitogorsk Iron & Steel Works, United Engine Corporation und Fortum Company) getestet. Im Rahmen der Bearbeitung des Forschungsthemas ist geplant, zwei weitere Patentanmeldungen für Erfindungen einzureichen.

Die Ergebnisse dieser Arbeit werden in erstklassigen Fachzeitschriften wie Measurement Science and Technology (Q2), Measurement (Q1) und IEEE Transactions on Instrumentations and Measurement (TOP 10) veröffentlicht.

Die South Ural State University ist eine Universität der Transformationen, an der innovative Forschung in den meisten vorrangigen Bereichen der Wissenschafts- und Technologieentwicklung betrieben wird. Im Einklang mit der Strategie der wissenschaftlichen und technologischen Entwicklung der Russischen Föderation konzentriert sich die Universität auf die Entwicklung großer wissenschaftlicher interdisziplinärer Projekte in den Bereichen digitale Industrie, Materialwissenschaften und Ökologie. Im Jahr 2021 wurde SUSU der Gewinner des Wettbewerbs im Rahmen des Programms „Priorität 2030“. Die Universität fungiert als regionales Projektbüro des Weltklasse-Uraler Interregionalen Forschungs- und Bildungszentrums (UIREC), dessen Ziel die Lösung der Aufgaben des Nationalen Wissenschafts- und Universitätsprojekts ist.

Zur Verfügung gestellt von der Süd-Ural-Staatsuniversität