BR102018009044A2 - método e disposição para o monitoramento e o controle da temperatura em fornos de altas temperaturas, baseado em radiação infravermelha - Google Patents

Abstract

novo método e disposição para o monitoramento e o controle da temperatura em fornos de altas temperaturas, em especial para fornos de cozimento ou queima de cerâmicas, baseado em radiação infravermelha, o qual consiste em um sistema de controle de temperatura para fornos, de altas temperaturas, com a determinação da distribuição da temperatura no interior dos mesmos, realizada através da radiação eletromagnética mensurada por uma câmera sensível ao espectro infravermelho, onde os mecanismos de imageamento utilizam dispositivos charge-coupled-devices (ccds) convencionais em conjunto com rodas de filtros óticos, que possuem custos extremamente inferiores aos sistemas focal plane arrays (fpas) atualmente utilizados.

Description

MÉTODO E DISPOSIÇÃO PARA O MONITORAMENTO E O CONTROLE DA TEMPERATURA EM FORNOS DE ALTAS TEMPERATURAS, BASEADO EM RADIAÇÃO INFRAVERMELHA [001] Trata o presente relatório da descrição detalhada acompanhada de figuras ilustrativas de um novo método e disposição para o monitoramento e o controle da temperatura em fornos de altas temperaturas, em especial para fornos de cozimento ou queima de cerâmicas, baseado em radiação infravermelha, o qual consiste em um sistema de controle de temperatura para fornos, de altas temperaturas, com a determinação da distribuição da temperatura no interior dos mesmos, realizada através da radiação eletromagnética mensurada por uma câmera sensível ao espectro infravermelho, onde os mecanismos de imageamento utilizam dispositivos ChargeCoupled-Devices (CCDs) convencionais em conjunto com rodas de filtros óticos, que possuem custos extremamente inferiores aos sistemas Focal Plane Arrays (FPAs) atualmente utilizados.

CAMPO DA INVENÇÃO [002] O método e disposição para o monitoramento e o controle da temperatura em fornos de altas temperaturas baseado em radiação infravermelha, objeto da presente patente, consiste em um sistema de monitoramento e controle de temperatura para fornos de altas temperaturas em geral e fornos de queima de cerâmicas, com a determinação da distribuição da temperatura no interior dos mesmos, realizada através da radiação eletromagnética mensurada por uma câmera sensível ao espectro infravermelho. Este método e disposição são aplicados preferencialmente a fornos de altas temperaturas para queima de cerâmicas em geral.

OBJETIVO DA INVENÇÃO [003] O método e disposição para o monitoramento e o controle da temperatura em fornos de altas temperaturas baseado em radiação infravermelha, objeto da presente patente, tem por principal objetivo substituir o método atual que utiliza mecanismos de imageamento térmico que se baseiam em sistemas tipo Focal Plane Arrays (FPAs), que são equipamentos de alto custo e utilizam apenas um único sensor, assim, oferecendo ao mercado um método alternativo de menor custo e mais confiável, pelo

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2/9 fato do mapeamento da distribuição espacial das temperaturas no forno permitir a visualização do estado interno do mesmo, bem como o das peças cerâmicas que estiverem sofrendo o processo de queima.

PROBLEMA A SER RESOLVIDO [004] O elemento de inovação aqui inserido se remete ao fato de que os mecanismos de imageamento térmico existentes se baseiam em FPAs, que são equipamentos de alto custo, enquanto o método e disposição para o monitoramento e o controle da temperatura em fornos de altas temperaturas baseado em radiação infravermelha, objeto da presente patente, se propõem a utilização de CCDs convencionais em conjunto com rodas de filtros óticos, que possuem custos extremamente inferiores aos FPAs. O CCD (Charge-Coupled-Devices) apenas pode ser aplicado ao mapeamento de temperaturas utilizando filtros em altas temperaturas, momento em que a radiação emitida excita a faixa de comprimentos de onda ao qual o CCD é sensível.

[005] Na invenção aqui proposta as informações de temperatura ainda serão aproveitadas para realimentar o sistema de controle da temperatura interna do forno a um nível previamente estabelecido. Cabe ressaltar que estas medidas são mais precisas às realizadas através de um único sensor dos sistemas convencionais, geralmente um termopar, propiciando ações de controle mais efetivas.

ESTADO DA TÉCNICA [006] Existem alguns documentos de patente que descrevem sistemas, dispositivos e métodos de controle de temperatura em fornos de queima de cerâmicas, utilizando imageamento térmico, porém nenhum desses documentos revela o método e a disposição conforme propostos nesta invenção. Dentre esses documentos podem-se destacar os seguintes:

[007] O documento de patente US4208573 (PI 7707746 FORNO PARA TRABALHOS DE CERÂMICA ODONTOLÓGICAS), ou KILN UTILIZING INFRARED RADIATION IN THE RANGE OF 0.7 TO 1.5 MU M TO HEAT DENTAL CERAMIC MATERIAL, o qual descreve um forno para trabalho de cerâmica odontológica que compreende uma caixa de retorta e um meio de aquecimento eficaz para gerar a radiação infravermelha de ondas curtas para aquecer o material cerâmico odontológico para a temperatura de

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3/9 queima da massa cerâmica dentro da referida caixa de retorta. Numa forma de realização específica, o meio de aquecimento é eficaz para proporcionar comprimentos de onda em torno de 0,7 a 1,5 mi. Várias disposições de radiadores de infravermelhos e materiais na câmara de retorta são divulgados.

[008] Essa invenção utiliza a radiação infravermelha para o aquecimento de materiais cerâmicos. Por outro lado, na invenção aqui proposta, a radiação infravermelha é aplicada como um método de sensoriamento e controle da temperatura de aquecimento do forno através de um controlador eletrônico, um CCD e uma roda de filtros;

[009] O documento de patente US20060050147, PLUG-IN KILN VIDEO CAMERA AND IMAGE PROCESSING SYSTEM, onde a presente invenção fornece uma câmera de vídeo conectada ao forno para monitorar e um sistema de processamento de imagem usando a câmera. A câmera de vídeo é composta de um corpo de câmera, um gravador de vídeo, um monitor e um termômetro digital; o sistema de processamento de imagens é composto pelo corpo da câmera mencionado acima, um computador e um monitor colorido. Especialmente, a presente invenção é usada para monitorar a superfície do material durante a fundição em um alto-forno; processar a imagem por um computador, descrevendo quantitativamente o fluxo de ar e a distribuição de temperatura da superfície do material; monitorar o estado de operação da rampa de carga ou sino, o fluxo de material e a anormalidade no forno, como colapso de tubulação e material. As vantagens da presente invenção: Micro câmera usada para obter imagem IR no forno, baixo custo, fácil instalação, manutenção simples, longa vida útil e a manutenção realizada sem interromper a produção.

[010] Essa invenção utiliza uma micro-câmera de radiação infravermelha com focal plane array para mapear a distribuição de temperatura no interior do forno. Por outro lado na invenção aqui proposta, o sensoriamento se dá através de radiação infravermelha, porém utilizando sensoriamento via CCD e roda de filtros;

[011] O documento de patente PI 9200699-0, PROCESSO PARA A FUSÃO PARCIALMENTE CONTÍNUA DE MATERIAL CERÂMICO EM FORNOS DE FUSÃO A INDUÇÃO COM CADINHO DE CROSTA DE SINTERIZAÇÃO, UM FORNO

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4/2

APROPRIADO PARA ISSO E DISPOSITIVO PARA A SANGRIA PERIÓDICA DE MASSA FUNDIDA, onde a invenção se refere a um processo para a fusão parcialmente contínua de material cerâmico por fusão indutiva em fornos de fusão a indução de frequência alta e média, cuja bobina de fusão (1) envolve um cadinho de crosta de sinterização (3) e contêm um dispositivo de escoamento (6), sendo que a massa fundida é periodicamente escoada e o material a ser fundido é aduzido ao cadinho; com o dispositivo de escoamento é empregada uma calha, que é intensivamente resfriada; para a sangria da massa fundida, por meio de uma lança de sangria (20) automaticamente comandável de um dispositivo de sangria (11 a 21), a ponta de massa fundida na calha é agarrada por baixo e levantada e então a lança de sangria é avançada entre o fundo da calha e a massa fundida solidificada, até a perfuração da crosta de sinterização. O processo permite o manejo seguro e econômico do processo e manutenção da qualidade dos produtos de fusão. Outros objetos são um dispositivo para a sangria de massa fundida periódica, bem como um forno de fusão a indução equipado com uma calha de escoamento intensivamente resfriável;

[012] Essa invenção apresenta um processo para fusão parcialmente contínua de material cerâmico em fornos de fusão a indução com cadinho de crosta de sinterização, um forno apropriado para isso e dispositivo para sangria periódica de massa. Já na invenção aqui proposta a radiação infravermelha é utilizada como método de sensoriamento;

[013] O documento de patente BR 11 2015 006142 7, MÉTODO E DISPOSIÇÃO PARA ALIMENTAR MATÉRIA FINAMENTE GRANULADA A UM QUEIMADOR DE CONCENTRADO OU DE RESÍDUO METÁLICO DE UM FORNO DE FUSÃO EM SUSPENSÃO E DISPOSITIVO DE CONTROLE E PRODUTO DE PROGRAMA DE COMPUTADOR, onde a invenção refere-se a um método e a um arranjo para alimentar matéria de grãos finos a um queimador de concentrado (1) ou a um queimador fosco de um forno de fundição em suspensão (2). A invenção refere-se também a um meio de controle para controlar a alimentação de matéria de grãos finos a um queimador de concentrado (1), ou um queimador fosco de um forno de fundição de suspensão (2) em

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5/9 um arranjo para alimentação de grãos finos a um queimador de concentrado (1), ou um queimador mate de um forno de fundição em suspensão (2). A invenção refere-se também aos meios de controle para controlar a alimentação de matéria de grãos finos a um queimador de concentrado (1) ou um queimador fosco de um forno de fundição de suspensão (2) em um arranjo para alimentar matéria de grão fino a um queimador de concentrado (1) ou um queimador mate de um forno de fundição em suspensão (2) e para um produto de programa de computador.

[014] Essa invenção trata de um método e uma disposição para alimentar matéria finalmente granulada a um queimador de concentrado ou de resíduo metálico de um forno de fusão em suspensão e dispositivo de controle e produto de programa de computador. Na invenção aqui proposta o controle é aplicado para realimentação do sistema, no que diz respeito a monitoramento e controle de temperatura;

[015] O documento de patente PI 0016596-4, FORNO INFRAVERMELHO ADAPTADO PARA AQUECER UMA PLURALIDADE DE PREFORMAS, onde divulgado um forno infravermelho para aquecer uma pluralidade de preformas e que compreende: um conduto através do qual as ditas preformas se movem, uma corrente de ar externo que flui através do dito conduto de uma boca de admissão para uma boca de exaustão pela ação de um soprador, diversas lâmpadas infravermelhas que emitem irradiação nas preformas no dito conduto, no qual uma superfície refletora fica arranjada a jusante das ditas lâmpadas e que é provido com aberturas pelas quais a corrente do ar externo ocorre predominantemente. O eixo das preformas é orientado de uma maneira que fique substancialmente perpendicular à direção da corrente do dito ar externo. As lâmpadas infravermelhas são arranjadas substancialmente a jusante das preformas e ficam separadas uma da outra em intervalos apropriados, através dos quais a dita corrente de ar externo passa, em que a dita corrente de ar externo primeiro passa através de ditos intervalos que separam as ditas preformas e, em seguida, pelos ditos intervalos providos entre as ditas lâmpadas infravermelhas. Uma grade refletora, provida com aberturas para a corrente de dito ar externo passar parcialmente através ela, fica arranjada a jusante das ditas preformas.

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6/9 [016] Nessa invenção é utilizada a radiação infravermelha em fornos para aquecer uma pluralidade de preformas. Já na invenção aqui proposta a radiação infravermelha é aplicada como um método de sensoriamento e controle da temperatura de aquecimento do forno através de um controlador eletrônico, um CCD e uma roda de filtros.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [017] Em seguida faz-se referência às Figuras que acompanham este relatório descritivo, para melhor entendimento e ilustração do mesmo, onde se vê:

A Figura 1 mostra o Diagrama em blocos da disposição do sistema de controle de temperatura por radiação infravermelha, proposto nesta invenção.

A Figura 2 mostra o Pipehole em Fornos Cerâmicos, como um exemplo de uso do sistema de controle em fornos cerâmicos de pequeno porte, que costumam possuir de fábrica o chamado pipehole, que é uma pequena abertura com tampa para visualização do interior do forno (1). Esta abertura costuma ser tapada por uma placa rotacional (2) para permitir a visualização ocular do forno. Em um forno como este o sistema seria posicionado no pipehole.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [018] O método para o monitoramento e o controle da temperatura em fornos de altas temperaturas baseado em radiação infravermelha, objeto da presente patente, consiste na utilização de um sensor do tipo CCD (Charged Couple Device), desprovido de seus filtros óticos na faixa do infravermelho próximo, onde é adicionada uma roda de filtros, na qual cada filtro permite a passagem de apenas uma faixa estreita no infravermelho. Com isso, pode-se determinar a temperatura correspondente a cada pixel do CCD.

[019] O CCD com a roda de filtros é inserido em frente a um orifício do forno para altas temperaturas, por exemplo, um pipehole, comum em fornos cerâmicos. A determinação da temperatura de cada pixel da imagem se dá pela comparação do brilho utilizando cada um dos filtros.

[020] Em frente ao orifício, insere-se um obturador que se abrirá no momento da aquisição da imagem e permanecerá fechado entre as aquisições para evitar

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7/9 sobreaquecimento do CCD. O obturador deve ser constituído de um material com baixa condutividade térmica para isolar o CCD do calor do forno.

[021] Na disposição para o monitoramento e o controle da temperatura em fornos de altas temperaturas baseado em radiação infravermelha, objeto da presente patente, o forno (D) possui uma abertura (F) pela qual a luz (3) sai do forno passando por um obturador (G) e, em seguida, é filtrada por uma roda de filtros (H) e capturada por um CCD (I).

[022] No processo de imageamento desta invenção o CCD envia a imagem crua (4) para o processamento (A). Parte do processamento servirá para a criação de uma imagem visualizável pelo usuário em um display (B), denominada como imagem processada (5). Outra função é a de determinação das temperaturas do forno (1), informação esta que é usada pelo sistema de controle (C) para acionamento dos aquecedores, através do sinal de controle (2), que irá atuar no sistema de aquecimento do forno (E).

[023] O mapeamento da distribuição espacial das temperaturas no forno permite a visualização do estado interno do mesmo, bem como das peças cerâmicas que estiverem sofrendo o processo de queima. Estas informações de temperatura ainda serão aproveitadas para realimentar o sistema de controle da temperatura interna do forno a um nível previamente estabelecido, em substituição ao uso de termopar, ou mesmo a sistemas utilizando FPA (Focal Plane Array).

[024] Uma vez que o processo de construção da imagem do interior do forno tiver sido realizado, o valor relativo de cada pixel de tal imagem é então convertido em temperaturas, através de algoritmos de estimação, compondo um mapeamento do campo de temperatura no interior do forno. Estas informações são repassadas a um controlador eletrônico, que estabelecerá a ação de controle a ser enviada a cada uma das resistências que atuam sobre o forno. Neste caso se estabelece um sistema de controle MIMO (Multiple Inputs, Multiple Outputs).

[025] Também são enviadas as informações relativas ao imageamento do interior do sistema diretamente ao display de visualização, substituindo a necessidade de um operador que realize a observação de forma ocular através do pipehole.

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8/9 [026] Como exemplo de uso, no caso de um forno cerâmico, o monitoramento visual permitiría detecção de seus pontos críticos, como a inversão da Cristobalita e a inversão do Quartzo. Tais pontos são relevantes porque nestas etapas do processo existe maior incidência de ruptura das peças. O monitoramento também permite a detecção dos pontos relevantes na transição da massa de queima para seus estados de earthenware ou stoneware.

[027] Desta forma, o método e a disposição para o monitoramento e o controle da temperatura em fornos de altas temperaturas baseado em radiação infravermelha, objeto da presente patente, conforme descritos acima, apresentam configuração, funcionamento e disposição novas e únicas que lhe configuram grandes vantagens em relação aos métodos e elementos atualmente utilizados e encontrados no mercado para a mesma aplicação. Dentre essas vantagens podem-se citar: o fato de monitorar e controlar a temperatura interna de um forno, via sensoriamento por infravermelho, utilizando um sensor do tipo CCD (Charge Coupled Device), uma roda de filtros e um controlador eletrônico, resultando em um processo eficiente e de baixo custo; o fato de mapear de forma mais precisa a distribuição espacial de temperatura no interior de um forno por meio da avaliação de diferenças entre os filtros e da utilização de algoritmos de fusão sensorial entre cada elemento (pixel) do CCD; o fato de controlar a temperatura em todo o forno utilizando técnicas de controle MIMO (multiple inputs, e multiple outputs) que relacionam a temperatura em cada ponto do forno, determinada pelo pixel relacionado, com a resistência mais apropriada; o fato de proporcionar uma visualização espacial de distribuição de temperaturas das peças, (por exemplo, em um forno cerâmico, em cada etapa do processo de queima), determinação precisa de seus pontos críticos (por exemplo, a inversão da Cristobalita/Quartzo) e uma melhor detecção dos pontos relevantes na transição da massa de queima para seus estados de earthenware/stoneware, utilizando um display gráfico (por exemplo, LCD) que exibirá, em tempo real, o imageamento do estado interior do forno; e o fato de dispensar a necessidade de um operador para monitorar o estado interior do forno pela inspeção ocular direta de um orifício (denominado pipehole).

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9/9 [028] Assim, pelas características de configuração e funcionamento, acima descritas, pode-se notar claramente que o MÉTODO E DISPOSIÇÃO PARA O MONITORAMENTO E O CONTROLE DA TEMPERATURA EM FORNOS DE ALTAS TEMPERATURAS, BASEADO EM RADIAÇÃO INFRAVERMELHA, trata-se de um dispositivo novo para o Estado da Técnica o qual reveste-se de condições de inovação, atividade inventiva e industrialização inéditas, que o fazem merecer o Privilégio de Patente de Invenção.

Claims (4)

1 - MÉTODO E DISPOSIÇÃO PARA O MONITORAMENTO E O CONTROLE DA TEMPERATURA EM FORNOS DE ALTAS TEMPERATURAS, BASEADO EM RADIAÇÃO INFRAVERMELHA, método para o monitoramento e o controle da temperatura em fornos de altas temperaturas baseado em radiação infravermelha, que consiste em um sistema de monitoramento e controle de temperatura para fornos, de altas temperaturas em geral e fornos de queima de cerâmicas, com a determinação da distribuição da temperatura no interior dos mesmos, realizada através da radiação eletromagnética mensurada por uma câmera sensível ao espectro infravermelho, caracterizado por consistir na utilização de um sensor do tipo CCD (Charged Couple Device), desprovido de seus filtros óticos na faixa do infravermelho próximo, onde é adicionada uma roda de filtros, na qual cada filtro permite a passagem de apenas uma faixa estreita no infravermelho, para determinar a temperatura correspondente a cada pixel do CCD e realizar o processo de construção de imagem; onde o CCD com a roda de filtros é inserido em frente a um orifício do forno para altas temperaturas, e determinação da temperatura de cada pixel da imagem se dá pela comparação do brilho utilizando cada um dos filtros.

2 - MÉTODO E DISPOSIÇÃO PARA O MONITORAMENTO E O CONTROLE DA TEMPERATURA EM FORNOS DE ALTAS TEMPERATURAS, BASEADO EM RADIAÇÃO INFRAVERMELHA, método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo mapeamento da distribuição espacial das temperaturas no forno permitir a visualização do estado interno do mesmo, bem como das peças cerâmicas que estiverem sofrendo o processo de queima; onde estas informações de temperatura são aproveitadas para realimentar o sistema de controle da temperatura interna do forno a um nível previamente estabelecido.

3 - MÉTODO E DISPOSIÇÃO PARA O MONITORAMENTO E O CONTROLE DA TEMPERATURA EM FORNOS DE ALTAS TEMPERATURAS, BASEADO EM RADIAÇÃO INFRAVERMELHA, método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que após o processo de construção da imagem do interior do forno tiver sido realizado, o valor relativo de cada pixel de tal imagem é convertido

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2/2 em temperaturas, através de algoritmos de estimação, compondo um mapeamento do campo de temperatura no interior do forno; onde estas informações são repassadas a um controlador eletrônico, que estabelece a ação de controle a ser enviada a cada uma das resistências que atuam sobre o forno e também são enviadas as informações relativas ao imageamento do interior do sistema diretamente ao display de visualização.

4 - MÉTODO E DISPOSIÇÃO PARA O MONITORAMENTO E O CONTROLE DA TEMPERATURA EM FORNOS DE ALTAS TEMPERATURAS, BASEADO EM RADIAÇÃO INFRAVERMELHA, disposição para o monitoramento e o controle da temperatura em fornos de altas temperaturas baseado em radiação infravermelha, conforme método da reivindicação 1, caracterizada por ser composta por um forno (D) possuindo uma abertura (F) pela qual a luz (3) sai do forno passando por um obturador (G) e, em seguida, é filtrada por uma roda de filtros (H) e capturada por um CCD (I).