Erik Zetterlund är forskare inom fiberfotonik på Acreo i Hudiksvall. Åsa Claesson är ansvarig för Acreos verksamhet inom fiberfotonik och ingår i forsknings-institutets ledningsgrupp.

I processer där miljön är så extrem att konventionell mätteknik inte kan användas kan fiberbaserad mätteknik ge värdefull information om temperaturer och kemisk sammansättning. Acreo har utvecklat teknik för detta ändamål, i samarbete med bland andra Swerea Mefos. Tekniken har installerats och testats i stålindustrin, där det visat sig att den ökade processkontrollen som fiberoptik kan bidra med är till stor nytta i effektiviserings- och kvalitetshöjande åtgärder.

I några av stålindustrins mest extrema högtemperaturprocesser – mas-ugnar, stålkonvertrar eller ljusbågs-ugnar – ställer miljön mycket höga krav på mättekniken. Dessa processer karaktäriseras av höga temperaturer, mellan 1200 och 2400 °C, stora gasflöden vid höga hastigheter och gaser som innehåller stora mängder stoft.

I dessa miljöer fungerar inga konventionella mätmetoder mer än för engångs-mätningar. Det är för denna typ av processer som Acreo tagit fram fiberbaserade metoder för mätning av temperatur och kemisk sammansättning.
Att öka processkontrollen är viktigt i stål- och metallindustrin. Det leder till bättre utnyttjande av råvaran vilket i förlängningen leder till bättre energiutnyttjande samt minskade utsläpp av växthusgaser och stoft till miljön. Den svenska stålindustrin är hårt nischad, och processförbättringar är ett konkurrensmedlet gentemot volymproducenter i länder som Kina och Brasilien.

Trots detta är processkontrollen i vissa processer idag högst begränsad och operatörerna förlitar sig på erfarenheter eller mätningar som görs i efterhand. Anledningen är helt enkelt att konventionell mätteknik många gånger inte går att använda i de extrema miljöerna i och kring processerna.

Det finns många olika typer av fiberoptiska sensorer och mättekniker som är relevanta för stålindustrin. I teknologier såsom Fiber Bragg Gitter (FBG:er) och Ramanbaserad distribuerad temperaturmätning (Raman DTS) används fibern både som sensor och som informationsbärare och man kan med mycket god noggrannhet mäta temperaturen längs kilometerlånga fibrer.

Dessa tekniker kan exempelvis användas för att övervaka temperatur kring ugnar eller i verktyg. Optisk fiber klarar dock inte att utsättas för temperaturer över cirka 600°C under någon längre tid, och kan därför inte användas direkt i de metallurgiska processerna där det är betydligt varmare.

För att komma runt detta har Acreo tillsammans med Swerea Mefos designat och tillverkat kvävgaskylda mätlansar bestyckade med fiberoptik och linser. Med dessa mätlansar går det att utföra kontinuerliga och spatialt upplösta mätningar inne i stålkonvertrar och masugnar som tidigare inte varit möjliga. Fiberoptikens litenhet och relativa temperaturtålighet gör att mätlansarna kan placeras väldigt nära processerna samtidigt som analysutrustning kan stå säkert i ett kontrollrum.

Mätlansarna samlar in strålning från processerna varur värdefull information om temperatur och kemisk sammansättning kan erhållas utan fysisk kontakt med processen. På så vis kan processen övervakas på avstånd, och man kommer därmed runt problemen med höga temperaturer och partiklar som förstör sensorerna.

Acreo är Sveriges största forskningsinstitut inom optik och elektronik. Forskningsinstitutets roll är att skapa och implementera forskningsresultat till industriella lösningar som genererar tillväxt och konkurrenskraft i näringslivet. Sedan 2008 har Acreo i nära samarbete med Swerea MEFOS och flera svenska stålbolag arbetat med fiberoptisk mätteknik för att möjliggöra processkontroll i extrema miljöer, specifikt metallurgiska processer. De fiberoptiska installationerna har gjorts i industriella processutrustningar på SSAB och LKAB och ytterligare försök är planerade att utföras på olika stålindustrier runt om i landet.

Industrins stora intresse av att kartlägga temperaturen i processer gör att det är främst värmestrålning, så kallad Planckstrålning som samlas upp. Planckstrålning emitteras från alla objekt över absoluta nollpunkten och dess välkända förhållande mellan intensitet och våglängd, beskriven av Plancks strålningslag, gör det i teorin lätt att mäta ett föremåls temperatur och tekniken utnyttjas i kommersiella IR-kameror och IR-termometrar.

I många processer, däribland metallurgiska, är det dock sällan frågan om en ren Planckstrålning, utan den överlappas även av molekylär och atomär emission samt distorderas av diverse absorptionsband. I mätningar i industriella processer finns ofta också flera värmekällor att ta hänsyn till, i vårt fall bland annat -smältan, slaggen och ugnsväggen.

Kommersiella IR-termometrar tar ingen hänsyn till detta utan bestämmer normalt temperaturen genom att mäta intensiteten vid två förinställda våglängder och metoden blir därmed mycket opålitlig.
I Acreos mätsystem samlas ett bredbandigt spektrum upp och analyseras med hjälp av en spektrometer. Genom en ordentlig analys av spektrumet från en process kan man då välja ”fönster” (våglängdsintervall) där Planckstrålningen inte är störd av andra emitterande och absorberande faktorer och därmed göra en betydligt säkrare temperaturmätning.

Istället för att mäta intensiteten endast vid två specifika våglängder anpassas data över ett eller flera lämpliga våglängdsintervall. Genom att sådana anpassningar finns även möjligheten att detektera flera olika värmekällor och deras inbördes förändringar.

Att mäta ett objekts temperatur genom att studera dess Planckstrålning ställer extra höga krav på mätsystemet eftersom bestämningen baseras på absolutvärdet av både intensiteten och våglängden av den emitterande strålningen. Ofta har den fiberoptik och linser som används en våglängdsberoende dämpning vilket gör att signalen som når mätutrustningen kommer se annorlunda ut än den som det studerade objektet emitterade. Problemet är likartat det som nämnts för absorptionsband och emissionstoppar i processen, men i det här fallet går det att komma runt problemet genom ett bra kalibreringsförfarande.

Kalibreringar av detta slag, samt metoder för att hantera olika typer av icke-linjäriteter i utläsningsanordningen – spektrometern – som alltid förekommer är en förutsättning för en bra temperaturbestämning. På detta område har Acreo framgångsrikt utvecklat en fungerande metodik.

Uppmätta absorptionsband och framförallt emissionslinjer i spektrumet, är ett mättekniskt problem för temperatur-bestämningen men kan ge viktig information om processen. Förekomsten av specifika alkaliemissionslinjer och förändringar av dessa kan ge mycket värdefull information om processen.
 
De utförda installationerna och testerna som gjorts i industrin vittnar om att det är möjligt att samla upp och analysera värdefulla processparametrar i väldigt extrema miljöer. De visar också att det är möjligt att använda fiberoptik och känslig utrustning i tung industri om det hanteras på rätt sätt.

Den mätprincip och metodik som använts är på inget sätt unik för just stålindustrin, utan har ett berättigande även för andra processer där konventionell teknik inte ger tillfredsställande resultat, eller där miljön gör att mätobjektet inte kan nås med konventionell teknik.