Что такое акустический пирометр

Практически до 99 % рынка приборов для бесконтактных измерений температуры Украины занимают инфракрасные пирометры, воспринимающие тепловые лучи, исходящие от поверхности тела и за время не больше секунды, преобразующие полученную информацию в цифровое значение, отображаемое на дисплее.
Иногда их называют оптическими, что не верно, поскольку они работают исключительно в ИК – диапазоне, а вот для промышленных задач, особенно связанных с высокими пределами температуры (1000-2000-3000 и выше), используются пирометры с исчезающей нитью, которые действительно функционируют в оптическом диапазоне и считаются более точными, поскольку их показания не зависят от отражательной способности поверхности и большинства других возмущающих факторов, влияющих на мощность инфракрасного излучения и искажающих конечный результат.
Но и есть и другая, значительно более редкая группа приборов для дистанционного измерения температуры, которую практически невозможно заменить другими устройствами.

Что такое акустический пирометр и для чего он нужен

Представим себе огромный котел электрической станции мощностью в сотни Мегаватт. Чтобы газ сжигался оптимально (с одной стороны - с минимальным расходом, с другой – чтобы температура обеспечивала 100 % выполнение производственного цикла), необходимо точно знать, как в процессе горения распределена температура в разных точках пространства.

Если не обеспечить контроль, это приведет к перегреву стенок котла, критическому повышению температуры пара, чрезмерному сажеобразованию, закоксовыванию трубопроводов с уменьшением поперечного сечения и т.д.
Но сам котел закрытый. Как “проникнуть” внутрь ?

Варианты для контроля температуры в котлах

Первое что приходит на ум – это термометры с термопарами. Но как и в металлургии, от них больше проблем и головной боли для персонала, чем пользы.

  1. Они долго "не протянут". Конечно термопары на основе вольфрама могут выдерживать высокие температуры, но все-таки они относятся к расходному материалу. И тем выше температура, тем быстрее они выходят из строя.
  2. Технологически их очень сложно монтировать, снимать для осмотра, ремонта, поскольку они расположены внутри камеры. Тем более, что для больших котлов, их длина достигает 5-7 метров !
  3. Чтобы иметь данные хотя бы с десятка точек, потребуется столько же термопар.
  4. Инерционность – пожалуй самое главное слабое звено. 5-10 секунд, пока показания стабилизируются - это очень долго. Для температурного контроля процессов сгорания газа эта почти целая вечность.
  5. Чем больше термопар, тем ниже совокупно их надежность. И для замены хотя бы одной, придется останавливать техпроцесс, что часто невозможно сделать и практически ставит крест на целесообразности их применения.

Может попробовать ИК-пирометр ? Но максимум, что он может измерить это именно нагрев поверхности. А нам нужно каким-то образом дистанционно проверить, что же происходит с температурой внутри камеры. Причем в нескольких заданных точках. И чем их будет больше, тем точнее будет картина. И самое главное, пирометры не рассчитаны на измерение температуры газов. Не их эта сильная сторона.
Кстати дистанционные термометры не подходят, как и термопары по причине своей “медлительности", поскольку их время отклика (реакции на скорость изменения температуры), хоть и составляет 0,5-1 секунды, но все же это очень долго. Для твердых тел этого в большинстве случаев достаточно, а вот для горящих газов, образующегося дыма и других продуктов сгорания, слишком много.
Фактически мы имеем постановку задачи - получить трехмерную функцию распределения температур, причем в каждой точке значение  может меняться за десятые доли секунды.
Не такая простая задача, но с ней успешно справляются акустические пирометры.

Принцип действия

Известно, что скорость звука зависит от температуры воздуха (газа). При 0 градусов это значение составляет около 340 м/с. Также оказывают влияние давление, химический состав среды и другие параметры.
Но основной воздействующий фактор это температура. Чем она выше, тем больше скорость звука. Правда надо отметить, что зависимость эта довольно слабая. То есть при 20-30-40 градусах (если пока мы говорим о диапазоне температурах, привычном нам), разница в скорости составляет не десятки метров в секунды, а буквально проценты. То есть для нас разницы почти нет. Имеется в виду, что хоть зимой, хоть летом, мы не различим изменения скорости звука например от автомобильного сигнала.

Чтобы зафиксировать разницу в скорости, нужен высокоточный измеритель звука, оперирующий при измерении величинами в сотые и тысячные доли метра с временными интервалами в сотые и тысячные доли секунды.

В системе вмонтированы 2 акустических генератора, формирующих звуковые волны высокой интенсивности (порядка 170 Дб)

Волны имеют острый фронт, т.е. нарастают довольно быстро. Также в системе бесконтактного измерения температуры присутствует комплект звуковых приемников.
Скорость волн, распространяемых концентрически от источников, зависит от температуры горячего газа. В зависимости от интервала времени, который звук преодолевает от генератора до приемника, электронная схема вычисляет соответствующую температуру.
Чем не пирометр ? Только не привычный нам, а акустический.

Таким образом можно проводить измерения с точностью ±1% в диапазоне до 2000° C для объектов длиной в 25-30 метров.

Почему не выходят из строя от перегрева генератор и приемники ? Для этих целей предусмотрена система труб длиной 10-15 метров. По одним трубам звук передается от генератора, достигает котла, проходит через него, выходит через противоположную стенку и попадает в приемную трубу, которая в свою очередь соединяется со звуковыми приемниками.
В некотором роде можно сказать, что акустический пирометр это своеобразный гибрид бесконтактного термометра и шумомера.
Имея данные в диспетчерской, со временем можно набрать достаточно количество информации и понимать, что процессы горения проходят аномально (например недостаток кислорода, газ поступает под низким давлением), поскольку все это влияет на температуру.
Также звуковой температурный анализ покажет проблемные моменты, например утечка теплоносителя через трубы, что будет ощущаться как посторонний шум.

Схема акустического измерения температуры может с успехом применяться не только при сгорании газа, но и угольной пыли.
Установка акустических пирометров позволяет:

  • уменьшить шлакообразование и образование кокса;
  • поддерживать оптимальную температуру горения;
  • снизить выбросы вредных веществ в атмосферу;
  • уменьшить расход топлива;
  • продлить ресурс оборудования;
  • уменьшить вероятность возникновения аварий;
  • увеличить надежность процесса измерения, поскольку элементы системы работают на расстоянии.