СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ АГРЕГАТЕ Российский патент 1994 года по МПК G01K13/02 

Изобретение относится к технике, связанной с определением температуры газа, и может быть использовано в агрегатах и устройствах, где в связи с особенностями их работы необходим контроль температуры газовой фазы.

Известен способ определения температуры, заключающийся в возбуждении колебаний столба газа в полом резонаторе, размещенном в контролируемой среде, и измерении изменения частоты колебаний под воздействием температуры [1] .

Недостатком известного способа является существенная погрешность, связанная с возможностью запаздывания датчика-резонатора следовать за изменениями температуры среды. Эта погрешность зависит от геометрических и физических свойств резонатора, а также от физических свойств и параметров потока, омывающего датчик. Из-за низкого быстродействия известный способ не позволяет обеспечить высокую точность измерения в условиях переменных температур.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения температуры газа в технологическом агрегате, включающий вдувание в него через сопло газовой струи и изменение характерной частоты в спектре шума струи [2] .

Недостатком известного способа является низкая точность из-за непостоянства режимных параметров истечения струи.

Цель изобретения - повышение точности в условиях быстрого изменения температуры среды в технологическом агрегате.

Цель достигается тем, что поддерживают постоянным полный перепад давления П_о протекающего через сопло газа, в качестве которого используют газ, не реагирующий с газовой средой в агрегате, при отсутствии контакта струи с поверхностью раздела фаз в нем на начальном участке струи с длиной = 4,2П , одновременно с измерением характерной частоты измеряют состав газа в агрегате, а температуру газа определяют по формуле
T_г= T A , где μ_го, μ_г, К_го, К_г - молекулярный вес и показатель адиабаты, определяемые по составу газа в технологическом агрегате соответственно при начальной, заданной температуре Т_го газа и в момент измерения характерной частоты в спектре шума струи;
f_го - характерная частота в спектре шума струи при температуре Т_го;
K_иг - показатель адиабаты газа струи в момент измерения характерной частоты;
А - коэффициент, учитывающий изменение параметров истечения (состава и температуры торможения) газа струи.

При истечении струй в окружающее пространство формируется слой смешения их с окружающей средой, который представляет собой набор вихревых структур (мод), конвектирумых вдоль струи с характерными скоростью и масштабом, которым соответствует определенная частота в спектре шума струи. По информации об изменении спектра шума струи и дискретного шума, связанного с крупномасштабными вихревыми структурами, в частности, можно судить о поведении вихревых структур и слоя смешения струи в целом. Развитие слоя смешения струи является отображением параметров струи на срезе сопла, с одной стороны, и параметров окружающей среды - с другой. При неизменном перепаде давления истекающего газа на срезе сопла, по изменению слоя смешения струи, т. е. по изменению спектра шума последней, можно судить об изменении параметров окружающей среды, например ее температуры.

Зная величину частоты дискретного тона f_го в акустическом спектре струи при известных температуре Т_го и составе (μ_го и К_го) газа, в который истекает струя в любой момент времени τ_о, и с помощью замера нового значения этой частоты f_г и состава газа ( μ_г и К_г) в момент времени τ при неизменном полном располагаемом перепаде давления П_оистекающего газа, можно определить температуру газовой среды в агрегате.

На длине участка (ядра) потенциальной скорости струи формируются крупномасштабные вихревые структуры, связанные с дискретными тонами, и генерируется максимальный уровень их шума. При контакте этого участка с поверхностями раздела фаз (сплошные поверхности "газ-жидкость" или "газ-твердое"), а также в случае протекания химических реакций, например горения, на этом участке струи возможно изменение, например подавление, интенсивности характерной частоты в спектре шума струи, что существенно затрудняет контроль частоты по спектру и может привести к неприемлемым погрешностям измерений. Кроме того, при произвольно изменяющемся расстоянии от начального сечения струи до поверхности раздела фаз (например, при колебании уровня расплава в сталеплавильном агрегате, перемещении слитков в нагревающей печи и т. д. ) или до точки воспламенения данные по изменению характерной частоты не поддаются строгому учету.

Как показали проведенные экспериментальные исследования, длина участка потенциальной скорости струи, не реагирующего с газовой средой в агрегате и не контактирующего с поверхностями раздела фаз, зависит от начальных условий и режимных параметров их истечения и может быть определена по формуле
= 4,2П где 4,2 - эмпирический коэффициент.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

В агрегате, температуру газовой фазы которого необходимо контролировать, устанавливают стационарное или периодически вводимое в него калиброванное сопло. Через это сопло непрерывно, либо только в моменты замера температуры, в газ вдувают нереагирующую (с газовой фазой) и не контактирующую с поверхностями раздела фаз по крайней мере на длине ядра потенциальной скорости = 4,2П струю газа. В любой момент времени τ, при котором известны температура Т_го и состав (молекулярный вес μ_го и показатель адиабаты -К_го) газа в технологическом агрегате, температура торможения и состав ( μ_ио и К_ио) истекающего газа, с помощью известного устройства, например микрофона и анализатора спектра шума, измеряют значение f_го характерной частоты (дискретного тона) в спектре шума струи. Для определения нового значения температуры Т_г газовой фазы в любой другой момент времени τ с помощью указанного известного устройства измеряют значение f_г этой характерной частоты в спектре шума струи при неизменном полном располагаемом перепаде давления при известных температуре торможения струи Т_и и ее составе ( μ_и и К_и) в этот момент времени.

Одновременно с замером f_г с помощью известного устройства, например газоанализатора, производят замер состава газовой фазы. По известному составу газовой фазы с помощью известных зависимостей или таблиц справочных данных определяют ее молекулярный вес μ_г и показатель адиабаты К_г (без учета его зависимости от температуры). По указанной выше формуле определяют значение температуры Т_г и затем, используя известную температурную зависимость К_г от Т_г, по этой же формуле определяют значение Т_г методом последовательного приближения до необходимой степени точности. Использование микропроцессорной техники позволяет осуществить совокупность приведенных выше операций за доли секунды, что обеспечивает эффективное использование предлагаемого способа для контроля газовых сред с быстроизменяющейся температурой.

(56) 1. Авторское свидетельство СССР N 119700, кл. G 01 K 11/26, 1958.

2. Газодинамика и акустика струйных течений. Сб. под ред. , Дулова В. Г. Новосибирск, 1987, с. 96-100.

Сущность изобретения: через сопло вдувают в агрегат нагретую струю газа, в качестве которого используют газ, не реагирующий с газовой средой в агрегате. Поддерживают постоянным полный перепад давления газа, протекающего через сопло. Одновременно в заданный момент измеряют характерную частоту в спектре шума струи и состав газа в агрегате. По измеренным значениям определяют температуру газовой среды в агрегате.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ АГРЕГАТЕ, включающий вдувание в него через сопло газовой струи и измерение характерной частоты f_г в спектре шума струи, отличающийся тем, что, с целью повышения точности в условиях быстрого изменения температуры среды в технологическом агрегате, поддерживают постоянным полный перепад давления П_о протекающего через сопло газа, при отсутствии реагирования с газовой средой в агрегате и контакта струи с поверхнностью раздела фаз в нем на начальном участке струи с длиной = 4,2П одновременно с измерением характерной частоты измеряют состав газа в агрегате, а температуру газа определяют по формуле:
T_г= T A,
где μ_го , μ_г , K_го , K_г - молекулярный вес и показатель адиабаты, определяемые по составу газа в технологическом агрегате соответственно при начальной, заданной температуре T_го газа и в момент измерения характерной частоты в спектре шума струи;
f_го - характерная частота в спектре шума струи при температуре T_го;
K_иг - показатель адиабаты газа струи в момент измерения характерной частоты;
A - коэффициент, учитывающий изменение параметров истечения (состава и температуры торможения) газа струи.