Способ и устройство определения температуры внутренних стенок в многостенных сосудах

 

Способ определения температуры внутренних стенок в многостенных сосудах, в частности в высокотемпературных агрегатах, как, например, печи в металлургии или химической технологии, с по меньшей мере одной внутренней стенкой и одной наружной стенкой, а также с газообразной средой, например воздухом, между внутренней и наружной стенками. Температуру внутренней стенки и, при необходимости, температуру газообразной среды определяют путем измерения величины, характеризующей температуру наружной стенки, и путем измерения излучения внутренней стенки для по меньшей мере трех частот излучения. Технический результат: увеличение точности измерения температуры. 2 с. и 13 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу и устройству определения температуры внутренних стенок в многостенных сосудах, в частности, в высокотемпературных агрегатах, как, например печи, в металлургии или химической технологии.

Из монографии "Улучшение топливоиспользования и управление теплообменом в металлургических печах", Лисиенко В.Г., Волков В.В, Маликов Ю.К., Москва, Металлургия, 1988. - 230 с. известен способ бесконтактного измерения температуры экранированной поверхности твердого тела пирометром излучения, в котором используют светофильтр для устранения экранирующего влияния селективно-излучающей газообразной среды. При этом прохождение излучения от поверхности тела к приемнику излучения обеспечивается окном прозрачности газов. Для устранения фонового потока, отраженного от поверхности излучения, используют с таким же светофильтром второй пирометр, который направлен на внутреннюю сторону поверхности второй стенки многостенного сосуда. Этот способ, однако, приводит к невысокой точности измерения, в частности, в агрегатах с содержащей пыль газовой атмосферой, где имеет место дополнительное экранирование излучения за счет частичек сажи и пыли.

Задачей изобретения является указание способа и соответственно устройства, при помощи которых может быть увеличена по сравнению с уровнем техники точность измерения температуры внутренних стенок в многостенных сосудах, в частности, в высокотемпературных агрегатах, как, например, печи в металлургии или химической технологии. При этом желательно, чтобы расходы на устройство определения этой температуры по сравнению с уровнем техники по возможности уменьшались или повышались по меньшей мере не значительно.

Согласно изобретению задача решается посредством способа, а также соответствующего устройства определения температуры внутренних стенок в многостенных сосудах, в частности в высокотемпературных агрегатах, как например печи, в металлургии или химической технологии, с по меньшей мере одной внутренней (in) и одной наружной (aus) стенкой, а также с газообразной средой, например, воздухом между внутренней и наружной стенками, причем температуру внутренней стенки и, при необходимости, температуру газообразной среды определяют путем измерения величины, характеризующей температуру наружной стенки, и путем измерения излучения внутренней стенки для по меньшей мере трех частот излучения. Таким образом можно учесть воздействие на излучение газообразной среды, например, частичек сажи и пыли, без необходимости знать заранее эти характеристики газообразной среды. Благодаря измерению величины, характеризующей температуру наружной стенки, и измерению излучения внутренней стенки для по меньшей мере трех частот излучения можно составить три соотношения, в которых по меньшей мере одну характеристическую величину газообразной среды, как например ее характеристику поглощения, принимают за неизвестную математическую величину в системе уравнений и вычисляют ее таким образом.

В преимущественной форме выполнения изобретения температуру внутренней стенки определяют путем измерения величины, характеризующей температуру наружной стенки и путем измерения излучения внутренней стенки для четырех частот излучения. Благодаря измерению для четырех частот излучения можно составить четыре зависимости, две из которых можно использовать для того, чтобы учесть обе рассматриваемые в качестве существенных величины воздействия газообразной среды на излучение, такие как характеристика поглощения газообразной среды и степень черноты газообразной среды, не зная их в явном виде. Таким образом можно вычислить влияние газообразной среды на отраженное излучение без необходимости знать эти характеристики заранее. Путем учета характеристик газообразной среды относительно их воздействия на отраженное излучение можно значительно повысить точность определения температуры внутренних стенок в многостенных сосудах по сравнению с известным способом.

В дальнейшей преимущественной форме выполнения изобретения температуру внутренней стенки и при необходимости температуру газообразной среды определяют через соотношение между измеренным излучением внутренней стенки для одной частоты потока излучения, температурой внутренней стенки, температурой газообразной среды, температурой наружной стенки и характеристикой поглощения излучения газообразной среды. При этом используют подходящее для этого соотношение где E^λ_f,in - измеренное эффективное излучение внутренней стенки для длины волны λ; ε^λ_in - степень черноты поверхности внутренней стенки относительно длины волны λ; E^λ₀(T_in) - плотность излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры внутренней стенки T_in относительно длины волны λ; a^λ_M,in - характеристика поглощения газообразной среды относительно длины волны λ; ε^λ_M,in - степень черноты газообразной среды относительно длины волны λ; E^λ₀ - плотность излучения абсолютно черного тела при температуре газообразной среды T_М относительно длины волны λ и E^λ_in - падающее на внутреннюю стенку излучение относительно длины волны λ.
Это соотношение особенно подходит для определения температуры газообразной среды при неизвестных характеристиках газообразной среды относительно их воздействия на отраженное излучение, а также температуры обрабатываемого материала.

Для этого составляют соотношение

для четырех различных частот излучения, т. е. четырех различных длин волн, и решают вытекающую из него систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными, причем в качестве решения получают температуру внутренней стенки, температуру газообразной среды, а также характеристики поглощения и черноты газообразной среды.

В дальнейшей преимущественной форме выполнения изобретения температуру внутренней стенки и при необходимости температуру газообразной среды определяют путем измерения излучения внутренней и наружной стенок для по меньшей мере трех частот излучения. Особенно преимущественным является при этом определение температуры внутренней стенки и при необходимости температуры газообразной среды путем измерения излучения внутренней и наружной стенок соответственно для четырех частот излучения с использованием соотношения между измеренным излучением внутренней и наружной стенки для одной частоты излучения, температурой внутренней стенки, температурой наружной стенки, температурой газообразной среды и характеристикой поглощения излучения газообразной среды. Это является особенно предпочтительным в том случае, когда непосредственное измерение температуры наружной стенки, например, при помощи термопар или подверженных температурному влиянию сопротивлений, не возможно или не желательно.

В дальнейшей преимущественной форме выполнении изобретения из соотношения

а также соотношения

где
E^λ_f,aus - измеренное эффективное излучение наружной стенки для длины волны λ;
ε^λ_aus - степень черноты поверхности наружной стенки относительно длины волны λ;
E^λ₀(T_aus) - плотность излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры наружной стенки T_aus относительно длины волны λ;
a^λ_M,aus - характеристика поглощения газообразной среды относительно длины волны λ;
ε^λ_M,aus - степень черноты газообразной среды относительно длины волны λ; и
E^λ_aus - падающее на наружную стенку излучение относительно длины волны λ,
составляют уравнения для каждой из четырех различных частот излучения, т. е. четырех длин волн и решают вытекающую из этого систему восьми уравнений с восьмью неизвестными, причем в качестве решения получают температуру внутренней стенки, температуру газообразной среды, а также характеристики поглощения и черноты газообразной среды.

Дальнейшие преимущества и детали изобретения видны из нижеследующего описания примеров выполнения на основе чертежей в сочетании с подпунктами формулы изобретения, а именно:
фиг. 1 - металлургическая печь;
фиг. 2 - соответствующее изобретению устройство определения с одним пирометром:
фиг. 3 - соответствующее изобретению устройство определения с двумя пирометрами.

Фиг. 1 показывает двухстенную печь 1 для металлургических целей. Она имеет внутреннюю стенку 2 и наружную стенку 3. При этом внутренняя стенка 2 служит для приема жидкого металла 4, а наружная стенка 3 - для экранирования от высоких температур и стабильности печи 1. Температуру внутренней стенки 2 определяют при помощи устройства, содержащего установленную на наружной стенке 3 термопару 6, пирометр 7 и блок обработки данных 8. При помощи пирометра 7 измеряют излучение внутренней стенки 2 через смотровое окно 5. На основании данных, полученных от пирометра 7 и термопары 6, блоком обработки данных 8 определяют температуру внутренней стенки 2.

Фиг. 2 показывает устройство определения из фиг. 1 в деталированном виде. При этом цифрой 9 обозначена внутренняя стенка, цифрой 10 - наружная стенка и цифрой 33 - газообразная среда между внутренней 9 и наружной 10 стенками. В названном примере металлургической печи наружная стенка 10 имеет футеровку 19, а также стабилизирующий слой 18, например стальную оболочку. При помощи термопары 11 измеряют температуру на внутренней стороне наружной стенки и передают по линии передачи данных 12 в блок обработки данных 14. Далее устройство содержит пирометр 15, ось луча 17 которого направлена на наружную поверхность внутренней стенки. Отраженное от наружной поверхности внутренней стенки 9 излучение, проходя вдоль оси луча 17, попадает через интерференционный фильтр 16 в пирометр 15. Интерференционный фильтр 16 пропускает только четыре выбранные частоты излучения, подавляя другие частоты. Пирометр 15 подает в блок обработки данных 14 интенсивность выбранного излучения через линию передачи данных 13. Блоком обработки данных 14 определяют температуру на наружной поверхности внутренней стенки 9 из интенсивности излучения для каждой отдельной из избранных четырех длин волн и температурного сигнала, поступающего от термопары 11.

Фиг. 3 показывает альтернативное выполнение предлагаемого изобретением устройства определения, которое отказывается от непосредственного определения температуры наружной стенки, например, при помощи термопары или температурнозависимых сопротивлений. При этом цифрой 20 обозначена внутренняя стенка, а цифрой 21- наружная стенка. Как и на фиг. 2 наружная стенка 21 содержит футеровку 23, а также стабилизирующий слой 22, например стальную оболочку. Определяемой величиной является температура на наружной поверхности внутренней стенки 20. На нее направлена ось луча 26 первого пирометра 24. Ось луча 29 второго пирометра 27 направлена на внутреннюю поверхность наружной стенки 21. Попадающее в пирометры 24 и 27 излучение отфильтровывают соответственно интерференционным фильтром 25 и 28, каждый из которых пропускает соответственно только четыре избранных частоты излучения. Пирометры 24 и 27 измеряют интенсивность этого выбранного излучения, которую подают соответственно по линии передачи данных 30 и 31 в блок обработки данных 32. В блоке обработки данных 32 определяют температуру газообразной среды 34 из соотношения между измеренным излучением внутренней стенки 20 для одной частоты излучения, температурой внутренней стенки, температурой газообразной среды 34, температурой наружной стенки и характеристикой поглощения излучения газообразной среды 34, а также из соотношения между измеренным излучением наружной стенки 21 для одной частоты излучения, температурой наружной стенки, температурой газообразной среды 34, температурой внутренней стенки и характеристикой поглощения излучения газообразной среды 34 путем составления и решения системы восьми уравнений, причем каждому уравнению соответствует одна выбранная длина волны.

Формула изобретения

1. Способ определения температуры внутренних стенок в многостенных сосудах, в частности в высокотемпературных агрегатах, как, например, печи в металлургии или химической технологии, с по меньшей мере одной внутренней стенкой и одной наружной стенкой, а также с газообразной средой, например воздухом, между внутренней и наружной стенками, отличающийся тем, что температуру внутренней станки и при необходимости температуру газообразной среды определяют путем измерения величины, характеризующей температуру наружной стенки, и путем измерения излучения внутренней стенки для по меньшей мере трех частот излучения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру внутренней стенки и при необходимости газообразной среды определяют путем измерения величины, характеризующей температуру наружной стенки, и путем измерения излучения внутренней стенки для четырех частот излучения.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что температуру внутренней стенки и при необходимости газообразной среды определяют через соотношение между измеренным излучением внутренней стенки для частоты потока излучения, температурой внутренней стенки, температурой газообразной среды, температурой наружной стенки и характеристиками поглощения излучения газообразной среды.

4. Способ по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что температуру газообразной среды определяют путем использования соотношения

где E^λ_f,in - измеренное эффективное излучение внутренней стенки для длины волны λ;
ε^λ_in - степень черноты поверхности внутренней стенки для длины волны λ;
E^λ₀(T_in) - плотность излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры (T_in), внутренней стенки;
a^λ_M,in - характеристика поглощения газообразной среды;
ε^λ_M,in - степень черноты газообразной среды относительно длины волны λ;
E^λ₀ - плотность излучения абсолютно черного тела при температуре газообразной среды T_M;
E^λ_in - падающее на внутреннюю стенку излучение.

5. Способ по пп.1 - 3 или 4, отличающийся тем, что составляет соотношение

для четырех различных частот излучения, т.е. четырех различных длин волн и решают вытекающую из него систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными, причем температуру внутренней стенки, температуру газообразной среды, а также свойства поглощения и черноты газообразной среды получают в качестве их решения.

6. Способ по пп.1 - 4 или 5, отличающийся тем, что температуру внутренней стенки и при необходимости газообразной среды определяют путем измерения излучения внутренней и наружной стенок для по меньшей мере трех частот излучения.

7. Способ определения температуры внутренних стенок в многостенных сосудах по пп.1 - 5 или 6, отличающийся тем, что температуру внутренней стенки и при необходимости газообразной среды определяют путем измерения потока излучения внутренней и наружной стенок для четырех частот излучения при использовании соотношения между температурой внутренней и наружной стенок, измеренным излучением внутренней стенки и измеренным излучением наружной стенки, температурой газообразной среды и характеристиками поглощения излучения газообразной среды.

8. Способ по пп.1 - 6 или 7, отличающийся тем, что соотношение

и соотношение

где E^λ_f,aus - измеренное эффективное излучение наружной стенки для длины волны λ;
ε^λ_aus - степень черноты поверхности наружной стенки относительно длины волны λ;
E^λ₀(T_aus) - плотность излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры T_aus наружной стенки относительно длины волны λ;
a^λ_M,aus - характеристики поглощения газообразной среды относительно длины волны λ;
ε^λ_M,aus - степень черноты газообразной среды относительно длины волны λ;
F^λ_aus - падающий на наружную стенку поток излучения относительно длины волны λ,
составляют для каждой из четырех различных частот излучения, т.е. четырех различных длин волн и решают вытекающую из этого систему восьми уравнений с восемью неизвестными, причем температуру внутренней и наружной стенок, температуру газообразной среды, а также характеристики поглощения и черноты газообразной среды получают в качестве их решения.

9. Устройство определения температуры внутренних стенок в многостенных сосудах, в частности в высокотемпературных агрегатах, как, например, печи в металлургии или химической технологии, с по меньшей мере одной внутренней стенкой и одной наружной стенкой, а также с газообразной средой, например воздухом, между внутренней и наружной стенками, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере один пирометр для измерения излучения внутренней стенки и устройство измерения температуры для определения наружной стенки.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что пирометр снабжен по меньшей мере одним интерференционным фильтром для выбора частоты излучения.

11. Устройство по п. 9 или 10, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере один элемент не бесконтактного измерения температуры, например термопару или температурнозависящее сопротивление.

12. Устройство по пп. 9, 10 или 11, отличающееся тем, что оно соответственно содержит по меньшей мере один пирометр для измерения излучения внутренней стенки и по меньшей мере один пирометр для измерения излучения наружной стенки.

13. Устройство по пп.9 - 11 или 12, отличающееся тем, что оно содержит блок обработки данных.

14. Устройство по пп.9 - 12 или 13, отличающееся тем, что блок обработки данных выполнен в виде однокристального компьютера, например микроконтроллера, или в виде многокристального компьютера, в частности одноплатного компьютера или устройства автоматизации.

15. Устройство по пп.9 - 13 или 14, отличающееся тем, что блок обработки данных выполнен в виде устройства управления с программируемой памятью, в виде системы шин VME или в виде промышленного персонального компьютера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3