声波测温技术的原理与误差分析

1.声波气体温度测量技术的原理
1.1.物理原理
声音脉冲在气体中的传播速度取决于气体的温度。

它们之间的关系可以由下面的等式表示：
在实际运用中，在测量出声音在发射器和接收器之间的“传播时间”后，由该等式得出声音在指定介质中的传播速度。

由于发射器和接收器之间的距离是已知的，由公式（1）可以得出气体温度。

实例：
一个在加热炉中运行的声波高温计，通道长度为6米。

以干气为基准的烟气含量分析如下：
N2= 82 %-Vol.
O2= 6 %-Vol.
CO2= 12 %-Vol.
H2O= 5 %-wt.
测量得到的声波脉冲的传播时间8.5毫秒，通路的平均温度可以计算出来。

按以上的烟气分析的热比是K= 1.28和M = 29.24 克/摩尔.，气体常数R = 8314 千
焦/千摩尔，于是可以得到声波常数K：，根据公式2可以计算出平均温度。

T=1095.7℃。

1.2.测量误差
a）气体成分的变化而产生的影响
气体的成分可以用容积的百分比表示，例如：N2, O2, CO2, CO 和H2O。

在一个垃圾焚化厂观察到气体成分的巨大波动，在[4]中计算出了波动对测量结果的影响。

同时在炉壁上和二次气喷嘴上进行的声波高温测量的气体成分被记录下来。

在这两个层面上的以干气为基准的气体成分分析是；
b）颗粒物质的影响
在例证中显示了粉尘浓度对测量结果的影响。

对于粉尘浓度是5,000 毫克/立方米（干气）和10.000毫克/立方米（干气），声音的速度分别是c = 703.5 米/秒和c = 702米/秒，这里无灰烟气的速度是c = 705米/秒。

由于含尘量波动引起的测量结果误差是ΔTp ≅ ± 0.4 % 。

c）通道长度的影响
温度与通道长度的关系是一个二次方程式。

因此，Δd = ± 0.1 %引起的误差是ΔTD ≅ ± 0,2 %。

通道长度的准确测量是至关重要的，尤其是短通道。

d）烟气速率
穿过通道的烟气速率梯度可能影响声音的速度。

例如，对于气体温度T = 1.000 °C和c = 700 m/s，1 m/s的平均交叉流动速率可能会引起ΔTv = 0.3 %的误差。

交叉流动是存在的，这个误差可以通过从通道的两端进行测量来纠正。

e）弯曲效应
温度梯度可以导出声音通道曲率（Fernat曲度）[3]。

差不多1000K/m的温度梯度存在于锅炉壁区域。

在距离为0.5米或以上时，温度梯度降低至大约100K/m 或更少。

由于通道长度曲变而引起的测量误差可能约为3.5%；然而，实际测量中该误差大致在0.2%左右。

误差综述：
在综合考虑以上的所有误差之后，取决于燃烧类型和燃料类型的全部误差大约在1-2%之间。

与测量传播时间相关的误差（大致<0.5%）和由于末端修正或偏差时间引起的系统误差没有在考虑之列。

偏差时间计算在声音从发射器到工业炉壁和工业炉壁到接收器间的传播时间中。

我们在MMPⅡ系统管理软件中通过调整补偿时间对误差进行了纠正，末端修正在安装期间就能确定，对短通道距离和/或锅炉壁较长[4]的情况应谨慎确定末端修正。