التقنية

البيرومتر الصوتي هو تقنية مجربة وموثوقة فعاليتها، تستخدم الأمواج الصوتية لقياس درجات الحرارة بشكل آني في صناعات المراجل والأفران والمداخن.

الأمواج الصوتية

الصوت هو وسيلة فعالة في عمليات قياس وتحديد بعض المواصفات الفيزيائية للهواء والغازات بشكل عام، واعتماداً على قدرة الصوت هذه قامت شركة إس.إي.آي.SEI باستخدامه في مجالات الفيزياء الصوتية والالكترونية وعمليات تحديد الإشارات الرقمية وتطوير البرامج والحصول على منتجات غاية في التجديد والحداثة، منتجات تستخدم الصوت لإيجاد حلول للكثير من الصعوبات التي تواجه العالم في العديد من المجالات والاستخدامات الصناعية.

بالإمكان استخدام الموجات الصوتية لقياس درجات حرارة الغازات بشكل دقيق، وأنظمتنا المتكاملة Boilerwatch ® MMP هي الأفضل في حالات المسارات المتعددة واستنباط الخرائط الحرارية والتوزيع الحراري.

يمكن الحصول على مزيد من المعلومات والتطبيقات الخاصة ببراءة التقنية الصوتية لشركة إس.إي.آي.SEI في العديد من المطبوعات الصناعية (انظر نشرات) وهي نشرات تتضمن مقالات ووثائق خاصة بمحاضرات تقنية، كما ننصح بالدخول إلى موقع شركتنا وتصفح قسم الوثائق لقراءة تجارب الصلاحية وتقارير ومعطيات.

قياس درجات حرارة الغازات

تعتبر درجة حرارة الغازات إحدى المتغيرات الهامة التي يجب قياسها في العديد من العمليات الصناعية. فمثلا، التصميم التصاعدي وعمل المراجل التي تستخدم الفحم أو الزيوت أو النفط أو الغاز الطبيعي أو المواد الكيماوية المسترجعة من السوائل السوداء أو المخلفات، يتوقف على مراقبة درجات الحرارة الحرجة وعلى تقدير شروط حرارة الغاز داخل الفرن والمقاطع التي تصل فيه إلى أعلى مستوياتها خلال العملية الحرارية.

إن تحسين أداء المراجل والحصول على عمليات ناجحة داخلها يتطلب مراقبة مستمرة لدرجة الحرارة والى عملية حرق كاملة لمختلف أنواع الوقود المستخدمة في العملية. حيث أن تذبذب بسيط لدرجات حرارة أي من مواسير المرجل الخاصة بتصنيع المعادن تؤثر مباشرة في تلك المراجل وتقصر حياتها وبالتالي تنخفض فعالية تلك الأجهزة وما يترتب عليه من الصيانة التي تصبح ضرورية لتوقف الأجهزة الاضطراري جراء سلسلة الاضطرابات الناجمة أولاً وأخيراً عن تقلبات درجات الحرارة. لذا فإن قياساً مباشراً ودقيقاً لدرجات حرارة الغازات إنما تشكل مراقبة ثمينة للتكاليف بالإضافة إلى تقديم معلومات عن الطريقة المثلى لسير العمل في المراجل والأفران وخدمات جلية أخرى.

نظرية القياس الصوتي لدرجات الحرارة

من المعروف أن سرعة الصوت تتناسب طرداً مع حرارة الوسط الذي تسير فيه. وفي الأنظمة التي تهتم بقياس المسافات، فإن التغيرات التي تطرأ على سرعة الموجات الصوتية تمثل خطأ يجب تجنبه. أما في حالة البيرومترات الصوتية فإن التغيرات التي تطرأ على سرعة الموجات الصوتية ما هي إلا وسيلة لقياس قيم محددة.

ومن المعروف أيضاً منذ مدة، أن قياس سرعة الصوت يمكن استخدامها في قياس المسافات الخاصة بعلوم الأرصاد الجوية وعلوم المياه وفي الصناعة. ومن جهة أخرى فإن قياس درجات الحرارة بالوسائل الصوتية يتطلب قياس سرعة انتقال الصوت بين نقطتين محددتين وهو ما يقود بالتالي إلى حساب درجات حرارة الوسط الغازي الذي تنتقل فيه الموجات الصوتية.

من هنا فإن المعطيات التي تدخل في قياس درجات الحرارة البيرومترية تصبح واضحة. إن سرعة الصوت (c) في الغاز المرتبطة بدرجة الحرارة يمكن اختصارها بالصيغة التالية:

c = sqrt[rRT/M]      (1)

r =  نسبة الحرارة النوعية للغاز تحت ضغط جوي ثابت وضمن حجم ثابت.

R = الثابت العام للغازات (8.314 جول/سعرة-مول)

T = الحرارة المطلقة (بمقياس كالفين)

M = الوزن الجزيئي للغاز (كغ/مول)

نظريا فإن نظام البيرومتر الصوتي يحتاج فقط إلى مصدر صوتي (مرسل) لوضعه على أحد جوانب الفرن، والى مستقبل أو ميكروفون لوضعه على الجانب المقابل. ويقوم المرسل بإرسال إشارة صوتية يستقبلها الميكروفون. ومن خلال الوقت الذي تستغرقه هذه الإشارة في الانتقال مابين المرسل والمستقبل – وهي مسافة ثابتة ومعروفة – يمكننا حساب درجة حرارة الوسط الغازي الذي انتقلت فيه تلك الإشارة الصوتية.

إلا أن هذا التبسيط يواجه بعض الصعوبات عملياً. فقد وجد، مثلاً، أن مجموعة الترددات العملية للإشارة الصوتية داخل الأفران والمراجل الكبيرة الحجم تقع في المجال مابين 500 و2000 هرتز. وعندما تصل درجة حرارة الغاز إلى 3000 فهرنهايت فإن سرعة الموجات الصوتية قد تصل إلى 880 متر/ثانية  وطول الموجة الصوتية 1 متر تقريباً، مما يتطلب أن تكون سرعة الومضات الصوتية متناسبة مع التردد وطول الموجة كي نتمكن من الحصول على قياس دقيق لدرجة الحرارة والتأكد من صلاحية النظام. كما يمكن أن تظهر بعض المشاكل الأخرى التي تسببها عادة طبيعة مسار الإشارة الصوتية، حيث أن بعض المسارات قابلة للتشوه نتيجة التقلبات الحرارية الشديدة وطبيعة جوف الفرن أو المرجل المليئة بالتجاويف التي تشكلها المواسير المنتشرة في داخله.

لحساب سرعة الموجات الصوتية يمكن اللجوء إلى الصيغة التالية (السرعة = المسافة/الزمن):

c = d/t     (2)

حيث:

c = سرعة الصوت (متر/ثانية)

d = طول مسار الموجة الصوتية (متر)

t = الزمن الذي تستغرقه الموجات الصوتية في بلوغ المستقبِل انطلاقاً من المرسِل (ثوان)

بعد معرفة سرعة الموجات الصوتية، يمكن حساب درجة الحرارة بتوافق الصيغة (1) و (2) مما ينتج عنه صيغة وحيدة تبين علاقة درجة الحرارة بالمسافة والزمن:

T = (d/Bt)2 - 273.16

حيث:

T = درجة حرارة الغاز (درجة مئوية)

d = المسافة (أمتار)

B = ثابت صوتي للغاز = sqrt(rR/M)

 t = الزمن (ثوان)

لقياس درجة حرارة غاز ما داخل الأفران أو المراجل فإن المسافة بين المرسل والمستقبل الصوتي (d) ثابتة ومعروفة، والثابت الصوتي (B) يمكن حسابه اعتماداً على تحليل الوقود المستخدم أو تحليل الغاز المنبعث من احتراقه، والزمن (t) يقيسه البيرومتر الصوتي. وعليه فإن درجة حرارة الغاز خلال مساره تنتج عن تطبيق الصيغة السابقة.