超聲波測溫技術(shù)在高溫氣流溫場測量中的應(yīng)用

常蕾，趙儉

(中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100095)

0 引言

高溫氣流溫場由于溫度變化快、氣流流動情況復(fù)雜、噪聲干擾強(qiáng)、待測環(huán)境條件惡劣，其溫度的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)測量及溫度場的重建一直是工程測量中的難點(diǎn)。目前高溫氣流溫場測量主要采用傳統(tǒng)的接觸式測溫方法，接觸式測溫響應(yīng)時(shí)間慢，不能實(shí)時(shí)反映整個溫場的溫度;同時(shí)接觸式測溫破壞氣流溫場環(huán)境，產(chǎn)生較大的輻射及導(dǎo)熱誤差，不便于傳感器的安裝與更換。超聲波測溫技術(shù)做為一種非接觸式測溫手段，其測量溫度范圍寬，對溫場干擾小，便于傳感器布置，實(shí)時(shí)的反應(yīng)氣流溫場的瞬態(tài)變化，能夠解決強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)電磁干擾及振動等特殊環(huán)境下氣流溫度的連續(xù)測量，廣泛應(yīng)用于等離子體室、核反應(yīng)堆、汽輪進(jìn)氣、惰性氣體、溫度標(biāo)準(zhǔn)等領(lǐng)域的高溫氣流溫度測量[1]。

超聲波測溫法作為一種新型的高溫氣流溫場測量手段在國外已得到許多應(yīng)用，國內(nèi)科研人員也越來越重視超聲測溫技術(shù)在高溫氣流溫度測量方面的工程應(yīng)用。本文主要介紹超聲測溫技術(shù)的研究現(xiàn)狀，超聲測溫在高溫氣流溫場測量方面的應(yīng)用前景，同時(shí)對超聲測溫技術(shù)存在的問題進(jìn)行了分析。

1 超聲波測溫技術(shù)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

1.1 國外超聲波測溫技術(shù)發(fā)展

早在上世紀(jì)60年代美國人便開始了超聲波測溫技術(shù)的研究，L.C.Lyn－Nworth等人開展了超聲傳感技術(shù)在測量固體、液體及氣體溫度方面的研究工作，其主要研究方法是超聲脈沖回聲法，待測溫場的溫度均在1000 K以上。上世紀(jì)70年代，英國的J.F.W.bell研究了基于聲波諧振頻率與溫度關(guān)系的固態(tài)聲溫度計(jì)，該固態(tài)聲溫度計(jì)主要用于真空或惰性氣體環(huán)境中溫度的測量，標(biāo)志著超聲波測溫技術(shù)的研究逐步進(jìn)入應(yīng)用研究階段[2]。上世紀(jì)90年代，美國的S.C.Wilkins采用單晶塢制作超聲波溫度計(jì)，該溫度計(jì)超聲信號衰減小、超聲信號回聲穩(wěn)定，可測量3200 K的溫度，測溫的準(zhǔn)確性較好[3];D.W.Varela使用超聲波溫度計(jì)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)及實(shí)驗(yàn)室加熱爐溫度的準(zhǔn)確測量，其測量溫度范圍從室溫到3000℃，響應(yīng)時(shí)間快、穩(wěn)定性好、使用壽命長，該溫度計(jì)的研究突破了超聲波測溫的理論和實(shí)驗(yàn)室研究階段，使得超聲波溫度計(jì)的研制進(jìn)入到工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域[3];加拿大多倫多大學(xué)的I.D.Sommerville教授通過對超聲波檢測液態(tài)金屬質(zhì)量的研究，提出了應(yīng)用超聲技術(shù)測量液態(tài)金屬溫度的可行性，并做了大量的試驗(yàn)，測量出感應(yīng)爐中液態(tài)鋁的溫度[2]。

近年來，國外學(xué)者對于超聲波測溫技術(shù)的研究已經(jīng)很深入，美國、英國和日本的許多研究機(jī)構(gòu)及公司已經(jīng)生產(chǎn)出大量的超聲波溫度計(jì)，在醫(yī)用醫(yī)療、鍋爐爐溫、管道氣體溫度等方面的測量中得到了廣泛的應(yīng)用。上世紀(jì)90年代，日本山田健夫等人采用MHz以上的超聲波研制出的超聲波醫(yī)用診斷裝置，測量人體內(nèi)臟溫度，其測量誤差達(dá)到±0.5℃[2]。本世紀(jì)初，美國的一些公司將超聲波溫度計(jì)逐步從實(shí)驗(yàn)室研究階段帶入到產(chǎn)品化階段，美國的圣迪亞試驗(yàn)室研制的超聲波溫度計(jì)測量鍋爐爐溫，測量溫度可達(dá)2845℃，誤差達(dá)到±1℃[3]。美國的SEI公司將研制的Biolerwatch系列聲學(xué)溫度計(jì)用于測量大型火力發(fā)電廠中鍋爐內(nèi)部溫度場的分布情況，溫度測量范圍300～2700℃，1200℃以上測量誤差可達(dá)2℃[3]。英國的CODEL公司生產(chǎn)出聲學(xué)測溫裝置，通過在待測溫區(qū)表面大量布置傳感器可實(shí)現(xiàn)大型煙氣管道中某一截面氣體溫度的實(shí)時(shí)測量，1000℃以上溫度場溫度重建誤差小于10℃[3]。

1.2 國內(nèi)超聲波測溫技術(shù)發(fā)展

國內(nèi)對超聲波測溫技術(shù)的具體應(yīng)用研究較少，近幾年的發(fā)展速度也比較慢。上世紀(jì)90年代，燕山大學(xué)檢測教研室采用鋯鈦酸鉛材料制成超聲波探頭，對封閉裝置燃燒氣體溫度的測量進(jìn)行了初步探索，大量試驗(yàn)證明了通過檢測超聲波頻率的變化來測量氣體溫度的方法是可行的，但是該超聲探頭只能接受單一頻率超聲波，并且測溫距離受溫度變化的影響較大，探頭不耐高溫，測量高溫氣體環(huán)境還需要對超聲探頭進(jìn)行冷卻[4]。直至本世紀(jì)初，國內(nèi)高校的一些研究機(jī)構(gòu)開始專注于超聲測溫系統(tǒng)的研究，通過待測溫場逆問題的求解實(shí)現(xiàn)了氣流溫度場的重建工作，其中，華中科技大學(xué)的何其偉、李言欽等人設(shè)計(jì)了一套聲學(xué)檢測平臺，實(shí)現(xiàn)爐膛溫度場重建檢測，特別針對爐膛聲波飛行時(shí)間的測量設(shè)計(jì)了專門的硬件系統(tǒng)[5];沈陽工業(yè)大學(xué)的顏華等人提出了一種互相關(guān)和插值運(yùn)算的方法對超聲波飛渡時(shí)間進(jìn)行測量，在不考慮噪聲條件下，對超聲波采樣信號的互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行插值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了超聲波飛渡時(shí)間的高精度測量，該方法雖然只是理論研究，但對提高超聲波法溫度場測量精度具有重要的實(shí)際意義[6];華北電力大學(xué)安連鎖教授對溫度場的聲學(xué)測量重建方法進(jìn)行了基礎(chǔ)性的研究，使用費(fèi)馬原理研究了聲波在二維空間中的傳播路徑問題[7];東北大學(xué)邵福群教授從聲源信號發(fā)生形式、溫度場重建算法到溫度場測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成等進(jìn)行了一定的研究和實(shí)驗(yàn)[1]，取得了一定的成績，同時(shí)在聲學(xué)測溫系統(tǒng)和重建算法上開展了一定的工作，對基于有限級數(shù)展開和正則化分析的復(fù)雜溫度場的圖像重建算法進(jìn)行了研究。

在我國，對于超聲波測溫方面的研究還處在對國外研究現(xiàn)狀的分析與報(bào)道階段，本世紀(jì)初才開始展開超聲波測溫技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的研究，目前國內(nèi)使用的超聲波溫度計(jì)還都依靠從國外進(jìn)口，我國自主研制的超聲測溫測試系統(tǒng)還都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，還未有成熟的產(chǎn)品投入到市場，而我們又急需解決惰性氣體高溫、窯爐爐溫、航空發(fā)動機(jī)燃燒室出口溫度等特殊工況下溫度場的測量問題，因此，測量超聲測溫技術(shù)的研究具有巨大的研究價(jià)值和市場應(yīng)用前景。

2 超聲波測溫技術(shù)原理研究

超聲波測溫技術(shù)的原理是基于聲波在氣體混合物內(nèi)的傳播速度是絕對溫度的第一函數(shù)[8]，在實(shí)際工程測量過程中，氣體組分對聲波在溫場中的傳播速度影響較小，聲速的變化范圍較小，因此，聲波傳播速度僅是氣流溫場絕對溫度的單值函數(shù)。聲速c和溫度T之間的函數(shù)關(guān)系式為

式中:c為聲波的傳播速度，m/s;γ為氣體介質(zhì)定壓比熱與定容比熱之比值 (質(zhì)量熱容比);R為摩爾氣體常數(shù);m為氣體的摩爾質(zhì)量;T為氣體絕對溫度，K;Z為特定的氣體常數(shù)，，通常對煙道混合氣體為19.08，對空氣為20.05。

聲波在介質(zhì)中的傳播速度取決于氣體的溫度及聲波的傳播路徑。在實(shí)際測量中，將兩個聲波收發(fā)器置于待測溫度場兩側(cè)，發(fā)射的聲波及接收的聲波在溫場內(nèi)形成一條聲學(xué)路徑，如圖1所示。

圖1 聲波測量溫場示意圖

待測溫場的空間結(jié)構(gòu)已知，聲波收發(fā)器兩者之間的距離d通過測量得到，測定聲波在其飛渡距離d所用的時(shí)間Δt，便可求得聲波在該傳播路徑上的平均速度，即

根據(jù)式 (2)，可以得出聲波傳播路徑上介質(zhì)的平均溫度值，有

式中:d為發(fā)射裝置和接收裝置之間的距離，m;Δt為聲波飛行時(shí)間，s;Z為該氣體介質(zhì)常數(shù);T1為路徑上的平均溫度，℃。

通常在工程實(shí)踐中，聲波發(fā)射及接收器之間的距離、被測氣體的氣體常數(shù)都是已知的，因此只要確定聲波的飛行時(shí)間便可獲得該條路徑上的平均溫度，從而重建出被測溫場。

3 超聲測溫技術(shù)存在的問題

近年來，隨著超聲波測溫技術(shù)的不斷發(fā)展，各國學(xué)者開始專注于氣流溫場重建技術(shù)的研究工作。采用超聲波測溫方法與計(jì)算機(jī)圖像重建技術(shù)相結(jié)合，重建出鍋爐、電廠等封閉爐內(nèi)氣流溫場，取得了一定的進(jìn)展，但還有些關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決，

3.1 聲波信號的選擇

目前聲波信號源的選擇主要有兩種:單一頻率信號和寬帶頻率信號。對于單一頻率聲波信號，聲波飛行時(shí)間測量的上限受信號源頻率的限制 (最長延時(shí)不能大于信號源的一個周期，產(chǎn)生較大的測量誤差)，并且由相關(guān)分析理論可知:窄帶信號的相關(guān)函數(shù)衰減慢，寬帶信號衰減快，只適合于小空間內(nèi)聲波信號的測量。目前常用的寬帶信號形式主要有:噪聲信號和掃頻信號，寬帶信號不受聲波信號延時(shí)、聲波信號周期等因素的限制，聲波飛渡時(shí)間計(jì)算準(zhǔn)確。但由于掃頻信號頻率不固定，在某一測溫時(shí)刻有可能與待測溫場的某些噪聲信號形成共振，對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。沈陽工業(yè)大學(xué)的彭珍等人采用噪聲信號計(jì)算三種噪聲比信號在單峰對稱溫場的聲波飛渡時(shí)間，重建出待測環(huán)境的溫場[9]。

3.2 超聲波飛渡時(shí)間研究

互相關(guān)分析計(jì)算超聲波飛渡時(shí)間是基于互相關(guān)函數(shù)尋峰原則，超聲波飛渡時(shí)間測量示意圖如圖2所示。為重建某條聲波飛行路徑上的平均溫度，在待測氣流溫場兩端安裝一對麥克風(fēng)，兩個麥克風(fēng)之間的距離為d，在理想狀態(tài)下待測溫場不存在噪聲干擾，麥克風(fēng)1發(fā)射聲波信號f(t)，麥克風(fēng)2接收聲波信號f(t－Δt)，Δt為聲波信號由麥克風(fēng)1處傳播到麥克風(fēng)2處所用時(shí)間。

圖2 超聲波飛渡時(shí)間

麥克風(fēng)1的輸出電信號為x(t)，忽略噪聲影響，則x(t)=k1f(t);麥克風(fēng)2的輸出電信號為y(t)，忽略噪聲影響，則y(t)=k2f(t－Δt)。其中，k1和k2為系數(shù)。

將麥克風(fēng)1，2輸出的電信號x(t)和y(t)進(jìn)行互相關(guān)分析計(jì)算，x(t)和y(t)的互相關(guān)函數(shù)為

當(dāng)τ=τm=Δt時(shí)，x(t)與y(t)的相關(guān)性最強(qiáng)，互相關(guān)函數(shù)值取最大值。互相關(guān)函數(shù)峰值處所對應(yīng)的時(shí)間τm即為超聲波從麥克風(fēng)1傳輸?shù)禁溈孙L(fēng)2所用的時(shí)間Δt。找出互相關(guān)函數(shù)的峰值點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間Δt即為聲波的飛渡時(shí)間。

超聲波測溫技術(shù)研究中超聲信號在測量路徑中飛渡時(shí)間的精確測量是影響氣流溫場準(zhǔn)確測量的重要因素[10]。對于聲波飛渡時(shí)間的測量，主要采用互相關(guān)算法分析計(jì)算得到，超聲飛渡時(shí)間測量不準(zhǔn)確主要受采樣點(diǎn)數(shù)、采樣間隔、聲波的自相關(guān)性、環(huán)境噪聲的影響較大，華北電力大學(xué)的宋志強(qiáng)采用互相關(guān)法準(zhǔn)確的辨識爐膛燃燒空間內(nèi)傳播的聲波信號，消除背景噪聲的干擾，計(jì)算聲波飛渡時(shí)間，同時(shí)采用快速互相關(guān)與抽樣率變換相結(jié)合的聲波飛行時(shí)間估計(jì)方法提到測量的精度，得到較好的效果[11];東北大學(xué)的孫小平采用線性插值和三次樣條插值方法計(jì)算飛渡時(shí)間，通過仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性，降低等效采樣間隔，提高了測溫精度[12]。

3.3 信號衰減

超聲信號在傳播過程中，聲波信號會有一定的衰減，頻率越高衰減的越快，聲波的有效傳播距離變短，因此超聲測溫首先要解決超聲信號接收時(shí)由于衰減過快而接收不到的問題。實(shí)際測溫中，在超聲探測器后接入功率放大器或利用待測溫場的噪聲信號減小聲波信號衰減的影響。

日本gifu大學(xué)的J.Lu，D.Wakai等人從理論上分析了聲波信號衰減對測溫結(jié)果的影響[8]，通過對聲波信號的功率放大測量出電站鍋爐內(nèi)的燃燒溫度，結(jié)果表明，考慮到信號衰減影響后重建出的溫度場精度得到有效改善，其測溫結(jié)果與插入式熱電偶測溫結(jié)果保持一致。美國Nevada大學(xué)的J.A.Kleppe研究開發(fā)的聲學(xué)高溫測量系統(tǒng)，利用聲發(fā)射及接收探測器周圍的聲場壓縮待測鍋爐內(nèi)的燃?xì)?，產(chǎn)生500～2000 Hz的寬頻帶波噪聲，采用該噪聲作為測溫系統(tǒng)的聲源有效地解決了聲波信號的衰減問題[7]。

3.4 噪聲干擾

超聲測溫技術(shù)將超聲探頭布置在待測溫場周圍，其傳感器受帶測溫場電磁干擾的影響較小，但被測氣流溫場的背景噪聲對超聲信號造成的干擾較為嚴(yán)重，尤其若是噪聲信號與聲波探測器發(fā)出信號一致，會引起聲波的共振，從而破壞整個測溫系統(tǒng)。

對于鍋爐爐溫、航空發(fā)動機(jī)燃燒室出口溫度等特殊工況下氣流溫度場的測量，氣流溫場的背景噪聲復(fù)雜，對于噪聲信號的剔除，超聲信號的發(fā)射及待求超聲信號的提取都存在較大困難，較高的信噪比會造成聲波飛渡時(shí)間計(jì)算的不準(zhǔn)確，從而影響測溫的可靠性。

在實(shí)際測溫過程中，針對噪聲信號的測量問題，美國電力研究院及英國發(fā)電委員會使用高溫環(huán)境下噪聲測量系統(tǒng)對電站內(nèi)鍋爐進(jìn)行了爐膛燃燒噪聲的診斷實(shí)驗(yàn)，測出了高溫爐中噪聲的頻率[13]。華北電力大學(xué)的沈國清教授采用小波分析法對鍋爐內(nèi)冷態(tài)及熱態(tài)氣流中的聲場進(jìn)行了研究，通過分析得到鍋爐內(nèi)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，獲得了噪聲信號的特性，通過對待測溫場的噪聲頻率的預(yù)先探測，在設(shè)計(jì)超聲波探測器時(shí)可以避開噪聲的聲波頻段從而解決噪聲干擾問題[7]。

3.5 彎曲效應(yīng)

在溫度均勻的氣流溫場內(nèi)，超聲信號在溫場內(nèi)的傳播路徑按直線處理，溫度測量結(jié)果比較準(zhǔn)確可靠。實(shí)際工程測量過程中，高溫氣流溫場的溫度分布是不均勻的，聲波在溫場傳播時(shí)會沿著溫度高的路線傳播，即產(chǎn)生聲波的“彎曲效應(yīng)”?？紤]聲波彎曲效應(yīng)對測溫準(zhǔn)確性的影響，在溫度場重建過程中必然會造成部分模型化誤差。

針對“彎曲效應(yīng)”問題，沈國清提出了三角形前向展開法及ART相結(jié)合的算法，其算法簡單，只需要對聲波路徑進(jìn)行多次迭代，但由于其迭代次數(shù)較多，計(jì)算時(shí)間較長，實(shí)際應(yīng)用時(shí)對溫度場的測量有一定的延時(shí)，不能實(shí)時(shí)反映待測溫場的實(shí)際情況;田豐、邵福群等人提出了聲波傳播“彎曲效應(yīng)”路徑補(bǔ)償算法[14]，該算法求解過程復(fù)雜，需要計(jì)算大量的偏微分方程組，但該算法能有效解決聲波傳播路徑的彎曲問題，提高了溫場重建精度，能夠保證溫度場的實(shí)時(shí)測量;杜富瑞等提出了聲波傳播路徑多點(diǎn)插值算法，該算法利用聲波折射原理，從聲波的實(shí)際傳播路徑入手，通過大量的多點(diǎn)差值對聲波的路徑進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)了彎曲路徑的自動修正，在1200℃以上溫場重建誤差在－5～ +5 ℃范圍內(nèi)[15]。

4 總結(jié)

超聲波測溫技術(shù)由于其測溫原理簡單、測溫響應(yīng)時(shí)間快 (可完成實(shí)時(shí)測量)、溫度測量精度高、測量對象不受空間范圍限制 (可測范圍幾毫米到幾十米)，越來越受到國內(nèi)外科研人員的重視，尤其在高溫氣流溫度場重建方面應(yīng)用廣泛。超聲波測溫技術(shù)近年來發(fā)展快速，其聲波信號的衰減及彎曲效應(yīng)問題得到了較好的解決，但待測溫場的噪聲干擾、粉塵污染等問題一直是測量中的難點(diǎn)，急需解決。

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