声波测温技术应用研究
摘要：本文主要介绍了声波测温技术的基本原理，基于互相关函数法的声波飞渡时间的测量，以及目前声波测温的应用，文中给出了系统的软硬件设计与实现过程，并给出了系统的硬件图和软件流程图，该系统通过试验验证能对声波飞行时间较好的测量，而且比较稳定，该系统表明声波测温技术可越来越多的应用到其他领域。
关键词：声波测温；互相关函数；声波飞渡时间
Abstract：this paper the principle of acoustic pyrometry and the measurement of acoustic waves flight time based on cross-correlation is introduced. Also involve the using of acoustic pyrometry at present. The
design and realization of this system is presented in the paper, and the chart of system design are given out..The experiment result indicates the system is stable and can satisfy the requirement of acousticwave flight time measurement. The analysis can be used in more and more fields.
Keywards：acoustic pyrometry，cross-correlation，flight time
1.引言
1.1与传统测温方式对比，声波测温的优势与前景
基于目前声波应用于锅炉的测温技术，比起传统的测温技术，多种环境中，这是新的一种非接触式的测温方法，这种方法能适应于多尘，高温，低温等恶劣的环境下，并且能够测的比较准确的温度数据和进行实施监测和控制。
温度的检测不仅对于工业燃烧的加热炉温度场的测量有着重要的意义，在其他高温环境下的测量更是有着更广阔的应用领域，以往采取的高温热电偶的方法对燃烧或烟气以及其他高温环境的测量，由于受元件材料高温性能的限制和影响，只能做短时间的测量，无法实现在线的监测，采用其他多种系统方法的测量，仍不能实施的，全面的精确的测的高温环境下的温度数据，随着电子技术和计算机技术的高速发展，声波测温技术越来越体现出了它的优越性，不断的用于工业锅炉温度的测量和炉膛的温度场重建以及在线监测当中。本文主要介绍声波的测温理论依据，及其在高温环境中温度测量的应用研究。
1.2声学测温技术在国内外研究和应用的现状
国外：早在1873年，就有人第一次提出了利用测量声学参数来确定气体环境下的热力条件。上世纪七十年代初期，声学测温技术作为一门新兴的科学技术正式被提出。到八十年代得到了深入的研究和发展，九十年代初期，声学测温系统已被开发成产品并迅速商业化，被应用到燃煤和燃油火力发电厂、垃圾发电站、化学用品回收锅炉、水泥回转窑、延迟炼焦器等工业的热力过程控制中。
美国Nevada大学的John A.Kleppe在前人的基础上基本完善了声学测高温的理
论，1989年推出了他的专著Engineering Applications of Acoustics，可以说是奠定了声学测温的基石。以此为技术支持，美国SEI公司，作为世界上研究声学测温产品的领头羊，开发和研制了一种命名为Biolerwatch的系列产品，用来监测大型火力发电厂的锅炉温度场分布，在不少电厂做了大量试验，得到了很满意的数据华和结果。目前，他们的产品生产和销售已国际化。
位于英国德贝郡的CODEL国际有限公司（一家专门设计和生产监测燃烧过程和大气污染排放物的高科技产品的公司），与谢菲尔德大学合作，1999年也成功推出了名为PyroSonic II的声学测温装置并投放市场。
另外，英国的K.J.yong等对引起声学“常数”变化的因素以及每种因素对测量结果的影响程度做了深入细致的研究，得出一系列有价值的研究。
意大利Pisa大学的Mauro Bramanti等人对声学测温技术的X线断层热力图像处理作了深入探讨，具有一定的代表性。
日本东京电力技术研究所的伊腾文夫，三菱重工长崎研究所的坂井正康对燃煤锅炉中声波的衰减特性等进行了基础研究，并给出了声学高温计的比较合适的频率范围。日本Gifu大学的Wakai试验小组，提出了声波在不均匀温度场内传播的折射问题是不容忽视的，即声波的“弯曲效应”证实了传统的声学测温技术依靠声波在温度场中的直线传播是存在较大误差的。他们利用最小二乘法及迭代方法来重建温度场。一定程度上消除或弥补了声波折射的影响，声学测温的准确性和精度得到进一步的提高。
德国University of Saarland，加拿大的塞斯埃公司都相继开发出了声学测温仪。
在韩国，声学测温技术也受到极大的重视，并得到了很快的发展，也有相关的产品面向市场。
总之，国外对用声学测温法确定炉内温度场的研究已很充分，开发出了产品并被广泛应用。同时，他们提出了用声学测温法测量大型管道中的气体和烟囱中的废气流量，经研究开发，也在商业上获得了很大的成功。声波测温技术还可以用来测量房间内的温度分布，如大型会议室和剧场内的温度监测和调节等。
国内：直到上世纪末才有人提出了声学测温技术，但近年来也逐渐被重视起来。其中，东北大学邵富群教授的研究小组对声学测温的重建算法及软件和硬件设计上进行了初步的探讨
华北电力大学的张晓东提出用互相关函数方法来测量声波信号在炉膛中的飞渡时间华北电力大学的安连锁教授研究小组给出了纠正声波在炉膛中弯曲效应引起的测量误差的重建算法并在实验室条件下，设计和搭建了声波测温试验台，试验性的初步开发出了声学测温系统。此外，华中科技大学的李言钦博士利用声波法测量炉内速度场的研究也有重要的参考价值
因此，声学测温技术在国内有着很大研究价值和市场潜力。而且，新型声学测温系统的研制将填补我国在该项研究上的空白，缩小我国在高温气体温度场测量方面的研究水平与世界先进水平的差距。
2. 声波测温的原理
由热力学中声波运动方程和气体状态方程可知，声波在介质中的传播速度与介质温度
有一定的关系，具体可用以下公式近似描述，
其中，C—声波在介质中的传播速度，m/ s；R—气体常数，J /mol ⋅ k；K—气体的绝热指数；M—气体的分子量， kg/mol ；T—气体温度，k；Z—对特定的气体为一常数。对于给定的气体混合物，
⋅
为一常数，所以声波在气体中的传播速度，取决于气体的温度。以此可测得环境中的温度。在现实实验中，在待测温环境中分别安装一个声波发射器和声波接受器，我们可以通过先测的发射器和接受器之间的距离l，则如果能得到声波在这之间的飞渡时间t，即可得到声波在环境中的传播速度 c=l/ t ，进而由C = Z √T 即可得到声波路径上的平均温度。
3. 声波测温技术的关键
应用声波测温时，如何准确测得声波发射器所发出信号与接收器所接收信号之间的时间延迟是关键的问题，通过信号的互相关函数的计算方法来处理是目前比较有效的方法，通过信号采集的方法，对声波发射装置发出的信号和接收装置接收到的信号进行采集，将得到的样点利用基于快速傅立叶变换的互相关函数法，通过计算得到互相关函数的峰值可以得到声波发射信号与接收信号之间的延迟。
4. 测量系统的构成
本系统主要由声波信号发生器，声波信号接收器，单片机以及模数转换器等组成。
4.1 硬件设计
系统的硬件设计如图1 所示，由声波发射器发出信号，声波接收器接收信号，通过模数转换通道接口对发射信号和接收信号进行数据采集，把采集到的数据经模数转换后放到数据存储器中，通过互相关处理得到声波在发射器与接收器之间的飞渡时间。图中是扩展的数据存储器2732 和模数转换器ADC0808 与单片机的引脚连接图。
图1（a） 2732 与单片机接口电路
图1（b） 信号的数据采集电路
4.2 软件设计
系统的软件设计主要是通过对51 单片机进行编程，进行数据的采集和存储计算，通过设置和修改参数，进行不同的采集，存储和计算。
其中软件的设计流程图如图2 所示。
图 2 系统的软件流程图
利用上述系统测量装置对声波在发射器与接收器之间路径飞渡时间进行了试验验证，能对声波飞行时间较好的测量，而且比较稳定
5．结束语
由于声波法温度测量技术具有测量精度高，并且是非接触测量，所以具有测量范围广的优点，可以对目前多种方法无法测量的高温实施在线监测和检测，对测量空间温度场的重建具有重要价值，但问题依然存在，测量系统的误差是不可避免的，声波信号在飞渡路径上的衰减，路径中烟气的流动是声波的传播并不是直线，以及空气中杂质微粒的影响等等，不过随着电子技术的发展和目前声波测温法用于工业炉内的检测应用，这些问题将被发现并进行以最新的技术进行改进，声波测温技术将在以后有着更广阔的应用前景，比如矿井中的温度检测等等，测量煤矿表面的温度，对煤矿内瓦斯进行实施监测，以及更精确的对工业炉内炉温的温度场构建，声波测温法将在以后越来越多的应用到多种场合，更精确的测的其他方法目前无法得到的结果。在工业应用的领域也将会越来越广。
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862901
维修
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