溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量方法與技術(shù)的文獻(xiàn)綜述 16頁(yè)

1、溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量方法與技術(shù)文獻(xiàn)綜述一、溫度測(cè)量的意義及現(xiàn)狀人類自誕生之日起就不得不與“冷、熱”打交道，并在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，逐步建立起了“溫度”的概念。為了保障生產(chǎn)、適應(yīng)生存和不斷提高生活質(zhì)量，人類對(duì)“溫度”的實(shí)質(zhì)和定量測(cè)量的研究從未間斷過(guò)。經(jīng)過(guò)克勞修斯和開(kāi)爾文等一大批科學(xué)家的努力，該問(wèn)題在一定時(shí)期得到了較好的解決，并被全世界所公認(rèn)。然而，隨著人類的發(fā)展和社會(huì)的飛速進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)，不僅“溫度”與我們的關(guān)系越來(lái)越密切，而且關(guān)于“溫度的實(shí)質(zhì)和定量測(cè)量”等問(wèn)題遠(yuǎn)沒(méi)有得到最終解決。為此，全世界無(wú)數(shù)的科學(xué)家都在此研究領(lǐng)域進(jìn)行著不懈的努力，從而使得此方向一直是世界前沿研究領(lǐng)域之一，新的測(cè)試原理、方法和儀

2、器層出不窮。各種測(cè)溫方法都是基于物體的某些物理化學(xué)性質(zhì)與溫度之間具有的一定的關(guān)系，例如物體的幾何尺寸、顏色、電導(dǎo)率、熱電勢(shì)和輻射強(qiáng)度等都與物體的溫度有關(guān)。當(dāng)溫度不同時(shí)，以上這些參數(shù)中的一個(gè)或幾個(gè)隨之發(fā)生變化，測(cè)出這些參數(shù)的變化，就可間接地知道被測(cè)物體的溫度1-2。一般來(lái)說(shuō)，溫度測(cè)量方法分為接觸測(cè)量法和非接觸測(cè)量法兩大類。用接觸式方法測(cè)溫時(shí)，感溫元件需要與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，液體膨脹式溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、熱電阻溫度計(jì)等均屬于此類。當(dāng)用光學(xué)高溫計(jì)、輻射高溫汁、紅外測(cè)溫儀探測(cè)器測(cè)溫時(shí)，感溫元件不必與被測(cè)介質(zhì)相接觸，故稱為非接觸式測(cè)溫方法3-7。接觸式測(cè)溫簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)量精度高，但由于達(dá)到熱平衡需要一

3、定時(shí)間，因而會(huì)產(chǎn)生測(cè)溫的滯后現(xiàn)象。此外，感溫元件往往會(huì)破壞被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)，并有可能受到被測(cè)介質(zhì)的腐蝕8。與接觸式溫度測(cè)量技術(shù)相比，現(xiàn)代測(cè)溫技術(shù)多為非接觸式，對(duì)傳感器耐熱性能無(wú)特殊要求，避免了傳感器和被測(cè)目標(biāo)的相互干擾，測(cè)溫范圍大，無(wú)熱慣性，響應(yīng)速度較快，可以測(cè)量微小目標(biāo)的溫度，滿足眾多場(chǎng)合對(duì)溫度測(cè)量范圍和精度的要求9-14。接觸法與非接觸法測(cè)溫特性詳見(jiàn)表1，常用溫度計(jì)的種類及特性詳見(jiàn)表2。表1 接觸法與非接觸法測(cè)溫特性 接觸法非接觸法特 點(diǎn)測(cè)量熱容量小的物體有困難；測(cè)量移動(dòng)物體有困難；可測(cè)量任何部位的溫度；便于多點(diǎn)集中測(cè)量和自動(dòng)控制不改變被測(cè)介質(zhì)溫度場(chǎng)，可測(cè)量移動(dòng)物件的溫度，通常測(cè)

4、量表面溫度測(cè)量條件測(cè)溫元件要與被測(cè)對(duì)象很好接觸；接觸測(cè)溫元件不要使被測(cè)對(duì)象的溫度發(fā)生變化由被測(cè)對(duì)象發(fā)出的輻射能充分照射到檢測(cè)元件；被測(cè)對(duì)象的有效發(fā)射率要準(zhǔn)確知道，或者具有重現(xiàn)的可能性測(cè)量范圍容易測(cè)量1000以下的溫度，測(cè)量1200以上的溫度有困難測(cè)量1000以上的溫度較準(zhǔn)確，測(cè)量1000以下的溫度誤差大準(zhǔn)確度通常為0.5%1%，依據(jù)測(cè)量條件可達(dá)0.01%通常為20左右，條件好的可達(dá)510響應(yīng)速度通常較慢，約13分鐘通常較快，約23秒，即使遲緩的也在10秒內(nèi)表2 常用溫度計(jì)的種類及特性原 理種 類使用溫度范圍量值傳遞溫度范圍準(zhǔn)確度 線性化響應(yīng)速度記錄與控制價(jià) 格膨 脹水銀溫度計(jì)有機(jī)液體溫度計(jì)雙金

5、屬溫度計(jì)-50650-100200-50500-50550-100200-505000.12140.55可可可中中慢不適合不適合適合便宜壓 力液體壓力溫度計(jì)蒸汽壓力溫度計(jì)-30600-20350-30600-203500.550.55可非中中適合便宜電 阻鉑電阻溫度計(jì)熱敏電阻溫度計(jì)-2601000-50350-260961-503500.0150.35良非中快適合貴中熱電動(dòng)勢(shì)熱電溫度計(jì)BS·R01800016000160001300481.55可可快適合熱電動(dòng)勢(shì)NKEJT01300-2001200-200800-200800-20035001200-1801000-180700-18

6、0600-1803002102103531025良良良良良快適合 熱輻射光學(xué)高溫計(jì)70030009002000310非不適合中光電高溫計(jì)輻射溫度計(jì)比色溫度計(jì)2003000約100約300018035006002500110520520非快中快適合貴二、溫度場(chǎng)測(cè)量的意義及現(xiàn)狀“溫度”不僅是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均的物理量，而且更具有“三維”的含義，也就是說(shuō)，在三維空間中無(wú)處不存在“溫度”的量值，實(shí)際上是一個(gè)“溫度場(chǎng)”的概念。近年來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，對(duì)溫度場(chǎng)的研究和定量測(cè)量不僅與我們的生產(chǎn)和生活更加密切相關(guān)，而且意義更加重大。例如，在日常生活中的體育館、俱樂(lè)部乃至家庭住房等場(chǎng)所中，良好的氣流組織一直是其設(shè)計(jì)

7、的重點(diǎn)和難點(diǎn)15，而良好的氣流組織則需要合理、均勻的溫度場(chǎng)分布，能否有一個(gè)科學(xué)合理的溫度場(chǎng)分布，直接決定著氣流組織、空調(diào)和采暖設(shè)計(jì)，對(duì)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、提高生產(chǎn)和生活質(zhì)量都是至關(guān)重要的，有必要把握室內(nèi)溫度場(chǎng)的分布特征16-19。再如，海洋的變化對(duì)世界氣候及人類活動(dòng)有著巨大的影響，而海洋的變化在很大程度上反映在其內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化上20-25。因而，對(duì)海洋內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大面積的監(jiān)測(cè)，對(duì)了解海水運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律，進(jìn)而開(kāi)發(fā)和利用海洋26-28；準(zhǔn)確進(jìn)行中、長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)；以及推算地球的氣候變化，進(jìn)而研究地球的溫室效應(yīng)等都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義15 29。另外，對(duì)各種燃燒和加熱設(shè)備中火焰和煙氣溫度

8、場(chǎng)、氣體和液體儲(chǔ)罐內(nèi)部溫度場(chǎng)、以及大氣溫度場(chǎng)等的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，對(duì)安全生產(chǎn)、減少污染、提高能源利用率等也變得越來(lái)越緊迫和急需30-33。然而，溫度場(chǎng)的測(cè)量又是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，雖然采用“溫度計(jì)”進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量的方法可以在一定程度上解決一些實(shí)際問(wèn)題，但在大多數(shù)場(chǎng)合采用這種方法測(cè)量溫度場(chǎng)卻是極不現(xiàn)實(shí)的，甚至是根本行不通的。因此簡(jiǎn)便、快捷的溫度場(chǎng)測(cè)量方法、技術(shù)和設(shè)備的研究已經(jīng)成為目前一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域34。三、鍋爐火焰溫度場(chǎng)測(cè)量的重要性所謂“鍋爐”，即是其本體主要由“鍋”和“爐”兩部分組成。它是利用燃料燃燒釋放的熱能（或其他熱能），將工質(zhì)加熱到一定參數(shù)（溫度和壓力）的設(shè)備。按用途可分為“動(dòng)力鍋爐”

9、和“工業(yè)鍋爐”兩種，按燃料和能源分，主要有“燃煤鍋爐”、“燃?xì)忮仩t”、“燃油鍋爐”和“余熱鍋爐”；對(duì)工業(yè)鍋爐來(lái)說(shuō)，按輸出工質(zhì)又可分為“蒸汽鍋爐”和“熱水鍋爐”，對(duì)燃煤鍋爐來(lái)說(shuō)，按燃燒方式又可分為“層燃爐、室燃爐、沸騰爐”，等等35。本課題主要是針對(duì)“燃煤、燃?xì)?、燃油”等工業(yè)鍋爐而開(kāi)展的一項(xiàng)基礎(chǔ)性研究工作。工業(yè)鍋爐用量大、使用范圍廣，但存在兩個(gè)技術(shù)問(wèn)題：一個(gè)是鍋爐熱效率低，平均熱效率為60%左右，比國(guó)家工業(yè)鍋爐通用技術(shù)條件中規(guī)定低10%左右，比國(guó)外低20%左右；另一個(gè)是煙塵排放量高，每年向大氣排放煙塵800多萬(wàn)噸，一氧化碳1.64億噸，灰渣8700多萬(wàn)噸，直接惡化城區(qū)空氣質(zhì)量36。因此，節(jié)約能源

10、，提高工業(yè)鍋爐的熱效率，保護(hù)環(huán)境，降低工業(yè)鍋爐煙塵對(duì)大氣環(huán)境的污染，一直是鍋爐研究的重要課題37-39。為了安全生產(chǎn)，及時(shí)了解和掌握鍋爐的運(yùn)行狀況，及時(shí)調(diào)節(jié)鍋爐的運(yùn)行參數(shù)，通常需要在鍋爐上安裝多種傳感器。其中，僅溫度傳感器就多達(dá)十幾個(gè)，主要用于對(duì)鍋爐各處溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)40-41。然而，盡管鍋爐的熱效率和煙塵排放量與諸多因素有關(guān)，但歸根結(jié)底是由燃料的燃燒程度所決定的。要想及時(shí)了解、掌握和調(diào)節(jié)燃料的燃燒狀況，就必須對(duì)鍋爐爐膛火焰溫度場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確、在線檢測(cè)42-43。但由于鍋爐爐膛火焰的溫度太高，無(wú)法用接觸式的溫度計(jì)直接測(cè)量，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)接觸式的溫度場(chǎng)在線測(cè)量（因此，在“規(guī)程”上也無(wú)法對(duì)此作出明確要求

11、）。因此，如何實(shí)現(xiàn)“鍋爐火焰溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確、在線測(cè)量”是十分必要和緊迫的，不僅可以有效地節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、提高設(shè)備的運(yùn)行效率，還是使設(shè)備時(shí)刻處于最佳運(yùn)行狀態(tài)的重要前提，可以大大降低事故的發(fā)生率44。當(dāng)然此項(xiàng)工作也是十分困難的。為了能夠了解燃料的燃燒狀況，傳統(tǒng)的做法是測(cè)量煙氣的溫度，反過(guò)來(lái)通過(guò)推算而實(shí)現(xiàn)此目的。顯然，這是不得已的辦法，還在很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)，不可能做到全面和準(zhǔn)確。為此，長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究工作，先后研制成功了“抽汽式高溫?zé)犭娕肌?、“輻射高溫?jì)”、“熱成像儀”、“光學(xué)層析電視”等方法、技術(shù)和儀器45，但由于工業(yè)燃燒過(guò)程自身具有瞬態(tài)變化、隨機(jī)湍流、設(shè)備尺寸龐大、環(huán)

12、境惡劣等特征，使得上述方法和儀器在實(shí)際使用過(guò)程中存在很多難以克服的問(wèn)題和困難46?？上驳氖牵陙?lái)提出的“聲學(xué)測(cè)量方法”有望使此問(wèn)題獲得較圓滿的解決47-50。四、溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)如前所述，盡管人們對(duì)“鍋爐火焰溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確、在線測(cè)量” 開(kāi)展了大量的研究工作，也研制出一些方法、技術(shù)和儀器，但由于各種原因，到目前為止，此問(wèn)題遠(yuǎn)未得到較好的解決。由于用聲學(xué)法測(cè)量溫度場(chǎng)，具有測(cè)量精度相對(duì)較高、測(cè)溫范圍寬、測(cè)量空間大、非接觸、實(shí)時(shí)連續(xù)和操作、維護(hù)方便等顯著優(yōu)點(diǎn)，日益受到重視和采用，已成為目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)51-53。將此方法應(yīng)用于“鍋爐火焰溫度場(chǎng)的測(cè)量”，有望使此問(wèn)題獲得較圓滿的解決

13、54-56。國(guó)內(nèi)外在此方向也開(kāi)展了較廣泛的研究工作，取得了許多有益的成果，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下：1溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量方法的發(fā)展歷史聲學(xué)測(cè)溫的基本原理是依據(jù)聲波傳播速度與介質(zhì)溫度之間存在單值的函數(shù)關(guān)系。早在1687年牛頓（Sir Isaac Newton）就推導(dǎo)出了聲學(xué)測(cè)溫的原理公式，1817年由拉普拉斯進(jìn)行了修正和完善57，并于130年以前，由聲學(xué)家Mayer等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。然而，聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)的研究和應(yīng)用卻是在近50年來(lái)才逐步展開(kāi)的。直到上世紀(jì)七十年代初期，聲學(xué)測(cè)溫才作為一門新興的科學(xué)技術(shù)正式被提出。在1955年，Herick A L等人提出了用測(cè)量聲速的方法來(lái)測(cè)定氣體溫度的建議58。隨后的幾十年里，各國(guó)

14、的科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員對(duì)聲學(xué)測(cè)溫的技術(shù)、裝置以及應(yīng)用開(kāi)展了廣泛的研究。早期的研究主要集中在對(duì)聲學(xué)溫度計(jì)的開(kāi)發(fā)上，包括氣溫計(jì)、低溫聲學(xué)溫度計(jì)、共振式石英溫度計(jì)、超聲溫度計(jì)等59-60。而進(jìn)入20世紀(jì)80年代中期以后，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各國(guó)學(xué)者及工程技術(shù)人員則開(kāi)始了對(duì)溫度場(chǎng)的聲學(xué)測(cè)量方法的研究，開(kāi)展了一系列的研究與試驗(yàn)工作，并取得了一定的進(jìn)展。 2聲學(xué)測(cè)溫的國(guó)外研究現(xiàn)狀1983年，英國(guó)中央電力產(chǎn)業(yè)局(Central Electricity Generating Board，CEGB)的S.F.Green第一次提出將聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于鍋爐爐膛的溫度分布測(cè)量，標(biāo)志著這項(xiàng)新技術(shù)的誕生，

15、引來(lái)了全世界的關(guān)注61-63。1987年，日本東京電力技術(shù)研究所的伊騰文夫和三菱重工長(zhǎng)崎研究所的坂井正康對(duì)燃煤鍋爐中聲波的衰減特性等進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，認(rèn)為12kHz頻率的聲波是聲學(xué)高溫計(jì)的適用頻率64。1988年7月，在美國(guó)電力研究院(Electric Power Research Institute，EPRI)的資助下，礦業(yè)能源研究公司(Fossil Energy Research Corp)會(huì)同英國(guó)中央電力產(chǎn)業(yè)局(Central Electricity Generating Board，CEGB)，在堪薩斯電力電燈公司(KPL)的勞倫斯能源中心的5號(hào)機(jī)組上，布置了聲學(xué)測(cè)點(diǎn)，對(duì)利用聲學(xué)方法測(cè)量

16、爐內(nèi)煙氣溫度的可行性進(jìn)行了為期兩周的實(shí)驗(yàn)。1989年，L.J.Muzio等通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，對(duì)聲學(xué)高溫計(jì)首次作了獨(dú)立評(píng)價(jià)，表明其比傳統(tǒng)的高溫?zé)煔鉁y(cè)量有明顯的優(yōu)點(diǎn)，不僅可用于運(yùn)行診斷，并可作為開(kāi)發(fā)性研究的工具65。1989年，美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)電力工程系J.A.Kleppe在前人的基礎(chǔ)上對(duì)聲學(xué)測(cè)高溫技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，完善了聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)組成66。但是，限于當(dāng)時(shí)聲學(xué)技術(shù)、微處理器、信號(hào)分析、圖像重建等技術(shù)水平的限制，現(xiàn)在看來(lái)一些知識(shí)已經(jīng)過(guò)時(shí)，但為后來(lái)的理論研究提供了指導(dǎo)，意義重大67。1993年，德國(guó)RWE能源股份公司的Willy Derichs通過(guò)電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，初步歸納了爐內(nèi)溫度分布與燃燒

17、器布置、再循環(huán)煙氣流量、二次風(fēng)、鍋爐負(fù)荷、吹灰、結(jié)渣積灰和氮氧化物的關(guān)系，對(duì)聲學(xué)測(cè)溫用于監(jiān)測(cè)鍋爐安全運(yùn)行打下基礎(chǔ)68。1995年，明斯特大學(xué)的Helmut Sielschott在collocation method方法基礎(chǔ)上首次提出了加入先驗(yàn)信息的重建算法69。1996年，意大利國(guó)家研究委員會(huì)(Italian National Research Council，CNR)的Mauro Bramanti等進(jìn)行了聲學(xué)高溫計(jì)系統(tǒng)用于電站鍋爐內(nèi)的層析法熱成像研究，分別利用模擬和實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)得到了差強(qiáng)人意的重建結(jié)果70，實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)自意大利國(guó)家電力公司(Italian National Electri

18、city Board，ENEL)，在撒丁島Santa Gilla鎮(zhèn)的一個(gè)電站實(shí)驗(yàn)。雖然仿真重建結(jié)果和實(shí)際數(shù)據(jù)一定程度上相吻合，但是在現(xiàn)有鍋爐上安裝的測(cè)點(diǎn)數(shù)量和位置受到了熱力條件和機(jī)械條件的限制。因此，為了得到更好的結(jié)果，他們建議針對(duì)聲波測(cè)溫系統(tǒng)的安裝，在鍋爐制造時(shí)考慮相應(yīng)的設(shè)計(jì)。1996年，J.A.Kleppe首次提出了將數(shù)字信號(hào)處理引入到聲學(xué)測(cè)溫中來(lái)，這對(duì)聲學(xué)測(cè)溫精度的提高具有重要意義71。1998年，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的K.J.Young提出了聲學(xué)測(cè)溫在燃燒煙氣中的誤差分析72，認(rèn)為燃料的碳?xì)浔取⑦^(guò)量空氣系數(shù)等對(duì)聲學(xué)測(cè)溫的影響可以用修正因子加以調(diào)整，并且總測(cè)量誤差不超過(guò)2。1999年，英國(guó)C

19、ODEL公司宣布推出新一代鍋爐聲學(xué)測(cè)溫產(chǎn)品PyroSonic II。2000年，日本岐阜大學(xué)若井研究室的陸劍和若井和憲等人提出了聲波在不均勻溫度場(chǎng)內(nèi)傳播的折射問(wèn)題是不容忽視的，即存在聲波的“彎曲效應(yīng)”73。他們?cè)谟?jì)算機(jī)上利用最小二乘法及迭代方法進(jìn)行了溫度場(chǎng)重建的仿真。結(jié)果表明，該算法一定程度上可以消除或彌補(bǔ)聲波折射的影響，使得聲學(xué)測(cè)溫的準(zhǔn)確性和精度得到進(jìn)一步的提高。2000年，美國(guó)燃燒專家有限公司(Combustion Specialists，Inc)的GeorgeKychakoff提出了聲學(xué)測(cè)溫在燃燒控制和尾氣排放控制中的應(yīng)用74。2001年，德國(guó)Budi公司的H.P.Drescher，M.

20、Deuster提出了利用聲學(xué)測(cè)溫獲得的溫度場(chǎng)分布來(lái)定義一個(gè)溫度場(chǎng)的非均勻指數(shù)，可望將之作為調(diào)整燃燒的重要參數(shù)，但是實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)控制還需進(jìn)一步研究75。2005年，George Kychakoff提出了聲學(xué)測(cè)溫在水泥制造工業(yè)中應(yīng)用，并對(duì)聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)的發(fā)展作了回顧，對(duì)未來(lái)聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展充滿信心76。目前，以美國(guó)SEI（Scientific Engineering Instruments）公司的產(chǎn)品最具有代表性，它開(kāi)發(fā)和研制的名為BOILER WATCH的爐膛溫度檢測(cè)系統(tǒng)77，可用來(lái)監(jiān)測(cè)大型火力發(fā)電廠的鍋爐溫度場(chǎng)分布，在不少電廠做了大量試驗(yàn)，取得了很滿意的數(shù)據(jù)和結(jié)果。3聲學(xué)測(cè)溫的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)

21、對(duì)于聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)的研究起步較晚，直到上世紀(jì)末，在國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中才見(jiàn)到聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)的報(bào)道。1990年，馮鳴翻譯了Power Engineering1989年11月份L.J.Muzio的一篇文章78，這是國(guó)內(nèi)最早的一份報(bào)道，國(guó)內(nèi)從事電力行業(yè)的人士開(kāi)始了解到了電站鍋爐中聲學(xué)測(cè)溫這一新技術(shù)。遺憾的是在后面的10年左右的時(shí)間中，并沒(méi)有得到國(guó)內(nèi)同行的關(guān)注。1999年，廣東省電力試驗(yàn)研究所的曾庭華等將聲學(xué)測(cè)溫法和基于圖像處理的溫度場(chǎng)測(cè)量法作了比較和討論79，認(rèn)為非接觸式測(cè)溫比傳統(tǒng)測(cè)溫方法具有較大優(yōu)勢(shì)，但其技術(shù)的發(fā)展和成熟仍需時(shí)日。1999年，東北大學(xué)的邵富群等在國(guó)內(nèi)最早成立課題組，正式研究聲學(xué)測(cè)溫，并按照Mau

22、ro Bramanti于1996年提出的思路，基于二維傅立葉函數(shù)展開(kāi)法對(duì)重建算法進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)等溫線與爐墻正交現(xiàn)象嚴(yán)重，結(jié)果并不令人滿意80。2000年，吉林省電力科學(xué)研究院的黃慶康對(duì)國(guó)外開(kāi)發(fā)的聲學(xué)爐內(nèi)溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)硬件和軟件構(gòu)成、應(yīng)用等作了較為詳細(xì)的報(bào)道，對(duì)國(guó)內(nèi)從事相關(guān)研究的人員提供借鑒81。2001年開(kāi)始至今，東北大學(xué)的田豐等主要針對(duì)聲學(xué)測(cè)溫中的重建算法作了許多研究，提出了最小二乘法，基于高斯函數(shù)展開(kāi)法等，并對(duì)重建過(guò)程中的迭代和正則化作了嘗試，取得了較為滿意的結(jié)果82-84。2003年至今，華北電力大學(xué)的安連鎖、姜根山等對(duì)聲學(xué)測(cè)溫的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，提出了

23、今后的研究重點(diǎn)，并在接下來(lái)的幾年中提出了基于單路徑溫度拋物線分布再插值的二維溫度場(chǎng)重建算法85-86，建立了溫度梯度場(chǎng)中聲線傳播路徑的數(shù)學(xué)模型，提出了基于級(jí)數(shù)展開(kāi)法的聲學(xué)CT重建算法87，提出了基于高階累計(jì)量分析的聲波飛渡時(shí)間測(cè)量等88，仿真實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果較好。2004年至今，大慶石油學(xué)院王明吉教授的研究小組對(duì)溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量方法的機(jī)理進(jìn)行了研究，并對(duì)溫度梯度場(chǎng)引起的聲線“彎曲效應(yīng)”對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響、聲線追蹤和三維溫度場(chǎng)反演問(wèn)題進(jìn)行了一定的研究和探討89。4發(fā)展趨勢(shì)從上述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展歷程可以看出，溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量方法和技術(shù)尚處于方興未艾的發(fā)展階段，有許多問(wèn)題需要深入研究和進(jìn)一步解

24、決。在國(guó)外，此項(xiàng)工作起步較早，研究的也較廣泛和深入，在爐膛、體育場(chǎng)等場(chǎng)所開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)和具體應(yīng)用，取得了許多有價(jià)值的數(shù)據(jù)和成果，甚至研制出少量的實(shí)用系統(tǒng)和產(chǎn)品。在國(guó)內(nèi)，此項(xiàng)工作起步較晚，基本上是2000年以后的事情。研究工作集中在少數(shù)幾個(gè)高等學(xué)校之中，主要研究?jī)?nèi)容也局限于理論、算法、仿真和聲線追蹤等基礎(chǔ)研究方面，不僅尚未開(kāi)發(fā)出實(shí)用的檢測(cè)系統(tǒng)，而且就連有一定針對(duì)性和實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也未見(jiàn)報(bào)道，也未引進(jìn)國(guó)外有關(guān)的系統(tǒng)和產(chǎn)品，與國(guó)外相比具有很大的差距，必須加快研究和開(kāi)發(fā)步伐，以便迎頭趕上。盡管與國(guó)際相比，我國(guó)在此領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)工作尚有很大差距，需要開(kāi)展許多國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展過(guò)的工作，但從發(fā)展趨勢(shì)上看，

25、今后將致力于以下幾個(gè)方面的研究工作：(1)快速、高效、實(shí)用的溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量重建算法的研究，這將是一個(gè)永無(wú)止境的課題。(2)針對(duì)不同邊界形狀溫度場(chǎng)的傳感器布置方式、數(shù)量以及溫度場(chǎng)空間區(qū)域劃分方式的優(yōu)化研究。(3)聲波信號(hào)的有效提取，以及聲波飛度時(shí)間準(zhǔn)確測(cè)量的方法和技術(shù)研究。(4)能夠?qū)崿F(xiàn)快速測(cè)量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制，以及模擬測(cè)量實(shí)驗(yàn)。(5)針對(duì)特定場(chǎng)所應(yīng)用的實(shí)用、在線溫度場(chǎng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。(6)適應(yīng)各種場(chǎng)所的聲發(fā)射/接收換能器的研制。五、溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量原理 1單路徑聲學(xué)測(cè)溫原理由聲學(xué)原理可知，當(dāng)聲波在無(wú)限大、各向同性且均勻的氣體介質(zhì)中傳播時(shí)，聲波的傳播速度與氣體的溫度存在如下的單值函數(shù)關(guān)系90-

26、91： （2-1）發(fā)射接收?qǐng)D1 單路徑聲學(xué)測(cè)溫示意圖式中：C聲波在介質(zhì)中的傳播速度，m/s；R理想氣體普適常數(shù)，J/mol·k；氣體的絕熱指數(shù)（定壓比熱容與定容比熱容之比值）；T氣體溫度，K；m氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol。對(duì)于給定的氣體混合物，為一常數(shù)，故聲波在其中的傳播速度取決于氣體的溫度。在實(shí)際應(yīng)用中，可以在待測(cè)區(qū)域的兩側(cè)分別安裝聲波發(fā)射器和接受器，發(fā)射器發(fā)出一個(gè)聲波脈沖被接收器檢測(cè)到，通過(guò)測(cè)定聲波在二者間的飛渡時(shí)間，由于兩者之間的距離D是固定的已知常數(shù)，則可以確定聲波在傳播路徑上的平均速度C，代入式（2-1）即可求出聲波傳播路徑上氣體的平均溫度T92。如圖1所示。2多路徑確定二

27、維溫度場(chǎng)的原理預(yù)較精確地測(cè)量某個(gè)平面區(qū)域的溫度分布，則應(yīng)根據(jù)待測(cè)區(qū)域的幾何形狀，(a) 長(zhǎng)方形邊界溫度場(chǎng)13條獨(dú)立聲波路徑(b) 圓形邊界溫度場(chǎng)9條獨(dú)立聲波路徑S1S2S3S4S5S6圖2 聲波換能器分布和測(cè)量路徑示意圖S1S2S3S4S5S6在其周圍布置多個(gè)聲波發(fā)射/接收換能器，以便產(chǎn)生大量的聲波傳播路徑。圖2(a)和(b)即是針對(duì)長(zhǎng)方形邊界和圓形邊界溫度場(chǎng)聲波發(fā)射/接收換能器布置的示意圖93-94。在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，順序啟閉S1S6超聲換能器，測(cè)量出聲波沿每條不重復(fù)路徑的飛渡時(shí)間，從而得到若干組聲波飛渡時(shí)間值，將測(cè)得的聲波飛渡時(shí)間值代入重建算法，即可以得出待測(cè)二維溫度場(chǎng)溫度分布情況95-9

28、9 。3三維溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量原理眾所周知，燃燒火焰皆是三維的，要想全面了解火焰的溫度場(chǎng)分布，最好是能夠快速、準(zhǔn)確、方便地實(shí)現(xiàn)三維溫度場(chǎng)的測(cè)量。然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)聲學(xué)測(cè)量溫度場(chǎng)的研究主要針對(duì)二維溫度場(chǎng)，關(guān)于三維溫度場(chǎng)的聲學(xué)測(cè)量方法，只有Johnson S A（1997年）100-101等少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了初步的研究工作。究其原因，主要是需使用的傳感器的數(shù)量較多，傳感器的布置較困難，獨(dú)立傳播路徑很多，難以實(shí)現(xiàn)方便、快速測(cè)量。圖3 傳感器空間分布及測(cè)量區(qū)域分塊圖采用32只聲波發(fā)射/接收傳感器，按圖3所示方式布置，這樣可以形成172條獨(dú)立有效地聲發(fā)射-接收路徑（除去其自身和同側(cè)壁上的傳感器）。采用圖中所示的

29、空間區(qū)域劃分方式，這樣，即可將待測(cè)溫度場(chǎng)區(qū)域劃分成64個(gè)子溫區(qū)，符合分割區(qū)域的數(shù)目不能多于聲波傳播路徑數(shù)的要求。在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，順序啟閉32只聲波發(fā)射/接收傳感器，測(cè)量出聲波沿每條不重復(fù)路徑的飛渡時(shí)間，從而得到若干組聲波飛渡時(shí)間值，將測(cè)得的聲波飛渡時(shí)間值代入重建算法，即可以得出待測(cè)三維溫度場(chǎng)溫度分布情況。本課題以工業(yè)鍋爐爐膛火焰溫度場(chǎng)為研究對(duì)象，研制一套模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)（方形和圓形邊界）二維溫度場(chǎng)的可視化測(cè)量，并對(duì)三維溫度場(chǎng)的聲學(xué)測(cè)量方法進(jìn)行必要的仿真研究。主要參考文獻(xiàn)1 應(yīng)崇福超聲學(xué)M北京：科學(xué)出版社，1990(4)：136，2522532 MinamideA, Mizu

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