（测试计量技术及仪器专业论文）三维温度场声学测量方法及计算机仿真研究.pdf

大庆石油学院硕十研究生学位论文 三维温度场声学测量方法及计算机仿真研究 摘要 温度场的检测在许多研究领域及工农业生产和日常生活等许多方面都具有十分重要的意义。然 而温度场的测量又是一个十分复杂的问题，传统的温度检测方法已经远远不能够满足生产和生活 的需要。作为一种新型的测温方法，声学方法具有快速、精确、测量范围宽等特点，在工业生产、 科学研究中能够满足温度场精确测量和在线控制的需要，特别是在高温和恶劣的测温环境中，此方 法更具有传统方法所无法比拟的优势和特点。 课题主要对声学温度场测量的方法及算法进行了研究，并实现声学方法对三维温度场的测量重 建及计算机仿真。首先，对温度场监测的现实意义进行了分析，并介绍了温度场声学测量方法的原 理及发展情况。尔后，由于温度梯度场中声波传播路径的“弯曲效应”对温度场的声学重建精度存 在着很大的影响，对声线追踪的理论和算法进行了深入的研究，介绍了三种常见的声线追踪算法。 并使用三角形前向展开方法和正三棱锥前向伸展算法分别对二维和三维声波的真实传播路径进行了 追踪和仿真计算。此外，还介绍了复杂温度场声学测量重建的几种常用算法的原理及实现方法，为 了提高解的稳定性，可使用正则化方法将不适定性问题转化为适定性问题。最后，对三维温度场声 学测量方法的机理、方法和有关算法进行了研究，对声学温度场测量中的几个关键技术进行了初步 的探讨。在此基础之上，使用了最小二乘方法对三维温度场进行测量重建，并对是否考虑声波的“弯 曲效应”以及不同传感器数量和布置方式时，温度场的重建质量进行了对比分析，结果表明：在重 建过程中对声波路径进行逐次修正和补偿，将极大地提高温度场的重建精度；而增加传感器的数量， 重建的精度也会有一定的提高。这是和理论结果相一致的。 关键词：温度场声学测量重建；反问题；声线追踪；正三棱锥前向伸展算法；最小二乘算法；仿真 计算 a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o n so na c o u s t i cd e t e c t i n gt e c h n i q u e s a n ds i m u l a t i o no f 3 - d t e m p e r a t u r ef i e l d a b s t r a c t 1 1 1 ed e t e c t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l di sv e r yi m p o r t a n ti ns c o p e so fr e s e a r c h e s t h ea g r i c u l t u r a la n d i n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dt h ed a i l yl i f e h o w e v e r , t h em e a s u r e m e n to ft h et e m p e r a t u r ef i e l di ss oc o m p l e x t h a tt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d sc a nn o tm e e tt h ed e m a n d so fp r o d u c t i o na n dl i v i n g a san e w - s t y l e t e m p e r a t u r em e a s u r i n gm e t h o d ，t h ea c o u s t i cm e t h o di sm u c hf a s t e ra n dw i t hah i g hp r e c i s i o na sw e l la sa b r o a d e rm e a s u r i n gr a n g e i tc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f m e a s u r i n ga c c u r a t e l ya n dc o n t r o l l i n go n l i n eo n t h et e m p e r a t u r ef i e l di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n sa n ds c i e n t i f i ci n v e s t i g a t i o n s ，e s p e c i a l l yi nt h ei n c l e m e n t c o n d i t i o no f h i g ht e m p e r a t u r e t h i ss u b j e c t e m p h a s i z e so nt h ei n v e s t i g a t i o no fa c o u s t i cm e a s u r i n gm e t h o d sa n da l g o r i t h mt o t e m p e r a t u r ef i e l d s i th a si m p l e m e n t e dt h er e c o n s t r u c t i o na n ds i m u l a t i o no ft h e3 - dt e m p e r a t u r ef i e l db y a c o u s t i cm e t h o d a tf i r s t , a l la n a l y s i so nt h er e a l i s t i ci m p o r t a n c eo ft h et e m p e r a t u r ef i e l dm o n i t o r i n gh a s b e e ng i y e n , a sw e l la st h ef i m d a m e n t a la n dt h ed e v e l o p m e n to f a c o u s t i ct 1 1 e r m o m e t r yh a sb e e ni n t r o d u c e d i nt h ep a p e r t h e n b e c a u s et h ea c o u s t i cw a v er e f r a c t i o ni nt e m p e r a t u r eg r a d i e n tf i e l di sa ni m p o r t a n tf a c t o r t h a ta f f e c t st h er e c o n s t r u c t i n ga c c u r a c yo ft e m p e r a t u r ef i e l db ya c o u s t i cm e t h o d ，t h i ss u b j e c tr e s e a r c h e s d e e p l yo nt h ep r i n c i p l ea n da l g o r i t h mo f r a yt r a c i n g t h e r ea r et o t a lt h r e ec o m m o na l g o r i t h m so f r a yt r a c i n g i nt h i sp a p e r i na d d i t i o n ，t h er a yt r a c i n ga n ds i m u l a t i o no ft h et r u ep r o p a g a t i o np a t h so f2 - da n d3 - d a c o u s t i cw a v eb yf o r w a r dd e p l o y i n gt r i a n g l ea n dd e p l o y i n gr e g u l a rt e t r a h e d r o n sa g ec a r r i e do u te s p e c i a l l y t h ep r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o no f s o m ef a m i l i a rr e c o n s t r u c t i n ga l g o r i t h m so nc o m p l e xt e m p e r a t u r ef i e l d b ya c o u s t i cm e t h o d si sa l s op r e s e n t e d i no r d e rt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h es o l u t i o n ，t h er e g u l a r i z a t i o n m e t h o dc a nb e u s e dt oc o n v e r ta n 川一p o s e dp r o b l e mi n t oa w e l l p o s e dp r o b l e m a tl a s t , a l li n v e s t i g a t i o no n t h er e c o n s t r u c t i n gm e c h a n i s m ，m e t h o d sa n dr e l a t i o n a la l g o r i t h m so f3 dt e m p e r a t u r ef i e l dw i t ha c o u s t i c p y r o m e t r yi sm a d e f u r t h e r m o r e ，a ne l e m e n t a r yd i s c u s s i o no nk e yp o i n t si nt h er e c o n s t r u c t i o ni sg i v e i l o n t h eg r o u n do ft h e s e ，t h el e a s t - s q u a r er e g u l a r i z i n ga l g o r i t h mf o rr e c o n s t r u c t i n g3 - dt e m p e r a t u r ef i e l di s p r e s e n t e d i nt h i sp a r to f t h ep a p e r , ac o m p a r i s o na n da n a l y s i sh a v eb e e nm a d eo nt h er e c o n s t r u c t i n gq u a l i t y o ft h et e m p e r a t u r ef i e l do nd i f f e r e n tp r e s u p p o s i t i o n s ，i n c l u d i n gw h e t h e rc o n s i d e r i n gt h ea c o u s t i cw a v e r e f r a c t i o no rn o t , t h ed i f f e r e n te m o u n t sa n dl o c a t i o n so f s e n s o r s e t c 1 1 1 ea n a l y z i n gr e s u l ts h o w st h a ti tw i l i i m p r o v et h er e c o n s t r u c t i n ga c c u r a c yd e e p t yw i t ham o d i f i c a t i o na n dc o m p e n s a t i o nt ot h ea c o u s t i cw a v ei n t h er e c o n s t r u c t i n gp r o c e s s i ta l s os h o w st h a tt h ei n c r e a s eo ft h ea m o u n to fa c o u s t i cs e n s o r sc a ni m p r o v e t h er e c o n s t r u c t i n ga c c u r a c yt os o m ee x t e n t t h e ya r cc o n s i s t e n tw e l lw i t ht h et h e o r e t i c a le s t i m a t e k e y w o r d s ：a c o u s t i cr e c o n s t r u c t i o n o f t e m p e r a t u r e f i e l d ：i n v e r s e p r o b l e m ；r a y t r a c i n g ：d e p l o y i n gr e g u l a r t e t r a h e d r o n s ；l e a s t - s q u a r em e t h o d s ：s i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写 过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并 表示谢意 作者签名：曼盛! 重日期：塑翌zi ：! z 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 适用本规定 学位论文作者签名：嘶缪导师签名：川龙 日期：7 l 孑t ，罗 日期：舡町j ，7 大庆石油学院硕十研究生学位论文 创新点摘要 1 通过对声线追踪的理论和算法的研究，弄清声波在温度梯度场中的真实传播路径。 在温度场的重建过程中，将声波传播路径按直线处理，当气体温度变化不大时，声波传播路径 的影响可以忽略。但是当测最区域内气体介质温度梯度较大时，声波路径发生明显弯曲。在本课题 中，对声线追踪的算法进行了深入细致的研究，将一种新颖的三角形前向展开方法引入到对温度梯 度场中声线轨迹的追踪中该方法算法简单，计算速度快、计算精度容易控制仿真计算的结果显 示：温度梯度场中的声线路径确实要发生明显的弯曲，并且由高温区域向低温区域弯曲，这和理论 预期结果是一致的。 2 对温度场的声学测量重建的机理、算法和方法进行研究，在三维温度场声学测量方法和技术方 面进行了一些基础研究工作，使用最小二乘方法实现三维温度场的声学测量重建，并就重建中的几 个关键技术进行了讨论和分析。 3 弄清影响温度场重建精度和速度的主要因素，以进一步提高温度场的重建质量。获得如下结果： ( 1 ) 温度场重建算法是影响温度场的重建质量的首要因素，高效、简便的温度场重建算法是实 现温度场声学测量重建的一个关键。 ( 2 ) 声波的“弯曲效应”：在重建温度场时对声波路径进行反复逐次修正。将极大地提高温度 场的重建精度。 ( 3 ) 传感器的分布和数量：传感器数量越多，所能提供的声波传播路径时间值越多。所覆盖的 测量空间越大，从而能提高重建温度场的精度；而另一方面。用于温度场重建的声学传感器价格十 分昂贵，考虑到经济条件的限制，在实际测量过程中。要获得太多的声波传播路径时间数据是很困 难的，也是很不经济的。 ( 4 ) 空间区域的划分方式：应尽量避免传感器空间分布的“倾斜”，确保测温空间的每一个壁 面上都安装有传感器，这样，在测量区域中，就不会出现“死区”( 即没有声波传播路径通过，导致 重建图像严重失真) 。 1 1 1 大庆石油学院硕+ 研究生学位论文 第1 章概述 1 1 课题背景 1 1 1 温度场监测的目的和意义 1 1 1 1 工业燃烧、加热过程中的温度场监测 温度场的监测在工业燃烧或加热过程中具有重要的意义。如在以煤为燃料的大型工 业锅炉中，可根据实时的烟气温度检测值和火焰分布，调整优化风煤比或多种燃料的分 配比例，保证混合燃料完全、彻底的燃烧，提高燃料的经济性。及时调整燃烧器平衡， 控制火焰中心位置，防止火焰直接冲刷水冷壁，减小水冷壁的应力和磨损，改善水循环。 同时还能帮助识别燃烧器的非正常工况，如堵粉、下粉不匀等。根据实时温度检测数据， 控制炉内s o x 、n o x 吸收剂喷射区域温度，优化炉内脱硫、脱硝反应，降低s o x 、n o x 的排放【“。 在对冶金工业的加热炉、均热炉、热处理炉等设备的操作中，温度分布即温度场是 确定设备状态的重要参数。实现温度场的实时在线测量更是使设备时刻处于最佳运行状 态的重要前提。深入研究及全面描述设备内热量及能量传递过程，研究设备内加热工件 内部温度场随外部温度场变化的规律，可以有效地提高燃料的燃烧率及炉子的生产效 率，提高产品质量，节约能源。而在实现炉子加热过程的模化及炉子结构设计的优化， 寻求最佳热制度及最优控制策略，降低金属烧损率以及环境污染等方面，同样需要温度 场分布的信息。此外，在垃圾处理过程中对垃圾处理炉的燃烧过程进行测量和控制，也 可以提高燃烧效率，降低污染。 由此可见，对燃烧和加热过程及设备中的烟气、火焰等的温度场进行实时在线测量， 是使设备时刻处于最佳运行状态的重要前提，不仅可以有效地节约能源、保护环境、提 高设备的运行效率，还可以大大降低事故的发生率【2 1 。 1 1 1 2 海洋温度场监测 海洋的变化对世界气候及人类活动有着巨大的影响，而海洋的变化在很大程度上反 映在其内部温度的变化上。因而，对海洋内部温度场进行长时间、大面积的监测具有重 要的意义。 ( 1 ) 它是了解海水运动的变化规律，进而开发和利用海洋的基本前提，对海洋渔 业、海洋污染、海洋石油开发乃至海上军事活动来说，都具有很大的影响。 ( 2 ) 海气之间有着强烈的相互作用，一般在时间与空间尺度较小的变动中，大气 影响了海洋，而在较大尺度的变动中，则是海洋影响大气。因此，大、中尺度的海洋变 化监测对于中、长期天气预报有着极为重要的意义1 3 1 。 ( 3 ) 在大气中测量由于温室效应引起的地球温升是极为困难的，而温室效应产生 的热有很大一部分被海洋所吸收，因此，人们现在考虑到测量海水的温升，然后推算地 第1 草概述 球的温升。 1 1 1 3 日常生活中室内温度场监测 在体育馆、俱乐部乃至家庭住房等场所中，良好的气流组织一直是其设计的重点和 难点【4 】，而良好的气流组织则需要合理、均匀的温度场分布，需要合理的组织室内空气的 流动1 5 j 。此外，空调和采暖设计的最终目的是以经济技术合理的系统设计以及设备选型 实现所要求的室内气候环境，为实现对这些环境参数的合理控制，有必要把握其室内温 度场的分布特征f 6 l 。因此，室内能否有一个科学合理的温度场分布，直接决定着气流组 织、空调和采暖设计，对节约能源、保护环境、提高生产和生活质量都是至关重要的。 1 1 2 传统测温方法的不足 温度场的检测是一个十分复杂的问题，虽然采用“温度计”进行逐点测量的方法可 以在一定程度上解决一些实际问题，但在大多数场合采用这种方法却是极不现实的，甚 至是根本行不通的。简便、快捷的新型温度场测量方法、技术和设备的研究仍是目前一 个十分活跃的研究领域。 以往曾使用抽气式高温热电偶对燃烧室或烟道中的高温烟气温度进行逐点测量来 获取运行中的实际温度场数据，但受热元件材料高温性能的限制，只能作短时间测量， 且现场就地操作量大、实时性差，无法实现实时在线监测【l 】。采用各种类型的辐射高温 计或热成像技术虽能反映局部的温度或温度场分布，但由于原理上和使用条件的制约， 不能全面、精确地定量反映整个燃烧室或烟道确切的温度分布。近年来，国内外不少学 者利用计算机图像处理技术、光学层析技术等手段判断火焰的燃烧状态和温度分布，取 得了一定的进展，但还有些具体的问题需要解决【7 1 。如采用内窥式风冷c c d 摄像头在 高温粉尘和熔渣等现场恶劣环境下长期连续工作的寿命与维护等问题；分辨率不高而产 生的“偷看”问题；小视角的检测器镜头难以随时对准漂移的火焰着火区问题等。此外， 工业燃烧过程自身具有瞬态变化、随机湍流、设备尺寸庞大、环境恶劣等特征，对设备 的抗干扰、防尘、算法的实时性等要求较高，因此，必须寻求更为准确、可靠的炉膛火 焰检测技术。 目前在海洋观测中使用的卫星观测手段，虽然能对海洋进行大面积、长时间的观测， 但由于卫星传感器中使用的电磁波在海水中吸收极大，因此用卫星只能得到海洋表面的 数据，无法了解海洋深处的变化【8 】。此外，在海洋中不能像在陆地上建设大量气象观测 站那样建设海洋观测站。丙用传统的调查船调查的方法不但代价十分昂贵，而且很难进 行多点长时间的同步测量，而研究海水长时间的变化规律没有多点长时间同步测量又是 不行的闭。因此，人们都在努力寻找新的长时间同步监测海洋的方法。 1 2 温度场声学测量方法的发展历史、国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 温度场声学测量方法的发展历史 声学测温的基本原理是依据声波传播速度与介质温度的单值函数关系。早在1 6 8 7 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 年牛顿( s i r i s a a c n e w t o n ) 就推导出了声学测温的原理公式，1 8 1 7 年由拉普拉斯进行了 修正和完善【9 】，并于1 3 0 年以前，由声学家m a y e r 等进行了实验验证。然而，声学测温 技术的研究和应用却是在近5 0 年来才逐步展开的。 在1 9 5 5 年，h e r i c kal 等人提出了用测量声速的方法来测定气体温度的建谢”j 。 随后的几十年里，各国的科学工作者和工程技术人员对声学测温的技术、装置以及应用 开展了广泛的研究。早期的研究主要集中在对声学温度计的开发上，包括气温计、低温 声学温度计、共振式石英温度计、超声温度计等 1 l , 1 2 。而进入2 0 世纪8 0 年代中期以后， 随着电子技术和计算机技术的发展，各国学者及工程技术人员则开始了对温度场的声学 测量方法的研究，开展了一系列的研究与试验工作，并取得了一定的进展。 1 2 2 国内外的研究应用状况 声学温度场检测技术是当今世界上最先进的温度场测量方法之一，由于其具有测量 精度高、范围广、空间大、非接触、实时连续和操作、维护方便等显著优点i l ”，日益受 到重视和采用，已成为目前国内外研究的热点。 在2 0 0 0 年之前，国内外对声学测量温度场的研究与应用主要集中在对锅炉电站等 的炉膛火焰温度场检测以及气象测量中，并且已经发展出一些商业化产品。例如，1 9 8 6 年，日本学者伊藤文夫坂井正康对锅炉燃烧的声波测量及图像处理技术进行了基础研究 工作【1 4 】。1 9 8 8 年，美国电力研究院和英国发电委员会合作，使用这种声学测量方法对 电站锅炉进行了首次炉膛燃烧诊断和测温试验【l5 1 。结果表明，声学测温结果基本与使用 抽气热电偶所得的结果一致，并且具有良好的实时性、可维护性以及准确度，并随后推 出产品，预言声学测温方法将成为一种新型的加热炉诊断工具和科研开发工具。1 9 9 5 年，美国n e v a d a 大学的j o l l i l ak l e p p e 等人研究开发了一套声学高温测量系统，据称此 系统可以在各种恶劣的、嘈杂的工业环境中精确、反复的测量【l 们。1 9 9 9 年，德国的a r n o l d k a ，z i e m a n n 等气象学者将声学测温方法运用于对地表大气边界层温度场的测量中【l ”。 目前，以美国s e i ( s c i e n t i f i ce n g i n e e r i n gi n s t r u m e n t s ) 公司的产品最具有代表性，它开 发和研制的名为b o i l e rw a t c h 的炉膛温度检测系统i l s 】，可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，取得了很满意的数据和结果。 进入2 0 0 0 年以后，对声学测温的研究开始由工业生产中的高温应用转入日常生活 中的常温测量。2 0 0 1 年，日本t s u k u b a 大学机械工程与系统学院k o i c h im i z u t a n i 带领的 研究小组，开展了一项名为“使用声学方法测量室内温度”的研究【l 卅；日本筑波大学物 理工学系的水谷孝一教授发表了“使用音波c t 方法推定室内温度分布”的论文凹】。 而国内开展这项研究工作的时间较晚，基本上还处于实验室研究阶段，具有代表性 的是华中科技大学煤燃烧国家重点实验室的研究成果。他们采用的硬件测量设备有：低 频信号发生器、扬声器、麦克风或微压传感器、a d 卡和p c 机等【2 ”。此外，华北电力大 学安连锁教授领导的研究小组对温度场的声学测量重建方法进行了基础的研究，使用费 马原理研究了声波在二维空间中的传播路径问题阱l ；东北大学邵福群教授的研究小组， 第1 章概述 在声学测温系统和重建算法上开展了一定的工作，对基于有限级数展开和正则化分析的 复杂温度场的图像重建算法进行了研究田2 4 j 。 1 2 3 主要发展方向和研究趋势 目前，国外对声学测量温度场的研究与应用主要集中在二维温度场的测量上，关于 三维温度场的声学测量方法，只有j o h n s o nsa 等少数学者进行了初步的研究工作1 2 5 ，”j 。 而在国内开展这项研究工作的时间较晚，基本上是2 0 0 0 年以后的事情，并且主要研究 工作集中在锅炉炉膛火焰二维温度场的测量方面。由此可见，为尽快使这项新方法和技 术赶超世界先进水平，除了在二维温度场声学测量方法、技术和装置等方面继续开展一 系列深入细致的研究工作，使之尽快得到实用外，十分有必要在三维温度场声学测量方 法和技术方面开展前期研究工作。 声学温度场检测方法具有优良的性能和广阔的应用前景，在工农业生产、日常生活 以及对海洋内部变化的长期监测等方面都具有十分重要的意义。因此，基于声学的温度 场检测技术是一项很有潜力的新技术，今后应致力于以下方面的研究： ( i ) 传感器数量、布置方式及空间区域的划分方式等对温度场重建精度与速度的 影响，即优化配置问题的研究。 ( 2 ) 湿度场梯度等引起的声线“弯曲效应”对测量结果的影响，主要研究声线追 踪和相应的高质量算法( 图像重建算法) 的实现等。 ( 3 ) 三维温度场声学测量方法的机理、方法和有关算法的研究。 1 3 本课题的主要研究内容 课题“三维温度场声学测量方法及计算机仿真研究”受到黑龙江省研究生创新科研 资金的资助，主要内容为实现温度场的声学反演，由声波的传播特性得出温度场的特性。 然而，反演问题的求解与正演问题是密切相关的，对反问题进行研究的一般方法是先从 正问题入手，在弄清楚正问题实质的基础上，着手于反问题的探索。 在本课题的研究过程中，也将遵循反问题的一般研究方法。该课题对应的正问题为 由温度场特性推导声波的传播特性，因此，课题将先对温度梯度场中的声波路径进行研 究，包括路径的追踪方法和折射觌律等；然后再对温度场的重建算法进行研究，包括三 维温度场声学测量方法、技术、算法及主要影响因素等，并实现声学方法对三维温度场 的测量重建及其计算机仿真研究。具体的研究内容包括以下三个方面： ( 1 ) 传感器数量和布置方式的优化研究。传感器的数量和布置方式对声学温度场 测量的精度和速度都有影响，应结合实际应用的需要和软硬件资源的合理利用，合理地 选择传感器的数量和布置方式。 ( 2 ) 声波在三维温度梯度场中的真实传播路径。在温度场的重建过程中，将声波 传播路径按直线处理，当气体温度变化不大时，声波传播路径的影响可以忽略，但是当 测量区域内气体介质温度梯度较大时，声波路径发生明显弯曲。这种“弯曲效应”对声 4 大庆石油学院硕十研究生学位论文 波路径的影响及相应的补偿是一个重要的研究内容。 ( 3 ) 三维温度场的声学测量重建及计算机仿真。开展三维温度场“一次重建”算 法的研究，并进行计算机仿真，将理论值与测试值进行比较，以改进算法。 1 4 论文的组织安排 根据研究过程所涉及的内容和系统实现的步骤，本论文主要包括以下六个部分： ( 1 ) 在介绍本课题的研究背景、传统测温方法的不足的基础上，阐述温度场声学 测量方法的发展历史、国内外研究现状及主要的发展方向和研究趋势，并提出了本课题 的研究思路。 ( 2 ) 介绍声学温度测量、温度场测量的基本原理及系统构成，并指出声学温度场 测量方法的优势。 ( 3 ) 弄清声波在温度梯度场中的真实传播路径。首先介绍了射线声学的理论基础 知识，而后着重介绍了温度梯度场中的声线追踪方法，包括传统的二维声线追踪算法和 二维声线的三角形前向展开法、三维声线的正三棱锥前向伸展法，对其进行了比较分析， 指出了其优缺点，并使用三角形前向展开法在具体的二维和三维温度场模型中进行声线 追踪的仿真计算和分析。 ( 4 ) 介绍了复杂温度场声学测量重建的几种常用算法的原理及实现方法，并分析 了反问题中解的不适定性，进而在重建的过程中，使用正则化方法将不适定性问题转化 为适定性问题，以提高解的稳定性。 ( 5 ) 三维温度场的声学测量重建及计算机仿真。在对反演问题进行简要介绍的基 础上，对三维温度场声学测量方法的机理、方法和有关算法进行了研究，并对温度场重 建过程中的声波传播时间的相关函数测量方法、本征声线的求解方法、三维温度场的表 示方法等进行研究。最后，在对声波路径进行反复修正的基础上，选择合适的声波发射 ，接收传感器的数量及布置方式，对三维温度场的声学测量重建进行仿真计算和分析。 ( 6 ) 课题总结与展望。总结本课题完成的情况，指出存在的问题和进一步的研究 方向，探讨解决问题的可能方法。 第2 章温度场声学测量方法的原理及系统构成 第2 章温度场声学测量方法的原理及系统构成 2 1 引言 声学测量，是利用待测的与介质特性和状态有关的非声学量( 如液体的密度、粘度、 流量、液位和固体的致密度、晶粒度或球化率、弹性、硬度、粘接强度、厚度、应力以 及温度等) 与某些描述介质声学特性的声学量( 如声速、衰减、声阻抗等) 之间存在的 关系，通过这些声学量的测定来分析介质的特性、评价介质质量和测出某些与工程有关 的参量【1 2 】。 声学测量是声学应用极广泛的一门技术，广泛涉及全部材料和机械制造业、石油化 工、水文地质、矿山勘探和开采等各个领域。声学测量在现代工业建设及日常生活中， 不但可以保证质量、保障安全，而且可以起到节约能源和资源、降低成本、提高成品率、 获取显著经济效益的作用。它是发展现代工业不可忽视的、必不可少的技术。 声学测温技术作为一种新的测温方法，经过5 0 多年的研究与发展，已开始应用于 工业生产和日常生活的各个领域中，成为一种很有发展前途的温度检测方法。目前，声 学测温技术正在由传统的逐点温度测量向温度场的直接测量方向发展。在本章中，首先 介绍温度的声学测量原理、方法和典型装置，而后针对本课题的研究目标，介绍温度场 的声学测量方法及系统组成。在本课题中，只对气体介质的温度、温度场的声学测量方 法进行研究和探讨。 2 2 温度的声学测量方法 2 2 1 温度的超声测量 超声测温是一种新的测温技术，日益受到重视和采用。例如：在低温测量方面，已 把超声测温计作为2 2 0 k 温度范围内的基准计温方法；在高温或高压气体测温方面，超 声温度计具有反应迅速的特点，已经用来对汽轮机进气、火箭排气和气缸中燃烧气体等 高达2 0 0 0 c 左右的温度进行测量，甚至对高达1 7 0 0 0 。c 热核等离子区的温度进行测量； 在气压低达1 0 4 a r m 的高空，使用超声测温，便于遥测又不受辐射热的影响；在熔融液 ( 如钢水) 中可在几百度到两千度内进行不接触的超声测温；此外，还可以在海水、快 速反应堆中用超声进行温度精确的测量。 超声测温大多数是以气、液、固三态介质中温度和声速的相关性为理论基础的。理 想气体的声速与绝对温度的平方根成正比，许多固体和液体的声速一般随温度增高而降 低。气体的声速变化率在低温时最大，大多数液体的声速变化率基本上不随温度而变， 固体则在高温时声速变化率最大。在实际测试中，根据测试介质的不同、环境条件的不 同以及测温范围的不同，发展了一些具体的超声温度计。比如超声气温计、测量低温的 电声气体温度计和干涉仪式超声温度计、石英温度计、细线敏感元件的超声温度计等。 6 大庆打油学院顾l 研究牛学位论史 这些方法的原理、特点及其应用范围见附录。 2 2 2 声学测温的典型装置介绍 在使用声学方法来进行温度测量时，声波要在放入被测介质中的另外一种材料中传 播，这种材料是一种敏感材料，可以是另 外一种气体，也可以是石英晶体或者金属 llllll 丝等。使用这种方法，可以获得某点处的 埴铡介质 温度值。 一( f 覃j = 磊云手云弓i 于= 龠 一种以另一种气体介质为敏感材料的x l 生= = = = = = = = 二= = j 弋。 声学测温装置的原理图如图2 - l 所示】。 声接收嚣 iiilli 卢嬲嚣 以气体介质作为敏感材料时，将其装进一 个导热良好的薄壁管中，该气体能很快地 图2 - i 声学测温装置原理图 与被测气体达到热平衡。在管的一端安装一只扬声器，另一端装一只接收器，测出声脉 冲在管中的传播速度，便可求出被测气体介质的温度。在这种方法中，为使测量误差尽 可能小，应采用分子量大的稀有气体作为测量气体，目前多选用氩。 另一种常见的是用金属丝作敏感元件，主要由传感器、缓冲器、敏感元件和电子设 备等四部分组成【27 1 。美国新墨西哥州阿尔布开克市的圣迪亚囤立实验室研制的一种由焊 接敷钍钨导线的磁限制铁钴元件组成的超声波温度计，就是这样的一种温度计【2 引。 2 2 3 气体介质温度声学测量的基本原理 如图2 - 2 所示，根据波动学理论，当平面波沿 z 轴方向传播时，设媒质密度为p ，则这段媒质的 质量为p 血。设媒质中j 下应力为则这段媒质的 左面将受到左方媒质施加的作用力，右面将受到 右方媒质的作用力，+ t 翕f d x 。因此，如果这段媒 质的振动位移为f ，振速为，则这段媒质的运动 方程为f 9 】： 肚筝一( ，+ 罢蛳卜芸出( 2 1 ) 即 图2 - 2 波动框图 p 警叩警= 一罢出 协2 ， 由声学原理知，介质可视为无限大、各向同性、均匀、无衰减的流体，声波只以纵 波的形式存在。在这种情况下，声应力即声压为p 。在声压作用下，长度为d x 的媒体体 积v 产生变化为d v 。因面积不变，故体积的相对变化为警，实际上相当于厚度的相 7 第2 章温度场声学测爱方法的原理发系统构成 对变化- 叱- 7 - 。设媒质的体积弹性模量为b ，则 口：一b 盟：一b 堑( 2 3 ) v 由于旷币则( 2 2 ) 式化为： p 警一罢= b 警 协。， 由波动理论可知，沿x 轴正向或负向传播的波动方程为： 等彰等 ( 2 - s ) 根据( 2 - 5 ) 、( 2 - 4 ) 式得： c = b p ( 2 - 6 ) 对于理想气体，把声波的传播看成快速绝热过程，则p v = 恒量，可得到： b = y p ( 2 7 ) 根据理想气体状态方程p vm r r ，可得 c = 瓜瓣= z 厅 ( 2 8 ) 式中：尺为理想气体常数，8 3 l j m o l 一k ； 彤为气体分子量，k g m o l ； r 为气体的绝对温度，k ； ，为定压比热和定容比热的比值，与分子结构有关； c 为声波在气体介质中的传播速度，m s ； z = ，r 所，对某种特定气体为常数。 2 3 温度场声学测量方法的工作原理及系统组成 2 3 1 温度场声学测量方法的工作原理 在第2 2 3 节中已经介绍了声学测温的基本原理，即：声波在气体中的传播速度是介 质温度的单值函数3 。9 1 ，国外学者则称这种方法为a c o u s t i ct r a v e lt i m et o m o g r a p h y l 30 1 。 目 j i 所见到的测量系统和装置多应用于气体介质中，即声波直接在需测温度的气体中传 播。它是一种温度场的直接测量方法。 在理想气体介质中，声速与介质绝对温度的平方根成正比，即满足式( 2 8 ) 。 声波直接在被测气体介质中传播，要将用以发射和接收声波的传感器置于未知温度 的区域中，在声波发射和接收装置之间形成一条声学路径。由于两点之间的距离为已知 的固定常数d ，而声波在该条路径上的传播时间( i t a v e lt i m e ) f 是可以测量的，这样就 可以得到声波在该条声学路径上的平均速度：c = d r 。 人庆 i 油学院硕i 研究乍学 逆论丈 已知声速与介质的绝对温度之间的关系满足关系式( 2 8 ) ，因此在获得一条声波路 径上的平均速度c 之后，就可以求出该路径上介质的平均温度。在待测温度区域的断面 四周安装若干个声波发射接收传感器，形成多条声学路径，同时将温度场进行合理的划 分，测出每条路径上的声波平均传播时间，经重建算法，便可以得到该断面上温度场的 分布情况。 一种传感器的典型布设及温度场的划分 方式如图2 3 所示【3 。1 。在图中，将该断面上的 温度场平均分为1 6 个小区域，在断面的四周 安装了8 个声波发射接收传感器，这样，共形 成了2 4 条独立的声发射一接收路径( 除去本身 及同侧的接收单元) 。按照设定的程序，在一 个检测周期内顺序启闭各个声波发射接收传 感器，得到一组声波传播时间值，经一次重建 算法，便可以重建出温度场断面上的温度分布 以及某一条声波路径上介质的平均温度和某“。 一区域介质中的平均温度等。 2 3 2 温度场声学测量方法的系统组成 j 绦辫瓤 义遗。瓤 么然7 r x 心i 一 恭影酒 a s is 2 b 传感器空间分布及测鼙区域分块图 温度场的声学测量系统主要由声波发射接收单元( t r a n s m i t t e r r e c e i v e r ) 、处理控制 单元( p c u ) 、计算机存储、处理、显示单元以及相应的软件等组成3 2 l ，如图2 4 所示。 图2 - 4 系统硬件组成示意图 声发射接收单元是系统的主要部件，它安装在需要测量的温度场区域的四周，具有 声发生、发射和接收功能，通常组成一个单元设置，用来发射本单元的声信号或接收其 它单元发出的声信号。 处理控制单元是一个专用的微处理机系统，由微处理器、存储器( r o m ) 、可擦可 编程只读存储器( e e p r o m ) 、模拟量输入、输出接口( a i a o ) 、串行口( r s 4 2 2 ) 等 组成，提供声波传播时间采集控制、存储，计算相应的路径平均温度值，i o ，各种参 数设定等功能。 9 第2 章温度场声学测世方泣的原理及系统构成 计算机存储、处理、显示单元可在w i n d o w s 平台上处理p c u 经r s 4 2 2 接口输入 的温度阵列数据，并按使用要求以数据或图形方式显示断面实时二维温度分布、用户定 义区域内气体的平均温度、路径上气体平均温度以及声波路径上温度的变化趋势。 2 3 3 典型产品介绍 经过十几年的不断研究和发展，目前市场上已经出现了多种声学测温产品，而这其 中尤以美国s e i 公司开发和研制的名为b o i l e r w a t c h 的声学高温测量仪产品最具有 代表性。下面对该产品做一简要的介绍。 b o i l e r w a t c h m m pi i 声学高温测量仪是一个先进的锅炉和加热炉燃烧气体温 度自动测量系统，能够提供连续的、准确的、实时的、非侵入的、全自动的燃烧或热加 工气体温度的测量，它是一套完整的测量系统。其结构如图2 5 所示 1 8 】。 图2 - 5b o i l e r w a t c h m m p1 1 卢学高温测壁仪结构示意图 b o i l e r m 玎c h m m pl i 声学高温测量仪能够测量一个或两个独立阵列内高达2 4 路的气体平均温度并给出气体的空间平面温度分布。测量范围从o c 至u1 9 2 7 ，提供每 通道5 秒测量、串行输出、以太网设置、输出4 2 0 m a 模拟信号与输出接口r s 2 3 2 4 2 2 ， 并且配置灵活、易于安装和启动、断电后可自动恢复电源，具有很好的性价比。该系统 可应用于有机物过程加热器、化石燃料电厂锅炉、工业锅炉、化学回收装置、垃圾发电、 垃圾焚烧炉、工业炉窑过程监视和控制、最低温度从量以及一些其他的工业热工程等。 声波气体温度测量系统的t m s 2 0 0 0 软件功能十分强大，能够提供令人震撼的视觉 信息，包括在线的和历史数据，提供工业炉内或燃烧过程的气体温度以及分布状态。通 过t m s - 2 0 0 0 让用户能简单和快捷地得到空间温度分布资料、独立通道上的温度、温度 变化趋势以及用户自定义区域平均气体温度等。这些温度数据能够被送到工厂的分布式 控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，d c s ) 、数据采集系统( d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ， a d s ) ，并能够在计算机中显示或储存。 1 0 夫庆年i 油学院硕f 研究牛学位论文 2 4 温度场声学测量方法的优势 目i ； ，工业上用于高温测量的仪表主要是热电偶和辐射式温度计。热电偶属于接触 式测量仪表，与被测介质进行充分的热交换是它能准确测量的前提。由于气体的比热很 小，这样当热电偶用于气体温度测量时便产