（检测技术与自动化装置专业论文）基于声层析成像的温度场重建技术研究.pdf

沈阳i ：业大学硕士学位论文 捅要 烟气温度是锅炉运行和检测所需的一个最重要信息。为了维护锅炉运行的安全和稳 定，必须对锅炉的燃烧过程进行自动控制。通过对烟气温度场的准确测量，及时掌握锅 炉内的燃烧状态，为燃烧优化运行提供保证。现代锅炉内燃烧气体的温度能够达到3 0 0 0 下( 1 6 5 0 ) t 通常使用的接触式测温方法由于温度过高实用性很差。而且借助普通的 热电偶和水冷式抽气热电偶探测方法只能做短时间逐点测量，无法实现实时在线检测。 本文介绍了一种新型的测温技术一声层析成像温度场检测技术。该技术由于其非接 触，测温范围广( 0 1 9 0 0 ) ，测量对象空间范围大( 可达数十米) ，精度高，实时测 量，维护方便等优点，必将在工业锅炉温度场检测中起到越来越重要的作用。此外，该 技术还可用于大型会议室和剧场内的温度监测和调节、大气海洋温度分布监测等领域。 本文综述了高温工业炉内温度场测量方法，阐述了声学温度场检测技术的基本理 论、发展现状。介绍了指数s v d 温度场重建算法，探讨了声发射器接收器数目，位置 分布、温度场区域划分以及温度场复杂程度对温度场重建精度的影响。提出了指数正则 化温度场重建算法和基于l a n d w 南e f 迭代的指数温度场重建算法。与指数s v d 算法相 比，新算法更适合于复杂温度场的重建。 声波路径的弯曲效应是影响温度场重建精度的重要因素，尤其对于温度梯度较大的 复杂温度场，将声发射器接收器之间的直线作为声音传播路径会给重建结果造成较大 的误差。本文通过求解由f e 珊a t 原理和变量积分原理得出的弯曲路径，修正重建温度 场获得更好的重建精度。 采用工程数学软件m a n a b 对重建算法进行仿真研究。在安装8 个或1 6 个声发射 器接收器时，采用三种算法，对单峰对称、单峰偏置、双峰对称和双峰偏置四种工业 炉温度场模型分别进行了仿真研究，误差分析表明两种新算法均能以较高的精度重建温 度场，也验证了考虑声波路径弯曲效应后，重建精度会得到提高。进行了实验室二维温 度场重建实验，实验结果与被测区域温度分布情况基本一致。 关键词：声学测温，温度场重建，重建算法，声波折射 基于声层析成像的温度场重建技术研究 1 e m p e r a t u r el 、i e l dr e c o n s t m c t i o nb a s e d o na u s t i ct o m o g r a p h y a b s t r a c t g 蠲t c m p c r a t u j s 彻eo ft l i cm o s ti m p o n a n ti i l f b n n a t j 锄陀q u i r c di n 如m a c eo p e m t i n 昏 i no r d c rt om a i n t a i nf l i m a c cm n n i n gs a f c l y t h ef u m a c ec o m b u s t i o np r o c c s sm u s tb c a u t o m a t i c a l l yc o n t l d l l c d b ym e 觞u f i n gt h cf l l m a c et e m p e r a t i i r ef i e l d s ，t h eo o m b l l s t i p r o c c 豁c 柚b c m m l l e d i n t i m c ，w h i c hc 璐u r e st l i a tt h e m b u s t i 帆p r e s s 髂i si n o p t i m i z a t i m o d e g 笛t 锄p e m t u r c si n s i d eam o d e mf i l m a c ei sh i g h 硒3 0 0 0 下( 1 6 5 0 ) a n d c o n t a c tm c 弱u r i n gm e t h o d sa r cn o ts u i t a b l ed u et ot h eh o tc o n d i t i o n f u n l l e 皿o r c ，t h em o n i t o r o ft e m p e m t u r c 丘c l do n - l i n ec 她n o tb ea c h i c v c d b yc o n v c n t j 仰a lt h c m o o p l e 勰d w 砒e f 螂l e dt l i e m i o c o u p l c t e m p c 咖砖矗e l dm e 弱u r c m e n tb ya c o u s t i ct 啪o g f a p h yi si n 洒d u c e di nt h i sp a p c r a sa 琳wt c m p e r a t 眦m c a 鲫r c l n tt c c h l o g y ，a c o u s t j cm e t h o dh 猫m 卸ya d v 卸t a g e ss u c ha s n c d n t a c t ，w i d ct e m p e 船t i l r c 瑚g e ( o 1 9 0 0 ) ，l a r g cs p a c co fm e 蹈u r i n go b j e c t ( u pt oa f e wd e c a m c t c 璐) ，l l i g l l p 托c i s i 叩，蒯- t i m e ，c o n t i n u o u sm c 髂u r c m c n t e 鹞ym a i m e n 柚c c 锄d o n nw i l lb cm o m 姐dm o r eu s e f l l li ni n d u s t r i a lb o i l e rt e m p e m t i i r cf i e l dm e a s u f i n g b e s i d c s ，i ta l s o 啪b c 惦c dt om 蛐i t o ra n da d j u s tt h et c m p e r a t u 佗o fat h e a t e r s e 嬲et h e t e m p e m t u d i s t l i b u t i 彻o fa t i n o s p h c r ca n do c e 蛆 1 nt h i sp a p e r ，m 姐ym c a s u 旭m c mm e t h o d so ft 啪p c r a t u 他矗e l di ni n d u s l l yf i l m a c e 辑 s u m m a r i z c d ；t h ep r i n c i p l e 孤dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so f 旧m p e m t u r cf i e l dm e a s u r c m e n tb y a c o u s t i ct o m o 争a p h ya r ei l l 协，d u c c d e x p 朋t i a ls v dr c c 0 璐t m d i o na l g 嘶t h i ni sd e s 商b e ， m a l i yi n n u 锄c c so nt h ct 锄p e 枷r c 崩：0 n s t r u c t i 芦e c i s i o na 佗i n v e s t i g a t e ds u c h 勰t h c m 蚰b e ro ft h ea c o u s t i cs o u n ds e n s o 体( i e 锄i t t e 砖，r c c e i v e r s ) ，t h el o c a t i o n so ft h es e n s o r s ，也e d i v i s i o no ft l l ei m a g ca 他a 卸dt h cc o m p l 懿d e 掣e eo ft c m p e r a t u 佗d i s t r i b u t i t w on 删 t e m p e r a t 哪 呦n s t n l c t i m e t h o d s ，r c g l i l a r i z c de x p o n e n t i a lm c o n s t n l c t i a l g o r i t h l i l ， l 卸d w e b e ri t e r a t i v ce x p o n e n t i a lr c c 0 船t 1 1 i c t i o na l g o f i t h ma 坨p r o p o s e d c o m p a r c dw i t l l c x p o n e n t i a ls v da 1 9 0 r i t l l n l ，n e wa l g o r i t h 】咂sa r cm o r cs u i t a b l cf o fc o m p l e xt e m p c 咖r ef i c l d r e c o n s t n i c t i 帆 沈阳j 二业大学硕士学位论文 t h eb e n d i n gc f 琵c to f u n d 、张v ep a t h si sa ni m p o n 强tf a c f o rt h a t i n f i u e n o e st h c p r c c i s i o no fr c c o n s t m c t i o no ft e m p c r a t u r ef i e l d t h a tt h es t r a i g h tl i n eb e t w e e nt r 柚s m m e 塔 锄dr e c c i v e 巧i st h o u g h t 勰s 0 u n d 、v e p a t l l s w i l lc a u s e 乒e a te r r o r s ，唧e c i a l l yf o r t e m p 啪t u r e i e l dw h o s e 锄p e r a t u f c 铲a d i e n li ss t e e p 弧i sp a p e ff e v i s er c c d n s l r u c t i 伽o f t e m p c r a n 噼置i e l df o rb c t t e rp r e c i s i o no f 化c 0 i i s t n l c t i o nu s i i i gb e n d i l l gw a v ep a t 量i sc a l c i i l a t c d b ys o l “n gd i 艇托n t i a lc q u a t i o n sw h i c ha 他d c f i v c df 舳f e 咖a t | st l l e o r 锄锄dt h cc a l c i i l u s0 f v a f i a t i 帆s n 龉ea 1 9 0 r i t 置l l sa 犯i n v e s t i g a t c du s i n gs i m u l a t i o nd a t ab ym a t h e m a t i cc n 舀n c c r i n g s o 鲰瓣一m a na b w i m8o r1 6a c o n s t i cs o u n d 锄i t t e 例虹e i v e r s ，f o u ri n d t l s t r yf l l m a c e t c m p e 船t u f cd i 蛐曲u t i o 璐，i c s y m m e t r i c a ls i n 9 1 et e m p c r a t u 托p e a km o d e l ，勰y m m e 埘l s i n 酎et c m p c r a t u r cp e a km o d e l ，s y m m e t r i c a ld u a lt e m p e r a t u f ep c a km o d e l ，a n d 勰y m m e t r i c a l d u a lt e m p e r a t u r ep e a km o d e l ，a r cr 。c o n s t m c t e db yl h et h r a l g o “t l i n i s r c s p e c t i v c l y r e c o n g c n l c t i o ne n d fa i i a i y s i si n d i c a t e st h a ta i lt t i e 佃on 州a 1 9 0 血h m sc a nr e c o n s 恤c t t e m p e r a t u f ef i c l d w i hb e t l e p r e d s i o n ；a n dt h e 嬲璐t n l c t i o na c c 吐f a c yc a nb ei 1 1 c f c a s e d w h w et a & et i l ee 侬斌o ft h eb c n d i n gs o u n dw a v ep a l h si n l oa c c o u n t 1 w o d i m c i l s i t 锄p e n t u 地矗c l dr e i 塔t n l d i o ne x p e m e n t i s i m p l e m e n t c d j n l a b ， t h e t e m p e r a t l l 陀 d i s t r i b u t i o nr o c o n s t m c t e da c c o r d sw i t ht h er e a lt e m p e r a t u r cf i e l dp r o b a b l y k e yw o r d s ：a e 帆s 蛞ct e m p e 豫士翻陀f i d dm 翰硼r e m e n t ， t e m p e 强t n 球 弱d d r e c o n s t n l c t i o ，r e n s m c 6 蛐舢g o 一恤m ，s 鲫n dw a v e 触c h 蚰 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：挝兰日期：望塑墨笪 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即； 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：查垄星导师签名：趣垡 日期： 细7 ：曼眵 沈阳工业大学硕士学位论文 1 概述 1 1 过程层析成像简介 过程层析成像( p m c c s st 0 m o 矿a p h y ，简称p t ) 技术是2 0 世纪8 0 年代中期，随着 计算机技术和检测技术的进步，正式形成和迅速发展起来的新一代过程参数二维或三维 分布状况的在线实时检测技术f 1 司，是医学诊断中的计算机层析成像( c c 吼p u t e 妇d t o l n o 孥a p h y ，简称c t ) 技术在工业过程中的应用。 过程层析成像技术的实质就是运用一个物理可实现系统完成对被测物场中某种物 场特性分布兵y ) 的雷登变换与雷登逆交换，它的基本内容是采用特殊设计的敏感器空 间阵列，以非接触或非侵入方式获取被测物场的信息，运用并行处理技术及定性或定量 的图像重建算法在线实时地重建出被测物场的图像，通过对重建图像信息的分析以及不 同时刻下重建图像信息的比较，获得被测物场的分布状态及其运动变化特征，如两相管 流的流动形态，工业炉温度场分布及变化等。还要根据从重建图像信息中提取出的特征 参数，按照有关的理论模型发出相应的控制信号，以实现对被观测过程的调节。要指出 的是被测物场的图像重建显示并不是p t 系统的主要目的，或者说不是最终的目的。重 建图像的物理意义阐明：从重建图像信息中提取与被测物场及其运动变化有关的特征参 数对被测物场做出定性和定量的评估，并输出对相应的过程实行调节控制的信号等，才 是p 1 r 系统的重要功能。 随着p t 技术的发展，目前已经有十几种基于不同敏感机理的p t 系统问世。大多 数的p t 技术按采用敏感器件的不同，可归类为硬场检测和软场检测。硬场检测的敏感 场不受被测介质分布的影响，如核p t ( x 、t 射线) 、微波p t 、光学p t 等；而软场检 测的敏感场受被测介质分布及特性的影响，如电学p t ( 包括电阻e l 疆、电容e c t 、电 磁e m t ) 和声学p t 等。不同的p t 方法具有基于不同物理原理的空间传感器敏感阵列， 因而具有不同的信息处理系统及图像重建算法1 3 1 。 1 2 课题背景 本课题研究基于声层析成像的温度场检测技术。 温度场的测量存在于我们日常生活的各个领域。声层析成像温度场检测技术非高温 基于声层析成像的温度场重建技术研究 领域典型应用是大气海洋温度分布监铡、房间内( 如仓库) 温度分布的监测与调节等 而高温领域最典型的应用是高温工业炉温度场测量。 近些年海洋温度的变化非常大，这对世界气候及人类活动有巨大影响。为了测量由 于温室效应引起的全球变暖，发展了大洋气候的声学测温技术，在很长的距离以很长的 周期监测平均声传播时闻。为了监测海洋盆地，用海洋声层析技术测量布设在环绕盆地 的监测站之间声传播时间并运用逆运算来推断温度及流速场吼 在电力工业中的燃煤锅炉、冶金工业中的加热炉、均热炉及热处理炉中，温度分布 即温度场( 而不是点温度) 是确定设备状态的重要参数。为了实现火焰燃烧控制系统的 自动化运行，我们必须选取一个乃至数个能够表征燃烧过程的具有可操作性的物理参 数，用来及时反映燃烧设备的运行工况，为运行人员提供操作依据，并为热工自动化装 置准确及时地提供反馈信号。深入研究及全面描述设备内热量及能量传递过程，研究设 备内被加热工件内部温度场随外部温度场变化的规律。而实现温度场的实时在线测量更 是使设备时刻处于最佳状态下运行的重要前提。工业炉炉内温度场的分布特性直接影响 着煤粉的着火点、燃尽以及锅炉的安全性。长期以来，其设计运行都依据实验所得的经 验公式【6 l ，或者直接对模型和实物进行现场试验。但是，随着大型锅炉的发展，其容量 愈来愈大，炉膛尺寸也越来越大，因而很难在现场实际测量到所有需要的温度值，更难 找出炉内温度场内的分布规律。 在工程应用方面，寻找一种简便、快捷的方法进行温度场的测量显得尤为重要，这 对提高燃烧效率及锅炉的生产效率，提高产品质量、节约能源、炉子热工过程的模化及 结构设计的优化、寻求最优控制策略，降低金属烧损率及减小环境污染等方面都有重要 意义。声学法高温锅炉温度场检测系统就是为了解决上述问题逐渐发展起来的。 1 3 传统工业炉温度场测量方法 各种测温方法都是基于物体的某些物理化学性质与温度之间一定的关系，例如物体 的几何尺寸、颜色、电导率、热电势和辐射强度等都与物体的温度有关川。当温度不同 时，以上这些参数中的一个或几个随之发生变化，测出这些参数的变化，就可间接地知 道被测物体的温度。鉴于温度参数对于工业炉燃烧过程的重要性，工业炉测温方法一直 是人们研究的热点问题。下面简要介绍一下工业炉温度场测量的主要狈4 温方法。 沈阳r 业大学硕士学位论文 传统的工业炉内温度测量方法主要分为两大类：接触式测量、非接触式测量。 1 3 1 接触式测量 接触测量法中，测量仪表的感温元件直接与被测介质接触，测量方法比较简单而且 直观。这种方法的缺点是： ( 1 ) 由于测温元件直接插入被测介质难免影响介质的温度场，因而带来测量误差。 ( 2 ) 大多需等待热平衡时才能正确测定温度，测量过程会受被测对象特性及传热方 式的影响，实时性很难保证，所测定温度与实时温度不可能一致： ( 3 ) 当介质具有腐蚀性，在高温条件下测温元件的使用期限相对缩短，测量准确度 也会相应降低。 热电偶测温法是一种主要的接触测量法。热电偶测温法由热电偶、电测仪表和连接 导线组成测温仪器，是最常用的接触测温方法。热电偶用两种不同导体( 或半导体) 组 成闭合回路，两个接点分别处于不同温度环境中时，回路就会产生电动势，称为热电势。 通过标定可以用来测量温度，它被广泛用来测量1 0 睢1 6 0 0 范围内的温度，用特殊材料 制成的热电偶还可以测量更高或更低的温度。从原理上说热电偶测温有较高的准确度和 复现性。但熟电偶只能测量出测量端点所处场所的温度，即只能完成“点”的测量。而 锅炉燃烧中，整个炉内的温度场和空间的温度分布才是我们关心的重点，而且热电偶对 于高温和磨蚀性很强的炉内燃烧环境显然是不适合的【8 】。热电偶测温法用在工业炉中通 常存在着以下几个问题： ( 1 ) 经常发生内部材料熔焊导致错误测量读数。 ( 2 ) 不适合持续高温测量。 ( 3 ) 易烧坏。一根新的热电偶在很短的时间内，几乎当天就被烧坏。 ( 4 ) 在不锈钢套管中的使用寿命只有2 3 天。 ( 5 ) 更换费用高。主要体现在零部件价格高，更换麻烦费时。 1 3 2 非接触式测量 非接触测温法能在接触测温法不能使用的场合下使用，它具有响应速度快，灵敏度 高，分辨率强，能够较好地实现对高温、微小、旋转、高速移动和腐蚀性较强等不可接 触目标的温度测量。非接触式一般从辐射学、光谱学和声学等方法着手，而且分别具有 基于声层析成像的温度场重建技术研究 适于特定情况的突出优点。 ( 1 ) 采用激光的光学测温方法 激光技术的出现和发展开辟了火焰温度测量的新领域，经过短短十几年时间取得了 令人瞩目的成就，先后开发成功多种火焰温度的激光光谱测量及诊断技术【9 】。但这些方 法具有测量装置复杂，需要附加外光源等共同点，限制了其在工业现场的应用。而且光 学测温窗口的开设容易受到燃烧介质的污染，使其难于在现场实旌。 ( 2 ) 红外发射一吸收c t 法 该方法采用c t 技术实现温度测量。c t 技术是基于投影重建的原理，它不仅已在 医学领域得到了广泛应用，而且在工业诊断中也发挥了极大的作用。利用光学c t 方法 测量火焰温度分布，被测量可以是介质折射率，也可以是辐射强度。利用介质的发射、 吸收特性与温度的关系进行温度测量是一种较为普遍的方法。考虑到水分、气态燃烧产 物的辐射和吸收区，测量的光谱波段常选择红外区。因此该方法被称红外发射一吸收 c t 法。由于该方法工艺复杂、制造困难，成本高，加上使用中存在的诸如考虑辐射率 的修正、光路中的吸收、光学系统的沾染等问题，在我国还没有得到推广应用。 ( 3 ) 基于数字图像处理的炉膛火焰检测 在火焰电视得到广泛应用的同时，也暴露出一些缺点。它一般仅通过判断火焰颜色 和亮度来保证燃烧火焰不熄灭，不能作为定量判断依据，也不能连入自动控制系统。近 年来随着计算机技术特别是多媒体技术的发展，使c c d 摄像机输出的视频信号能够转 化为计算机可以处理的数字化图像，意味着原先定性的火焰图像信号可以进行定量分析 了【埘。这样就为火焰的后续分析和自动监控提供了可能。 采用内窥式风冷c c d 摄像头，存在以下问题： 1 ) 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修。 2 ) 分辨率不高而产生的“偷看”现象。 3 ) 小视角的检测镜头难于随时对准漂移的火焰区等。 ( 4 ) 辐射测温方法 全辐射体( 黑体) 的辐射出射度与其温度有单值函数关系，因此测量全辐射体的辐 射出射度就可知道其温度。辐射测温的原理是来自于辐射能量分布的p l a n c k 辐射定律 沈阳工业大学硕士学位论文 【1 1 1 。利用p 1 a i l c k 定律，针对不同的测量对象，开发了单色法，双色法，比色法和多色 法等测温技术。辐射测温需要知道测量对象的黑度系数，对于介质吸收性较强的燃烧系 统，黑度系数较难确定，降低了测量的精确度。 ( 5 ) 声波法 声波法利用声波在气体介质中传播时与气体温度作用引起的速率变化来求解温度 或温度场1 1 2 n 1 。采用声层析成像技术检测某一层面的温度分布只需要在此层面周围安装 若干只( 例如1 6 只) 声发射器，接收器( 收发二合一的换能器) 按照设定的程序，在 一个检测周期内顺序启闭各声发射器，接收器，通过测量声波沿各声波路径的飞行时间， 获得各声波路径上的温度信息，经重建算法及重建计算机便可重建出该层面上的二维温 度分布。声速法作为新兴测温技术，具有不受辐射影响、测量精度高、实时监测等优点。 1 4 声层析成像温度场检测技术国内外应用和研究现状 声层析成像温度场检测是一个新的研究领域。由于其具有测温原理简单、非接触、 在线测量、测温范围广( o 一1 9 0 0 ) 、测量精度高等优点，因此近年来不断受到各国学 者、工程技术人员的关注1 1 4 1 。 声学c t 温度场检测技术是计算机层析( 断层) 成像技术在温度场在线检测中的典 型应用。声学c t 中的投影数据是声波在气相介质中的飞行时间，声波在两声波接收器 之间的飞行时间可通过实测得到，所以是己知投影数据求的典型的逆问题。 早在1 8 7 3 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。直到上世纪七十年代初期，声学测温技术才作为一门新兴的科学技术正式被提出。 随着电子技术和计算机技术的发展，声学测温技术由于其自身具有的优越性能，8 0 年代 中期以来不断受到各国学者及工程技术人员的关注 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旧 日本g i f u 大学的w a k a i 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i 垌 5 一 基于声层析成像的温度场重建技术研究 美国n e v a d a 大学的j o l l l la e p p e 在前人的基础上基本完善了声学测温的理论， 1 9 8 9 年推出了他的专著e n 垂n e 喇n g a p p l i c a t i o n so f a c o u s t i c s ，可以说是奠定了声学测温 的基石。以此为技术支持，美国内华达州的s e i 公司，开发和研制了一种命名为 b i o i e 刑a t c h 的系列产品，用来监测大型火力发电厂的锅炉温度场分布【1 7 t 堋。 位于英国德贝郡的c o d e l 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公司) ，与谢菲尔德大学合作，1 9 9 9 年也成功推出了名为 p y m s o n i ci i 的声学测温装置并投放市场。 德国u n i v e r s i t yo fs a 盯l 柚d ，加拿大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。 到了九十年代初期，国外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 业的热力过程温度场监测中。声层析成像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。 面在我国，基于声层析成像技术的研究起步较晚。直到上世纪末，才出现关于声学 测温技术的文献，但大多是对国外研究的简单介绍和报道，具体的相关研究和资料很少。 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与世界先进 水平的差距。 1 5 课题的主要内容及任务 1 5 1 课题的主要内容 声层析成像的温度场检测系统包括下位机和上位机两个部分，其系统框图如图1 1 所示。下位机主要包括声源、传声器、放大器、数据采集电路等等，其主要功能是采集 声波信号在被测介质中的飞行时间即获得温度场重建所需要的投影数据。上位机主要是 计算机以及相应的温度场重建软件，其主要功能是利用一定的重建算法把下位机采集的 投影数据转换成温度场分布。 6 沈阳工业大学硕士学位论文 图1 1 声层析成像温度场系统结构框图 f i 昏1 1 珊u s r a t i o no fa c o u s t i ct o m 呼p h yl e m p e n t i i mf i c l ds y s t e m 本文完成的是上位机部分的设计，着重研究温度场的图像重建算法。温度场测量的 最终目的是实现被测温度场的可视化，进而实现对温度状态的检测和控制，而实现被测 温度场的可视化，必须通过温度场重建算法解决。如何在较少的测量数据条件下，重建 出满足精度要求的被测温度场，是温度场重建算法必须解决的问题。过多的声发射器 接收器不但降低温度场重建速度，难以满足温度场实时测量的要求，而且增加成本，给 现场安装造成困难【撺l 。因此，用较少的声发射器，接收器实现较高精度的温度场重建， 是温度场重建算法研究中追求的目标，也是温度场测量的要求所决定的。 1 5 2 课题的任务 课题的主要任务包括： ( 1 ) 阐述声层析成像温度场检测技术的基本原理，介绍工业炉温度场检测技术的现 状。 ( 2 ) 研究已有的温度场重建算法：对已有的指数s v d 方法温度场重建算法进行理论 分析和仿真实验研究。 基于卢层析成像的温度场重建技术研究 ( 3 ) 提出声层析成像新的温度场重建算法，并研究声传感器数目、传感器位置分布 和被测温度场区域网格划分及被测温度场复杂程度对温度场重建算法重建精度的影响。 ( 4 ) 研究声波路径的弯曲效应对温度场重建精度的影响，对考虑声波路径“弯曲效 应”的温度场重建进行计算机仿真研究。 ( 5 ) 设计声层析成像温度场检测仿真研究软件包：根据实际情况，设计菜单和子菜 单，对仿真所需要的参数进行选择性或输入性设置。这些设置主要有： 1 ) 被测区域的长宽尺寸； 。 2 ) 对被测区域进行网格划分的像素数目； 3 ) 传感器数目和传感器的位置分布； 4 ) 温度场模型类型设置： 5 ) 温度场重建算法选择以及是否考虑弯曲效应重建温度场。 ( 6 ) 为声层析成像温度场检测系统提供算法程序，实现温度场重建算法与温度场数 据采集系统联调。 ( 7 ) 进行实验室温度场重建实验，采用指数s v d 及所研究的温度场重建新算法重建 出被测温度场的等温线图。 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 声学温度场测量的基本理论 2 1 声速与温度的关系 声学测温原理是：声波在气体混合物内的传播速度是该气体绝对温度的第一函数， 同时也与气体的组分及相对含量有关【2 0 - 2 ”。在大多数应用条件下，气体组分和它们的相 对含量是已知的而且在很小范围内变化。声速与温度的关系可用式2 1 来表裂2 2 j ： c 。，罂：z 厅 ( 2 1 ) 扣百“州 喵j 其中：c 为声音在气体介质中的传播速度，单位m s ：，为气体介质定压比热容与定 容比热容之比值，无量纲量：r 为气体常数，8 3 1 4 j ( m o l k ) ；丁为绝对温度，单位k ；m 为气体分子量，单位k g ，m 0 1 对于给定的气体混合物，z 一罟为一常数，对烟道混合 气体为1 9 0 8 ，对空气为2 0 0 5 。 2 2 声波飞行时间的测量 应用声学测温方法时，声波发射装置发出的声波信号与接收端接收到的声波信号之 闻有一定的时间延迟，若已知声波发射装置和接收装置之问的距离d ，只需测量出声波 从发射装置传播到接收装置所需时间f ，就可以计算出声波的平均速度c 从而利用式 2 1 算出气体介质的温度一2 3 。为算得气体温度，可将式2 1 写成式2 2 ： r 一( 去) 2 2 7 3 1 6 ( 2 2 ) 其中，r 为被测温度，单位。声波信号在传播中会有一定的衰减，同时也会受到 各种噪声、干扰的影响，因此需要有效的信号处理方法来确定声波从发射装置传播到接 收装置所需时间即两信号之间的时延。 时问延迟估计是近2 0 年来信号处理学科发展出来的一个新分支。声波在两个声发 射器接收器问的飞行时间测量可看成是同源信号到达不同位置点所对应的时延估计。 互相关是最基本的时阃延迟估计方法，具有较强的抑制噪声的能力1 2 5 1 。测量声波在两个 声发射器接收器之间的飞行时间时，可先对发射端和接收端的声波信号进行采样，然后 基于声层析成像的温度场重建技术研究 对得到的离散信号进行互相关函数计算，互相关函数取得最大值的延迟时间即为声波的 传播时间。 2 3 由多条测温路径确定被测区域典型层面温度分布 对温度分布分辨率要求较高的情况下，要在被测区域的典型层面四周安装若干个声 发射器，接收器，以期得到较多数目的声波飞行路径。声波路径应尽可能地均匀覆盖该层 面【圳。被测区域横截面四周所安装声发射器，接收器的数目不同，得到的声波飞行路径 数目当然也不同。一般来说，同等条件下，声波飞行路径越多即获得的投影数据越多， 重建出的温度场精度越高。但是由于机械安装和热能等方面的原因在被测区域横截面四 周安装过多数目的声发射器接收器又是不可行的。 由于一次只能操作一对收发器，所以每个测温路径都要排序，在一个测量循环中， 收发器既充当发射器，又充当接收器。按设定的程序，在一个检测周期内，顺序启闭各 个声波收发器，通过测量声波沿每一条声波路径的飞行时间，得到若干组声波飞行时闻 值。在实际应用中，只要已知声发射器，接收器的位置以及被测区域气体介质的气体常数， 就可以通过一定的温度场重建算法对区域内多条路径的飞行时间进行处理，根据速度与 温度的关系，求出二维温度场z 协) ，) 分布。 通常，在典型层面( 例如边长为1 0 m 的正方形) 四周安装8 个或1 6 个声发射器 接收器。若安装8 个声发射器接收器，则共有2 4 条独立的有效声波发射一接收路径( 除 去本身及同侧接收单元) ，如图2 1 所示；若安装1 6 个声发射器接收器，则共有9 6 条 独立的有效声波发射一接收路径( 除去本身及同侧接收单元) ，如图2 2 所示。 2 4 声学测温技术的应用 声学测温技术的应用非常广泛地涉及到许多领域。例如，声学法大气海洋的温度分 布情况测量，声学高温计测量高温工业炉中温度场的分布等。在工业高温炉膛中，声学 测温技术具有连续监测炉内烟气温度在时间和空间上的变化的能力，锅炉运行人员利用 这些信息可达到以下目的【韧： ( 1 ) 根据炉内温度场实时监测的结果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，减少水冷壁的应力和磨损，改善水循环。 l o 沈阡 。l = 业大学硕士学位论文 ( 2 ) 通过实时监测炉膛燃烧器区域附近的烟气温度，能够帮助识别和消除燃烧器故 障导致的燃烧工况异常。 ( 3 ) 通过实时监测炉内烟气温度和火焰分布。调整和优化风、煤比或多种燃料成分 的分配比例，可以提高燃烧的经济性。 ( 4 ) 现代的燃烧理论认为减小火焰峰值温度，可以在燃烧后期阶段降低n o x 生成 量。根据实时的锅炉出口烟气温度分布，运行人员可以通过选择燃烧器和调节空气量控 制燃烧过程，得到合适的锅炉出口温度从而降低n o x 的排放。 5 0 5 o5 蜘 图2 18 个声波发射器接收器对称分布对应的2 4 条声波路径分布图 f i 昌2 18 u n d 朋1 i n e 删h i v e 巧s y 删m e 嫡c a ld i s t r i b u t i n g 姐dt h e2 4 d 、唧p a t h s 5 要o 藩萄脯胤良 瓣糕錾 、燃搽交 獭蒸霾 飞琏妻鲻隧 纩 5 o 5 咖 图2 21 6 个声波发射器接收器对称分布对应的9 6 条声波路径分布图 h g 2 21 6 u n de m i t t e r 啪c c e i v e 体s y 栅e 啊c a ld i s t r i b u t i n ga 耳l dt h c9 6 u n d w a v ep a i i l s 基于声层析成像的温度场重建技术研究 2 5 声学测温存在的问题 声学测温技术在不同应用领域中存在的问题包括： ( 1 ) 被测区域气体介质组成成分体积百分比变化导致式2 1 中气体常数z 的变化带 来的温度场重建误差。例如工业炉中n o x 、c o 、c 0 2 等气体的组分在火焰燃烧的过程 中有一定的变化 ( 2 ) 路径距离d 的测量误差影响，由于温度和距离是成平方关系的，距离上下1 的误差会引起温度上下2 的误差，因此路径距离测量的准确度是很关键的，尤其是对 短距离的测量要求更高1 2 8 1 。 ( 3 ) 实际测量过程中，声波传播时间的测量误差会导致温度场重建精度的降低。 ( 4 ) 被测区域背景噪声的干扰。背景噪声使得声波信号频率成分更复杂，产生一定 的畸变，极大的影响了声学测量系统应用的可靠性。但是，最近在这方面有了一系列的 突破，选取合适的声波频率和互相关分析的方法很好的解决了这一问题。 ( 5 ) 重建算法本身的重建精度将直接影响声学测温的精度，所以应该努力提高重建 算法的精度。 ( 6 ) 声波折射问题 根据f c i m a t 定理：在多相介质中，射线沿两点问传播时间最短的路径前进。由于 被测区域内声音传播路径并不明确，将任意两个传感器间的直线作为声音的传播路径必 将给温度场的重建带来误差。重建被测温度场时考虑声波路径的弯曲效应后温度场的重 建精度会有一定的提高。 沈阳工业火学硕+ 学位论文 3 声学法温度场重建算法研究 温度场测量的最终目的是实现被测温度场的可视化，进而实现对温度状态的检测和 控制。而实现被测温度场的可视化，必须通过温度场重建算法解决。如何在较少的测量 数据条件下，重建出满足精度要求的被测温度场，是温度场重建算法必须解决的问题。 过多的声发射器接收器不但降低温度场重建速度，而且增加成本，给现场安装造成困 难。因此，用较少的声发射器接收器实现较高精度的温度场重建是温度场重建算法研 究中追求的目标，也是温度场测量的要求所决定的。在声学法工业炉膛温度场重建中， 重建算法是实现温度场图像高精度重建的关键，各国学者做了大量工作，取得了一定的 经验和成果【2 9 。1 1 。 3 1 温度场重建算法的基本思想 温度场重建是逆问题，其正问题是已知被测区域的温度分布，利用温度与声速的函 数关系，以及各声发射器接收器的位置，求解声波在各声发射器接收器之间的飞行时 间；而逆问题是已知声波在各声发射器接收器之间的飞行时间( 系统实际测量值或计 算机仿真计算值) ，采用适当的重建算法求解声速分布，再利用声速与温度的关系重建 出被测区域的温度分布。逆问题一般来说比正问题难解的多，为得到逆问题的有用解经 常需要一些额外的先验知识以及对解的一些附加的约束条件。 温度场重建可分以下两步进行：一是正问题的模化，二是利用正向模型求解逆问题 即重建温度场。借助正问题求解逆问题便于引入先验知识或是对解施加约束条件。 3 2 指数s v d 温度场重建算法 该算法是由h e l i i l u ts i e l s c h o n 和w i l l yd e f i c h s 提出的【3 1 1 。 假设被测温度场函数为z 辑y ) ，用声学法重建某一典型层面上的温度场，需要有声 波在该层面介质中的传播速度函数，设声速的倒数为舷力，则声波沿任一路径的飞行时 间可以表示为： g ttc ，仁y ) 凼+ ，k ，t = 1 ， 0( 3 1 ) 这里以t 是系统噪声，是影响测量的各种误差的总和；既表示第七条声波路径；出表示 基丁卢层析成像的温度场重建技术研究 第七条声波路径的积分微元。缸是p t 路径上声波信号的飞行时间。给出飞行时间数据矢量 g 和声发射器接收器的位置，便可以用重建技术估计函数触) ，) ，应用式2 2 得到温度场 分布z 毽y ) 。 将重建区域分成以，个小区域，即划分成个像素，设第m 个像素( m = 1 ) 的中心点坐标为j ，m ) 。 重建图像是一个反问题，一般是病态的。病态的问题主要是由解的非单值性和不稳 定性引起的。为了求出问题的难一解，计算的第一步是离散化函数触y ) 为有限项基函数 的线性组合，即将，_ ) ，) 表示为： 。 ，( x ，y ) 一p 。妒，( 工，y ) ( 3 2 ) 其中厶为待定系数，这里取埸= 1 ，( l y ) 为指数型基函数，如式3 3 所示： 0 ，y ) = e 一8 抠一) z + ( 一户 ( 3 3 ) 选择8 = o 0 0 8 。为了得到系统方程式中的系数厶，合并式3 1 ，式3 2 。式3 3 得到： 其中： l o ，_ ) ，灿 j = l ，以 ( 3 4 ) 定义：4 - ( 4 h ) t 1 ，以一叱j ，窖一( g ，g n ) 7e - ( ，f 虬) 7 再_ ( ，n 2 ，席儿) 7 则问题变成求解式3 5 所示的线性方程组问题： g = l f + 开 如果忽略噪声，式3 5 变为： g2 彳f ( 3 5 ) ( 3 6 ) 由于系数矩阵4 是病态的，所以要