溫度場聲學測量方法與技術的文獻綜述 16頁

1、溫度場聲學測量方法與技術文獻綜述一、溫度測量的意義及現(xiàn)狀人類自誕生之日起就不得不與“冷、熱”打交道，并在長期的生產實踐過程中，逐步建立起了“溫度”的概念。為了保障生產、適應生存和不斷提高生活質量，人類對“溫度”的實質和定量測量的研究從未間斷過。經(jīng)過克勞修斯和開爾文等一大批科學家的努力，該問題在一定時期得到了較好的解決，并被全世界所公認。然而，隨著人類的發(fā)展和社會的飛速進步，人們發(fā)現(xiàn)，不僅“溫度”與我們的關系越來越密切，而且關于“溫度的實質和定量測量”等問題遠沒有得到最終解決。為此，全世界無數(shù)的科學家都在此研究領域進行著不懈的努力，從而使得此方向一直是世界前沿研究領域之一，新的測試原理、方法和儀

2、器層出不窮。各種測溫方法都是基于物體的某些物理化學性質與溫度之間具有的一定的關系，例如物體的幾何尺寸、顏色、電導率、熱電勢和輻射強度等都與物體的溫度有關。當溫度不同時，以上這些參數(shù)中的一個或幾個隨之發(fā)生變化，測出這些參數(shù)的變化，就可間接地知道被測物體的溫度1-2。一般來說，溫度測量方法分為接觸測量法和非接觸測量法兩大類。用接觸式方法測溫時，感溫元件需要與被測介質直接接觸，液體膨脹式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計等均屬于此類。當用光學高溫計、輻射高溫汁、紅外測溫儀探測器測溫時，感溫元件不必與被測介質相接觸，故稱為非接觸式測溫方法3-7。接觸式測溫簡單、可靠、測量精度高，但由于達到熱平衡需要一

3、定時間，因而會產生測溫的滯后現(xiàn)象。此外，感溫元件往往會破壞被測對象的溫度場，并有可能受到被測介質的腐蝕8。與接觸式溫度測量技術相比，現(xiàn)代測溫技術多為非接觸式，對傳感器耐熱性能無特殊要求，避免了傳感器和被測目標的相互干擾，測溫范圍大，無熱慣性，響應速度較快，可以測量微小目標的溫度，滿足眾多場合對溫度測量范圍和精度的要求9-14。接觸法與非接觸法測溫特性詳見表1，常用溫度計的種類及特性詳見表2。表1 接觸法與非接觸法測溫特性 接觸法非接觸法特 點測量熱容量小的物體有困難；測量移動物體有困難；可測量任何部位的溫度；便于多點集中測量和自動控制不改變被測介質溫度場，可測量移動物件的溫度，通常測

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

5、屬溫度計-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 力液體壓力溫度計蒸汽壓力溫度計-30600-20350-30600-203500.550.55可非中中適合便宜電 阻鉑電阻溫度計熱敏電阻溫度計-2601000-50350-260961-503500.0150.35良非中快適合貴中熱電動勢熱電溫度計BS·R01800016000160001300481.55可可快適合熱電動勢NKEJT01300-2001200-200800-200800-20035001200-1801000-180700-18

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

7、的重點和難點15，而良好的氣流組織則需要合理、均勻的溫度場分布，能否有一個科學合理的溫度場分布，直接決定著氣流組織、空調和采暖設計，對節(jié)約能源、保護環(huán)境、提高生產和生活質量都是至關重要的，有必要把握室內溫度場的分布特征16-19。再如，海洋的變化對世界氣候及人類活動有著巨大的影響，而海洋的變化在很大程度上反映在其內部溫度場的變化上20-25。因而，對海洋內部溫度場進行長時間、大面積的監(jiān)測，對了解海水運動的變化規(guī)律，進而開發(fā)和利用海洋26-28；準確進行中、長期天氣預報；以及推算地球的氣候變化，進而研究地球的溫室效應等都具有十分重要的現(xiàn)實意義15 29。另外，對各種燃燒和加熱設備中火焰和煙氣溫度

8、場、氣體和液體儲罐內部溫度場、以及大氣溫度場等的實時在線檢測，對安全生產、減少污染、提高能源利用率等也變得越來越緊迫和急需30-33。然而，溫度場的測量又是一個十分復雜的問題，雖然采用“溫度計”進行逐點測量的方法可以在一定程度上解決一些實際問題，但在大多數(shù)場合采用這種方法測量溫度場卻是極不現(xiàn)實的，甚至是根本行不通的。因此簡便、快捷的溫度場測量方法、技術和設備的研究已經(jīng)成為目前一個十分活躍的研究領域34。三、鍋爐火焰溫度場測量的重要性所謂“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），將工質加熱到一定參數(shù)（溫度和壓力）的設備。按用途可分為“動力鍋爐”

9、和“工業(yè)鍋爐”兩種，按燃料和能源分，主要有“燃煤鍋爐”、“燃氣鍋爐”、“燃油鍋爐”和“余熱鍋爐”；對工業(yè)鍋爐來說，按輸出工質又可分為“蒸汽鍋爐”和“熱水鍋爐”，對燃煤鍋爐來說，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“燃煤、燃氣、燃油”等工業(yè)鍋爐而開展的一項基礎性研究工作。工業(yè)鍋爐用量大、使用范圍廣，但存在兩個技術問題：一個是鍋爐熱效率低，平均熱效率為60%左右，比國家工業(yè)鍋爐通用技術條件中規(guī)定低10%左右，比國外低20%左右；另一個是煙塵排放量高，每年向大氣排放煙塵800多萬噸，一氧化碳1.64億噸，灰渣8700多萬噸，直接惡化城區(qū)空氣質量36。因此，節(jié)約能源

10、，提高工業(yè)鍋爐的熱效率，保護環(huán)境，降低工業(yè)鍋爐煙塵對大氣環(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，及時了解和掌握鍋爐的運行狀況，及時調節(jié)鍋爐的運行參數(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十幾個，主要用于對鍋爐各處溫度進行實時監(jiān)測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，但歸根結底是由燃料的燃燒程度所決定的。要想及時了解、掌握和調節(jié)燃料的燃燒狀況，就必須對鍋爐爐膛火焰溫度場進行準確、在線檢測42-43。但由于鍋爐爐膛火焰的溫度太高，無法用接觸式的溫度計直接測量，更無法實現(xiàn)接觸式的溫度場在線測量（因此，在“規(guī)程”上也無法對此作出明確要求

11、）。因此，如何實現(xiàn)“鍋爐火焰溫度場的準確、在線測量”是十分必要和緊迫的，不僅可以有效地節(jié)約能源、保護環(huán)境、提高設備的運行效率，還是使設備時刻處于最佳運行狀態(tài)的重要前提，可以大大降低事故的發(fā)生率44。當然此項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)的做法是測量煙氣的溫度，反過來通過推算而實現(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，不可能做到全面和準確。為此，長期以來，人們對此問題開展了大量的研究工作，先后研制成功了“抽汽式高溫熱電偶”、“輻射高溫計”、“熱成像儀”、“光學層析電視”等方法、技術和儀器45，但由于工業(yè)燃燒過程自身具有瞬態(tài)變化、隨機湍流、設備尺寸龐大、環(huán)

12、境惡劣等特征，使得上述方法和儀器在實際使用過程中存在很多難以克服的問題和困難46?？上驳氖?，近年來提出的“聲學測量方法”有望使此問題獲得較圓滿的解決47-50。四、溫度場聲學測量的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢如前所述，盡管人們對“鍋爐火焰溫度場的準確、在線測量” 開展了大量的研究工作，也研制出一些方法、技術和儀器，但由于各種原因，到目前為止，此問題遠未得到較好的解決。由于用聲學法測量溫度場，具有測量精度相對較高、測溫范圍寬、測量空間大、非接觸、實時連續(xù)和操作、維護方便等顯著優(yōu)點，日益受到重視和采用，已成為目前國內外研究的熱點51-53。將此方法應用于“鍋爐火焰溫度場的測量”，有望使此問題獲得較圓滿的解決

13、54-56。國內外在此方向也開展了較廣泛的研究工作，取得了許多有益的成果，現(xiàn)簡述如下：1溫度場聲學測量方法的發(fā)展歷史聲學測溫的基本原理是依據(jù)聲波傳播速度與介質溫度之間存在單值的函數(shù)關系。早在1687年牛頓（Sir Isaac Newton）就推導出了聲學測溫的原理公式，1817年由拉普拉斯進行了修正和完善57，并于130年以前，由聲學家Mayer等進行了實驗驗證。然而，聲學測溫技術的研究和應用卻是在近50年來才逐步展開的。直到上世紀七十年代初期，聲學測溫才作為一門新興的科學技術正式被提出。在1955年，Herick A L等人提出了用測量聲速的方法來測定氣體溫度的建議58。隨后的幾十年里，各國

14、的科學工作者和工程技術人員對聲學測溫的技術、裝置以及應用開展了廣泛的研究。早期的研究主要集中在對聲學溫度計的開發(fā)上，包括氣溫計、低溫聲學溫度計、共振式石英溫度計、超聲溫度計等59-60。而進入20世紀80年代中期以后，隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，各國學者及工程技術人員則開始了對溫度場的聲學測量方法的研究，開展了一系列的研究與試驗工作，并取得了一定的進展。 2聲學測溫的國外研究現(xiàn)狀1983年，英國中央電力產業(yè)局(Central Electricity Generating Board，CEGB)的S.F.Green第一次提出將聲學測溫技術應用于鍋爐爐膛的溫度分布測量，標志著這項新技術的誕生，

15、引來了全世界的關注61-63。1987年，日本東京電力技術研究所的伊騰文夫和三菱重工長崎研究所的坂井正康對燃煤鍋爐中聲波的衰減特性等進行了基礎研究，認為12kHz頻率的聲波是聲學高溫計的適用頻率64。1988年7月，在美國電力研究院(Electric Power Research Institute，EPRI)的資助下，礦業(yè)能源研究公司(Fossil Energy Research Corp)會同英國中央電力產業(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號機組上，布置了聲學測點，對利用聲學方法測量

16、爐內煙氣溫度的可行性進行了為期兩周的實驗。1989年，L.J.Muzio等通過上述實驗，對聲學高溫計首次作了獨立評價，表明其比傳統(tǒng)的高溫煙氣測量有明顯的優(yōu)點，不僅可用于運行診斷，并可作為開發(fā)性研究的工具65。1989年，美國內華達大學電力工程系J.A.Kleppe在前人的基礎上對聲學測高溫技術進行了系統(tǒng)的總結，完善了聲學測溫系統(tǒng)的原理和結構組成66。但是，限于當時聲學技術、微處理器、信號分析、圖像重建等技術水平的限制，現(xiàn)在看來一些知識已經(jīng)過時，但為后來的理論研究提供了指導，意義重大67。1993年，德國RWE能源股份公司的Willy Derichs通過電站現(xiàn)場實驗，初步歸納了爐內溫度分布與燃燒

17、器布置、再循環(huán)煙氣流量、二次風、鍋爐負荷、吹灰、結渣積灰和氮氧化物的關系，對聲學測溫用于監(jiān)測鍋爐安全運行打下基礎68。1995年，明斯特大學的Helmut Sielschott在collocation method方法基礎上首次提出了加入先驗信息的重建算法69。1996年，意大利國家研究委員會(Italian National Research Council，CNR)的Mauro Bramanti等進行了聲學高溫計系統(tǒng)用于電站鍋爐內的層析法熱成像研究，分別利用模擬和實際測量實驗的數(shù)據(jù)得到了差強人意的重建結果70，實際數(shù)據(jù)來自意大利國家電力公司(Italian National Electri

18、city Board，ENEL)，在撒丁島Santa Gilla鎮(zhèn)的一個電站實驗。雖然仿真重建結果和實際數(shù)據(jù)一定程度上相吻合，但是在現(xiàn)有鍋爐上安裝的測點數(shù)量和位置受到了熱力條件和機械條件的限制。因此，為了得到更好的結果，他們建議針對聲波測溫系統(tǒng)的安裝，在鍋爐制造時考慮相應的設計。1996年，J.A.Kleppe首次提出了將數(shù)字信號處理引入到聲學測溫中來，這對聲學測溫精度的提高具有重要意義71。1998年，英國謝菲爾德大學的K.J.Young提出了聲學測溫在燃燒煙氣中的誤差分析72，認為燃料的碳氫比、過量空氣系數(shù)等對聲學測溫的影響可以用修正因子加以調整，并且總測量誤差不超過2。1999年，英國C

19、ODEL公司宣布推出新一代鍋爐聲學測溫產品PyroSonic II。2000年，日本岐阜大學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內傳播的折射問題是不容忽視的，即存在聲波的“彎曲效應”73。他們在計算機上利用最小二乘法及迭代方法進行了溫度場重建的仿真。結果表明，該算法一定程度上可以消除或彌補聲波折射的影響，使得聲學測溫的準確性和精度得到進一步的提高。2000年，美國燃燒專家有限公司(Combustion Specialists，Inc)的GeorgeKychakoff提出了聲學測溫在燃燒控制和尾氣排放控制中的應用74。2001年，德國Budi公司的H.P.Drescher，M.

20、Deuster提出了利用聲學測溫獲得的溫度場分布來定義一個溫度場的非均勻指數(shù)，可望將之作為調整燃燒的重要參數(shù)，但是實現(xiàn)一個閉環(huán)控制還需進一步研究75。2005年，George Kychakoff提出了聲學測溫在水泥制造工業(yè)中應用，并對聲學測溫系統(tǒng)的發(fā)展作了回顧，對未來聲學測溫技術的發(fā)展充滿信心76。目前，以美國SEI（Scientific Engineering Instruments）公司的產品最具有代表性，它開發(fā)和研制的名為BOILER WATCH的爐膛溫度檢測系統(tǒng)77，可用來監(jiān)測大型火力發(fā)電廠的鍋爐溫度場分布，在不少電廠做了大量試驗，取得了很滿意的數(shù)據(jù)和結果。3聲學測溫的國內研究現(xiàn)狀國內

21、對于聲學測溫技術的研究起步較晚，直到上世紀末，在國內文獻中才見到聲學測溫技術的報道。1990年，馮鳴翻譯了Power Engineering1989年11月份L.J.Muzio的一篇文章78，這是國內最早的一份報道，國內從事電力行業(yè)的人士開始了解到了電站鍋爐中聲學測溫這一新技術。遺憾的是在后面的10年左右的時間中，并沒有得到國內同行的關注。1999年，廣東省電力試驗研究所的曾庭華等將聲學測溫法和基于圖像處理的溫度場測量法作了比較和討論79，認為非接觸式測溫比傳統(tǒng)測溫方法具有較大優(yōu)勢，但其技術的發(fā)展和成熟仍需時日。1999年，東北大學的邵富群等在國內最早成立課題組，正式研究聲學測溫，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)展開法對重建算法進行了仿真，發(fā)現(xiàn)等溫線與爐墻正交現(xiàn)象嚴重，結果并不令人滿意80。2000年，吉林省電力科學研究院的黃慶康對國外開發(fā)的聲學爐內溫度場實時監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)硬件和軟件構成、應用等作了較為詳細的報道，對國內從事相關研究的人員提供借鑒81。2001年開始至今，東北大學的田豐等主要針對聲學測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)展開法等，并對重建過程中的迭代和正則化作了嘗試，取得了較為滿意的結果82-84。2003年至今，華北電力大學的安連鎖、姜根山等對聲學測溫的研究現(xiàn)狀和關鍵技術進行了總結，提出了

23、今后的研究重點，并在接下來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重建算法85-86，建立了溫度梯度場中聲線傳播路徑的數(shù)學模型，提出了基于級數(shù)展開法的聲學CT重建算法87，提出了基于高階累計量分析的聲波飛渡時間測量等88，仿真實驗和現(xiàn)場冷態(tài)實驗的結果較好。2004年至今，大慶石油學院王明吉教授的研究小組對溫度場聲學測量方法的機理進行了研究，并對溫度梯度場引起的聲線“彎曲效應”對測量結果的影響、聲線追蹤和三維溫度場反演問題進行了一定的研究和探討89。4發(fā)展趨勢從上述國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展歷程可以看出，溫度場聲學測量方法和技術尚處于方興未艾的發(fā)展階段，有許多問題需要深入研究和進一步解

24、決。在國外，此項工作起步較早，研究的也較廣泛和深入，在爐膛、體育場等場所開展了大量的實驗和具體應用，取得了許多有價值的數(shù)據(jù)和成果，甚至研制出少量的實用系統(tǒng)和產品。在國內，此項工作起步較晚，基本上是2000年以后的事情。研究工作集中在少數(shù)幾個高等學校之中，主要研究內容也局限于理論、算法、仿真和聲線追蹤等基礎研究方面，不僅尚未開發(fā)出實用的檢測系統(tǒng)，而且就連有一定針對性和實用性的實驗系統(tǒng)也未見報道，也未引進國外有關的系統(tǒng)和產品，與國外相比具有很大的差距，必須加快研究和開發(fā)步伐，以便迎頭趕上。盡管與國際相比，我國在此領域的研究和開發(fā)工作尚有很大差距，需要開展許多國外已經(jīng)開展過的工作，但從發(fā)展趨勢上看，

25、今后將致力于以下幾個方面的研究工作：(1)快速、高效、實用的溫度場聲學測量重建算法的研究，這將是一個永無止境的課題。(2)針對不同邊界形狀溫度場的傳感器布置方式、數(shù)量以及溫度場空間區(qū)域劃分方式的優(yōu)化研究。(3)聲波信號的有效提取，以及聲波飛度時間準確測量的方法和技術研究。(4)能夠實現(xiàn)快速測量的實驗系統(tǒng)的研制，以及模擬測量實驗。(5)針對特定場所應用的實用、在線溫度場聲學監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)。(6)適應各種場所的聲發(fā)射/接收換能器的研制。五、溫度場聲學測量原理 1單路徑聲學測溫原理由聲學原理可知，當聲波在無限大、各向同性且均勻的氣體介質中傳播時，聲波的傳播速度與氣體的溫度存在如下的單值函數(shù)關系90-

26、91： （2-1）發(fā)射接收圖1 單路徑聲學測溫示意圖式中：C聲波在介質中的傳播速度，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氣體摩爾質量，kg/mol。對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。在實際應用中，可以在待測區(qū)域的兩側分別安裝聲波發(fā)射器和接受器，發(fā)射器發(fā)出一個聲波脈沖被接收器檢測到，通過測定聲波在二者間的飛渡時間，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、維溫度場的原理預較精確地測量某個平面區(qū)域的溫度分布，則應根據(jù)待測區(qū)域的幾何形狀，(a) 長方形邊界溫度場13條獨立聲波路徑(b) 圓形邊界溫度場9條獨立聲波路徑S1S2S3S4S5S6圖2 聲波換能器分布和測量路徑示意圖S1S2S3S4S5S6在其周圍布置多個聲波發(fā)射/接收換能器，以便產生大量的聲波傳播路徑。圖2(a)和(b)即是針對長方形邊界和圓形邊界溫度場聲波發(fā)射/接收換能器布置的示意圖93-94。在一個測量周期內，順序啟閉S1S6超聲換能器，測量出聲波沿每條不重復路徑的飛渡時間，從而得到若干組聲波飛渡時間值，將測得的聲波飛渡時間值代入重建算法，即可以得出待測二維溫度場溫度分布情況95-9

28、9 。3三維溫度場聲學測量原理眾所周知，燃燒火焰皆是三維的，要想全面了解火焰的溫度場分布，最好是能夠快速、準確、方便地實現(xiàn)三維溫度場的測量。然而，目前國內外對聲學測量溫度場的研究主要針對二維溫度場，關于三維溫度場的聲學測量方法，只有Johnson S A（1997年）100-101等少數(shù)學者進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，獨立傳播路徑很多，難以實現(xiàn)方便、快速測量。圖3 傳感器空間分布及測量區(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條獨立有效地聲發(fā)射-接收路徑（除去其自身和同側壁上的傳感器）。采用圖中所示的

29、空間區(qū)域劃分方式，這樣，即可將待測溫度場區(qū)域劃分成64個子溫區(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。在一個測量周期內，順序啟閉32只聲波發(fā)射/接收傳感器，測量出聲波沿每條不重復路徑的飛渡時間，從而得到若干組聲波飛渡時間值，將測得的聲波飛渡時間值代入重建算法，即可以得出待測三維溫度場溫度分布情況。本課題以工業(yè)鍋爐爐膛火焰溫度場為研究對象，研制一套模擬實驗系統(tǒng)，并在實驗室條件下實現(xiàn)（方形和圓形邊界）二維溫度場的可視化測量，并對三維溫度場的聲學測量方法進行必要的仿真研究。主要參考文獻1 應崇福超聲學M北京：科學出版社，1990(4)：136，2522532 MinamideA, Mizu

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