基于互相关和函数型神经网络测量声波渡越时间

　　0　引言

　　温度场检测在工业燃烧或加热过程中具有重要意义,如对电站锅炉炉膛火焰温度和烟气温度的测量等。声层析成像温度场检测技术是在近年来发展较快的一种新型测温技术。和传统测温方法相比,声学测温可以实现非接触式测量,测量温度范围宽(从室温到1 900℃左右),测量对象空间范围大(可达数十m),它还具有精度高,实时测量,维护方便等优点[1-2],目前,利用声学方法进行锅炉运行状态监测的研究己经成为一个新的研究领域,并且在炉内温度场监测技术方面取得了许多成功的应用[3-5]。另外,利用声学测温方法在仓储粮食温度测量方面也取得了一定的进展[6]。

　　声学法测温的关键是声波渡越时间的精确测量,这里主要介绍声学测温方法的基本理论和互相关测量原理,并对基于互相关和函数型神经网络的声波渡越时间测量法进行了研究。

　　1　声学测温和互相关测量的基本原理

　　1. 1　声学测温的基本原理

　　声学测温方法的基本原理是:声波在气体介质中的传播速度是该气体组分和绝对温度的函数,其函数关系可表示为[1]:

    式中: c为声音在介质中的传播速度,m /s;k为气体的绝热指数,等于定压比热与定容比热之比,与气体成分和状态有关;R为气体常数,R=Rm/M;Rm为通用气体常数,数值为8 314_·3 J/(kmol·K);M为气体的平均千摩尔质量, kg/kmo;lT为气体的热力学温度,K.

　　若声波是在气体介质中无障碍地传播,且发射端与接收端的距离L为已知,则通过测量声波在发射器和接收器之间的渡越时间τ,就可以确定声波在传播路径上的平均速度:

　　这时,该条路径上的平均温度(℃)可以表示成声波渡越时间的函数:

　　由上面的分析可知,采用声学法测量气体温度需要确定以下基本物理量:声波发射器和接收器之间的距离L;被测气体的组成成分、状态参量,以便确定气体的绝热指数和气体常数;声波在发射器和接收器之间的渡越时间τ。在确定以上基本物理量后,就可以测量单一路径上气体介质的平均温度。

　　1. 2　互相关测量原理

　　声速的测量需要一个发声装置和一个声波接收装置,只要测量出声波从发声装置传播到接收装置所需的时间,并且测量出两者之间的距离,就可以计算两者之间的平均声速。因此,声速测量的主要问题是如何得到声波从声源到信号接收装置之间的传播时间。

　　估计同源信号由于传输距离的不同所引起的时延有很多方法,互相关是最基本也是最有效的方法之一,它具有较强的噪声抑制能力,对恶劣环境适应能力强[7]。如果声源发出的信号为x(t),而声波接收装置接收到的信号为y(t),则两路信号的互相关函数R_xy(τ)可由式(4)计算得出: