基于互相关技术的声波飞行时间测量系统的设计与实现

    利用声学方法进行燃煤锅炉炉膛火焰检测,不断受到各国学者关注,而声波飞行时间的测量是实现温度场测量的关键,本文研制了基于声波飞行时间测量系统,并进行了实验研究。

    1 声学测温原理

    声学法气体测温的基本原理是基于气体介质中声波的传播速度是该气体介质温度的函数

c = (kRT/M)1/2(1)

    其中 c为声音在气体介质中的传播速度,m/s;k为气体介质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,其中Rm为通用气体常数,其值为8314.3J/mo.l K;

    M为气体的平均千摩尔质量,kg/kmol;T气体的热力学温度,K。

    如果两个麦克接收器之间的距离L是已知的,则可通过测量两个接收器之间声波的飞行时间S来确定声波传播路径上气体介质的平均速度:

c =L/S(2)

    由式(1)(2)可得声波路径上气体的平均温度为:

    T =L2/BS2(3)

    式中 L为两麦克接收器间的距离,m;

    S为两麦克接收器间声波的飞行时间,ms;

    T为测量路径上气体的平均温度,K;

    B =kR /M,m2/s2k,对某种特定气体为一常数,对烟道混合气体为19.08。

    通过测量两个麦克接收器之间的声波飞行时间S,根据(3)式便可求出声波传播路径上气体介质的平均温度T。声波飞行时间的测量是实现温度测量的关键。为此本文设计了基于互相关处理技术的声波飞行时间的测量系统。

    2 测量装置的软、硬件设计

    系统由声波信号发生器、麦克接收器、前置放大器、下位机、上位机及上下位机的通信等组成。

    2. 1 硬件设计

    系统的硬件部分如图2(a)所示。由单片机编程产生伪随机序列,通过12位D/A数模转换器输出,使用TDA1904放大器进行信号放大,驱动喇叭发声。麦克接收器采集信号,经放大器放大后,由单片机自带的A/D转换器转换为数字信号。信号处理部分则对数据采集结果进行存贮和互相关处理,计算出声波路径上的飞行时间。

    2. 2 软件设计

    系统软件部分由数据采集与存储、数据处理与分析计算两个模块构成,下位机程序是对单片机C8051F020编程,上位机程序一律用VC6. 0编写。软件系统框图如图1(b)所示。可以通过修改各个参数,进行不同的采样、存储和相关计算。

    2. 2. 1 数据采集与存储

    麦克接受器接收到的声波信号经过麦克放大器放大以后,送到单片机C8051F020中,通过单片机内部自带的A/D转换器,进行模数转换,将电信号转换为数字信号,并通过串口上传到计算机存储到数组里做进一步处理。整个过程是通过对单片机编程实现。采用单片机C8051F020内部自带的A/D模数转换器,定时对两个麦克接收器分别进行采样。采样前,需先在单片机的采样程序设置采样频率、采样点数、采样通道以及与上位机通信时所使用的波特率等参数。采样是由单片机内部的定时器3溢出产生中断,在中断服务程序内部通过ADC进行采样。采样程先是对距离声源较近的麦克接收器进行采样,由定时器3溢出触发,采完一个值并保存后接着由定时器3的第二次溢出触发第二次采样,采集另一个麦克接收器接收的信号,依次循环采样,直到达到先前所设定的采样点数。