伪随机码超声扩频在声学测温中的应用研究

    0 引言

    在大型电站燃煤锅炉中，炉膛烟气温度是一个重要参数，其对锅炉的安全运行、优化燃烧、节约能耗等具有重要意义。但由于炉内的湍流、高温、腐蚀等复杂恶劣工况，传统的测温方法( 如热电偶) 很难满足长时间高温连续测量的要求。而辐射温度计，由于烟气、雾气等影响，很难实现精确测量。

    非接触式测量方法近年来得到了很大发展，其中声波测温技术与传统的测温方法相比，具有非接触测量、高准确性和实时监测的优点，因而正越来越广泛地被应用到工业生产中。其中超声波具有诸如非侵入性和更快响应时间的优势，在过去的几十年里，在热电偶辐射高温等常规手段无法满足要求的环境中，超声波测温逐渐演变为一种新的温度测量技术［1 －2］。

    在声学测温系统中，发射信号的选择和声波飞渡时间的测量对提高温度测量精度至关重要。燃烧噪声和吹灰器工作时的噪声对声学烟温测量系统可靠性的影响较大，为了提高测量精度和抗干扰性，将伪随机序列信号应用于超声波扩频测温系统，利用互相关分析方法对声波飞行时间测量进行了实验研究。

    1 声学测温原理

    声学测温是根据声波在介质中的传播速度间接得到介质的温度，由热力学的气体状态方程和声波波动方程可知，两者有如下的关系［3］:

    式中: c 为声波在介质中的传播速度，m/s; R 为理想气体普适常数，J/( mol·K) ; γ 为气体的绝热指数( 定压比热容与定容比热容之比值) ; T 为气体温度，K; m 为气体分子量，kg/ mol．

    由式( 1) 可以看出，介质温度对声速的影响是很大的。因此，通常声波测温技术是利用声波在介质中的速度计算出声波传播路径上的平均温度。

    2 伪随机码超声扩频原理

    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一种方法，具有较强的噪声抑制能力。两个函数 f1( t) 和 f2( t) 的互相关函数为:

    实际的互相关分析是对数据采集所获得的数字信号进行?的，如果 y( n) 和 x( n) 分别是发射端和接收端信号的数据采集序列，其互相关函数的离散表达式为

    式中: m 为采样点数; s 为 y( n) 与 x( n) 的相对延迟，为整数。

    采用快速傅里叶变换计算两个信号的互相关函数，即

Rxy( s) = F－ 1［{ F［x( n) ］}*·{ F［y( n + s) ］} ］ ( 4)

    则互相关函数取得最大值的延迟时间 τ 即为声波的飞渡时间( 对于周期信号，也可能是一个周期间隔) 。其计算公式如式( 5) 。