16通道声波飞行时间测量系统

    基于声层析成像的温度场检测技术[1-2]又称声学法温度场检测技术,具有测温范围广、测量对象空间范围大、非接触在线测量、维护方便等显著优点,近年来备受各国学者、工程技术人员的重视.声学高温计[3]是该技术在工业炉温度场监测中的典型应用,国外已有商业化产品,国内近年来也开展了此方面的研究.声学法温度场检测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[4].

    目前国内对于声学法温度场检测技术的研究主要集中在温度场重建算法的仿真研究上.采用6个或8个声波收发器,对单峰、双峰等温度场模型进行仿真数据重建[5-6].有关声波飞行时间测量系统设计的文献相对较少,文献中所见系统声波收发器连接通道数一般为2个或8个.例如文献[7]介绍了只能获得一个投影数据(声波飞行时间)的双通道声波飞行时间测量系统;文献[8]介绍了最多可获得24个投影数据的8通道测量系统.系统通道数越多,在被测区域周围可布置的声波收发器越多,系统复杂程度、对声波飞行时间测量精度的要求也越高,但可获得投影数据也越多,系统重建复杂温度场能力也越强.

    为提高重建温度场的精度,本文设计了16通道声波飞行时间测量系统,该系统最多可获得96个投影数据,是8通道系统的4倍,但其最短声波路径长度也缩减为8通道系统的1/2.

    1 声学法测温原理

    声学法测温是根据声波在介质中的传播速度间接地得到介质温度.气体介质中的声速c和介质温度T之间的函数关系[3,5-6]为

    式中:c—声波在介质中的传播速度;

    R—理想气体普适常数,R=81314 J/(mol#K);

    C—气体的绝热指数(定压比热容与定容比热容之比值);

    m—气体摩尔量;

    T—气体绝对温度;

    z—气体组成决定的气体常数.

    大多数情况下,气体组分变化不大,因此,影响温度测量精度的主要因素是声波飞行时间测量的准确性.

    将两声波收发器(每个收发器包含一个声波发射器和一个声波接收器)置于待测温度区域中,形成一条声学路径.当两收发器间的距离已知并测量出声波在该路径上的传播时间,就可以得到声波在该路径上的平均速度,由式(1)可求出该路径上介质的平均温度.

    要测量某一层面的温度分布,需在此层面的周围放置若干个声波收发器.图1为在一被测区域周围布置16/8个声波收发器所形成的96/24条有效声波路径示意图.

    通常取两个声波收发器间正、反向声波飞行时间测量值的平均值作为该路径的飞行时间,以减小气体流场对声波飞行时间测量的影响.由于各声波收发器位置已知,测量出各路径上的声波飞行时间,经适当的温度场重建算法,便可重建出被测区域温度分布.