应用超声技术的燃烧气体温度测量方法的研究

1　引　言

    对气体温度的测量的方法很多,如红外测温,热电偶测温,比色测温等等,但都无法实现燃烧气体瞬时温度的测量,其最主要的原因就是其反应速度慢,无法实现温 度的快速、准确测量。由于超声波具有方向性强,无污染,探头反应速度快,而且可以实现非接触测量,因而成为具有发展前途的温度测量方法。本文提出通过对超 声波频率的测量,而间接测得其所通过的气体媒介的温度值的方法。

2　测温原理

    在理想气体中,超声波的传播速度与气体绝对温度的平方根成正比[1],即:

式中:m—气体分子质量;a—气体中的声速;r—气体比热比;R—通用气体常数。

    当超声波在气体介质中传播时,在很短的时间间隔内,气体分子间的热量还没来得及扩散,声波已经向前传播很远一段距离了,所以在较短时间内,可以将其看作是 理想气体状态。当某一频率的超声波通过气体介质时,如果气体的温度发生快速变化,则超声波的频率也将随之变化,因此我们可以通过对接收探头所接收到的超声 波频率的测量来间接测得气体的温度。气体温度随时间变化规律曲线如图1所示。

    从图1中取出一小部分声速曲线描绘在图2中,设Δt1为在t1时刻从发射探头发出声波的一个周期时间,并设发射探头与接收探头之间的距离为

公式(3)表明两个子区域的积分是相等的,当Δt1和Δt2非常小时,则有:

设f1为发射探头处的声波频率,f2为接收探头在t2时刻时接收到的声波的频率,则有:

由于t1和t2为相邻的两个时刻,把其中值t作为t1和t2之间的典型时间值是适当的,因为发射探头的声波频率为已知,即f1=f0,则由上式可以得到:

式(7)就是测温原理的数学表达式,该式表明:接收到的声波频率变化Δf与声速对时间的变化率da/dt和距离L成正比,而与声速的平方a2成正 比。在时间间隔(t2-t1)与整个温度变化时间间隔相比非常小的条件下,图1中接收探头接收的被测频率曲线才满足式(7)。把式(1)带入式(7),并 利用初始条件:t=0时,T=T0,则积分后可得:

由上式可以看到,我们可以通过对超声波频率差的测量而测得其所通过的气体介质的温度[2]。

3　测量系统的组成

    气体温度测量系统主要有以下几部分组成:燃烧室,超声波发射与接收部分,高速计数系统和进行数据处理的单片机部分,其系统组成框图如图3所示。

    系统工作前,单片机先对所有的计数器清零。由振荡器发出的方波信号激励发射电路发出超声信号,该信号在通过气体媒介后被接收电路接收,同时单片机发出一个 10ms的方波脉冲,该信号与超声信号通过与门后启动计数器开始计数,单片机再给出一个脉冲,将计数器计得的数值置入寄存器,然后再将其读入单片机,完成 数据的采集。单片机再通过软件来求得被测气体的温度值,然后进行下一次的采样,计算。