基于超聲的氣體介質(zhì)溫度分布測量方法研究.pdf

1、溫度分布測量對于大型鍋爐的在線監(jiān)測、優(yōu)化燃燒、降低污染、以及保障設(shè)備安全運行等領(lǐng)域具有重要意義。獲取準確的溫度分布測量是一個有挑戰(zhàn)性的問題。傳統(tǒng)的溫度分布測量方式可分為接觸式測量與非接觸式測量兩類。接觸式測量方法具有簡單、直觀等優(yōu)勢。然而，由于測量設(shè)備與被測對象接觸，勢必對被測對象原本的溫度分布狀態(tài)造成影響，導致測量誤差。非接觸式測量方法不干擾被測對象溫度分布，彌補了接觸式測量的缺陷，已獲得了廣泛地關(guān)注。由于具有機械波特性，可適應(yīng)光線昏

2、暗、粉塵濃度大、充滿有毒有害氣體、及強電磁輻射的等極端測量場合等優(yōu)勢，超聲波方法被認為是一種極具廣闊發(fā)展前景的溫度分布測量方法。本文主要研究超聲溫度分布測量方法。
　　主要的研究工作為:
　　(1)基于超聲波動方程、熱力學方程，闡明了超聲測溫的原理;揭示了超聲傳播速度與介質(zhì)溫度之間的關(guān)系;明確了準確獲取TOF測量數(shù)據(jù)對于超聲溫度分布測量的重要性。
　　(2)超聲溫度分布重建問題在本質(zhì)上是一個病態(tài)問題，重建算法的精度對于

3、實現(xiàn)超聲溫度分布測量至關(guān)重要。不同于常規(guī)超聲溫度分布重建方法，本文提出了一種同時考慮了測量誤差、模型誤差以及被測對象動態(tài)變化的新型兩階段圖像重建方法，改善溫度分布重建精度。第一階段，為緩解超聲溫度分布重建的病態(tài)本質(zhì)，應(yīng)用粗網(wǎng)格離散重建區(qū)域，使得網(wǎng)格數(shù)少于獨立的測量數(shù)據(jù)，確保重建模型在這一階段的超定;在此基礎(chǔ)上，采用適當?shù)乃惴ㄇ蠼獗粶y區(qū)域的溫度分布。第二階段，基于粗網(wǎng)格的溫度分布數(shù)據(jù)與徑向基函數(shù)方法，提出一種同時考慮TOF測量數(shù)據(jù)誤差、模

4、型的不精確性與被測對象動態(tài)演化信息的新型目標泛函，將溫度分布重建問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題的求解;應(yīng)用模擬退火方法尋求該目標泛函的全局最優(yōu)解。仿真結(jié)果證明，本文提出的重建方法能夠顯著改善重建質(zhì)量，為超聲溫度分布重建提供了一種新的有效方法。
　　(3)設(shè)計并制作了超聲溫度分布測量系統(tǒng)硬件，以STC12單片機為核心器件，結(jié)合放大器、多路開關(guān)、相位比較器、觸發(fā)器等外圍電路，實現(xiàn)TOF數(shù)據(jù)測量。采用理論模型與Monte Carlo數(shù)值模擬方法分

5、析了硬件系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，同時考慮電氣誤差與環(huán)境誤差對測量結(jié)果的影響，提出了合理的超聲波換能器誤差范圍，為實現(xiàn)高質(zhì)量的溫度分布測量，在硬件選取方面提供了重要依據(jù)。
　　(4)采用實驗途徑驗證了相位差法、幅值相位調(diào)制法與閾值法在針對TOF測量的可行性，最終確定閾值法為本文測量硬件系統(tǒng)的最佳TOF測量方式。同時，提出一種計算完整波長數(shù)的方法與實際測量步驟，解決了超聲波單頻率相位差法難以確定完整波長數(shù)的難題，并通過實驗研究證實了該方法的有

6、效性。
　　(5)考慮到TOF實際測量數(shù)據(jù)的不精確性本質(zhì)，進行TOF測量動態(tài)誤差分析，提出了基于小波多尺度分析方法的TOF數(shù)據(jù)降噪方法，提高了TOF數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為重建高精度的溫度分布奠定了基礎(chǔ)。
　　(6)針對氣體介質(zhì)穩(wěn)定熱源，利用本文研制的超聲溫度分布測量系統(tǒng)進行TOF測量，并實現(xiàn)溫度分布測量。實驗研究結(jié)果證實了本文設(shè)計的超聲測溫系統(tǒng)與提出的兩階段圖像重建算法的可行性與有效性，為氣體介質(zhì)溫度分布可視化測量提供了一種有效途徑