一种温度场重建技术的制作方法

本发明涉及声波测温技术领域，尤其涉及一种温度场重建技术。

背景技术：

目前，国内对于基于声波的方形温度场重建的研究比较多，方形区域温度场重建的研究主要应用于工业锅炉，然而，对于圆形区域温度场分布的研究比较少；圆形区域温度场的重建主要应用于高炉炉喉，水泥回转窑等工业应用领域，因此，我们以声学法测温在高炉炉喉煤气流温度分布的测量系统中的应用为背景，对圆形区域温度场重建技术进行研究，包括圆形区域温度场模型的建立、网格的划分及实验系统的搭建与测试。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种温度场重建技术。

本发明提出的一种温度场重建技术，包括声波传感器、前置放大器、信号处理器、RS485总线、中央控制单元DSP和上位机，所述声波传感器与前置放大器连接，且前置放大器与信号处理器连接，所述信号处理器通过RS485总线与中央控制单元DSP连接，且中央控制单元DSP与上位机连接，所述声波传感器、前置放大器和信号处理器均为十个；

将十个声波传感器布置在半径为1-1.5m的被测圆形区域周围，然后在被测圆形区域内放置热源，接着用上位机向中央控制单元DSP发送检测命令，中央控制单元DSP接收到上位机的握手信号后，控制十个声波传感器进行声波发射，同时十个声波传感器接收声波信号，声波传感器将采集到的声波电信号经过前置放大器放大后送入信号处理器中进行AD转换，然后信号处理器将转换后的数字信号通过RS485总线在中央控制单元DSP中汇集、编号后统一上传至上位机中进行处理和显示，上位机在Labview中调用Matlab程序，结合温度场重建算法，将各声波传播路径上得到的平均温度作为初始数据进行温度场的重建，并将重建结果在上位机上进行显示。

优选地，所述热源为电加热炉，在被测圆形区域内放置单热源或双热源，单热源放置在被测圆形区域的中央位置，双热源的两个热源在被测圆形区域内对称设置，所述热源连接有温控仪，温控仪为REX系列温度智能PID控制器，且温控仪连接有热电偶，热电偶布置在被测圆形区域内。

优选地，包括硬件测量模块和软件测量模块，所述硬件测量模块由声波传感器、前置放大器、信号处理器、RS485总线、中央控制单元DSP和上位机构成，且软件测量模块包括上位机软件单元、中央控制单元软件单元和信号处理器软件单元，所述信号处理器用于通过TMS320F2812定时器在中断中实现AD采样，且信号处理器软件单元用于实现DSP串行通信、ADC和定时器的初始化，并将采集信号通过RS-485总线传输至中央控制单元DSP。

优选地，所述声波传感器用于进行声波发射，同时用于接收声波信号，所述前置放大器用于放大采集到的声波电信号，且中央控制单元DSP用于将转换后的数字信号进行汇集和编号。

本发明中，该温度场重建技术通过声波传感器能够进行声波发射，同时能够接收声波信号，通过前置放大器能够放大采集到的声波电信号，通过信号处理器能够将声波电信号转换为数字信号，通过中央控制单元DSP能够将转换后的数字信号进行汇集和编号，通过上位机能够进行温度场的重建，本发明具有温度测量范围广、测量精度高、非接触、实时测量和维护方便的优点。

附图说明

图1为本发明提出的一种温度场重建技术的原理图；

图2为本发明提出的一种温度场重建技术的声波路径及温度场网格的划分图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。

实施例

参考图1-2，本实施例提出了一种温度场重建技术，包括声波传感器、前置放大器、信号处理器、RS485总线、中央控制单元DSP和上位机，声波传感器与前置放大器连接，且前置放大器与信号处理器连接，信号处理器通过RS485总线与中央控制单元DSP连接，且中央控制单元DSP与上位机连接，声波传感器、前置放大器和信号处理器均为十个；

将十个声波传感器布置在半径为1-1.5m的被测圆形区域周围，然后在被测圆形区域内放置热源，接着用上位机向中央控制单元DSP发送检测命令，中央控制单元DSP接收到上位机的握手信号后，控制十个声波传感器进行声波发射，同时十个声波传感器接收声波信号，声波传感器将采集到的声波电信号经过前置放大器放大后送入信号处理器中进行AD转换，然后信号处理器将转换后的数字信号通过RS485总线在中央控制单元DSP中汇集、编号后统一上传至上位机中进行处理和显示，上位机在Labview中调用Matlab程序，结合温度场重建算法，将各声波传播路径上得到的平均温度作为初始数据进行温度场的重建，并将重建结果在上位机上进行显示。

本实施例中，热源为电加热炉，在被测圆形区域内放置单热源或双热源，单热源放置在被测圆形区域的中央位置，双热源的两个热源在被测圆形区域内对称设置，热源连接有温控仪，温控仪为REX系列温度智能PID控制器，且温控仪连接有热电偶，热电偶布置在被测圆形区域内，包括硬件测量模块和软件测量模块，硬件测量模块由声波传感器、前置放大器、信号处理器、RS485总线、中央控制单元DSP和上位机构成，且软件测量模块包括上位机软件单元、中央控制单元软件单元和信号处理器软件单元，信号处理器用于通过TMS320F2812定时器在中断中实现AD采样，且信号处理器软件单元用于实现DSP串行通信、ADC和定时器的初始化，并将采集信号通过RS-485总线传输至中央控制单元DSP，声波传感器用于进行声波发射，同时用于接收声波信号，前置放大器用于放大采集到的声波电信号，且中央控制单元DSP用于将转换后的数字信号进行汇集和编号，该温度场重建技术通过声波传感器能够进行声波发射，同时能够接收声波信号，通过前置放大器能够放大采集到的声波电信号，通过信号处理器能够将声波电信号转换为数字信号，通过中央控制单元DSP能够将转换后的数字信号进行汇集和编号，通过上位机能够进行温度场的重建，本发明具有温度测量范围广、测量精度高、非接触、实时测量和维护方便的优点。

工作原理：声学法测温是一种基于声波传播理论的非接触式测量方法，它是根据声波在被测介质中的传播速度来求取传播路径上的平均温度，进而重建被测区域的温度场。

对于理想气体，声波的传播可看为快速传热过程，声波传播速度与穿过媒介的温度之间的函数关系为：

v²＝γRT/M (1)

式中v是声波在气体介质中的传播速度(m/s)；γ是气体介质比，即定压热容(c_p)与定容热容(c_v)之比，对于空气γ取1.40；R是摩尔气体常数，8.31451J/(mol·K)；M是气体的相对分子质量(kg/kmol)；T是热力学温度(K)。

实际测量时，由于高炉内的气体是混合气体，因此对式(1)进行修正可得，

T＝(v/Z)² (2)

式中对某种特定气体为一常数。

式(2)表征了介质的绝对温度与声波在其中传播的平均速度之间的关系；将热力学温度转化为摄氏温度，则有：

$T_c={\left(\frac{v}{Z}\right)}^2-273.15---\left(3\right)$

式中T_c是声波传播路径上气体介质的平均温度(℃)。

式(3)表征了声波在介质中的传播速度与该路径上的平均温度之间的关系，为进一步温度场的重建提供了理论依据。

温度场重建是个典型的逆问题，由式(3)可知，只要测量出声波在传播路径上的平均速度，就可以求出此路径上的平均温度；在高炉炉喉处选择一个煤气流分布层面，对这个平面所包围空间的温度场进行重建；温度场重建时，先要对温度场进行网格划分，网格划分时应考虑计算点的对称性，保证声波传播路径的重心与网格的重心重合，使各网格的平均温度点落在该网格的重心点上；为使传感器位置分布和温度场测量区域网格划分遵循声波路径在各划分区域的分布密度相等或接近的原则，本文对温度场区域采用圆形网格划分。

被测温度场周围均匀安装10个发射/接收一体的声波传感器，每一个传感器所发出的声波可被同一平面上的其它所有传感器接收到，从而形成多条声道传播路径；考虑到同侧壁上的传感器之间有效的信号不明显，因此，除去其自身和同侧壁上的接收单元，由4个圆和声格线将温度场层面分成31个小的网格区域，分别标号为A1～A31；35条声波路径标号为L1～L35。

采用圆形网格划分可使声波传播路径覆盖尽可能多的网格区域，而且声波路径的交叉点及网格内声波路径的重心点与网格重心点的重合度也高，从而能够较准确地获得这些路径的平均温度，根据反演算法即可重建出测量区域的温度场分布。

声波从发射传感器到接收传感器之间的传输时间t_TOF(Time of Flying)为：

t_TOF＝∫ads (4)

式中：a为空间状态因子，其值为声波速度的倒数；ds为声波传播路径的微分。

整个温度场被分为31个网格，每一个网格里的温度分布是均匀的，要实现被测温度场的重建，首先必须求出每个小网格内的平均温度；用ΔS_ki表示第k条路径通过第i个小网格的长度，由式(4)可知，声波沿第k条声波路径的传播时间t_TOFk可表示为：

$t_{TOFk}=\underset{i=1}{\overset{31}{\Σ}}{\mathrm{\ΔS}}_{ki}{a}_i---\left(5\right)$

t_TOFk与声波飞行时间的实测值t_k之差ε_k为：

${\mathrm{\ϵ}}_k=t_k-t_{TOFk}=t_k-\underset{i=1}{\overset{31}{\Σ}}{\mathrm{\ΔS}}_{ki}{a}_i---\left(6\right)$

对式(6)应用最小二乘法可得正则方程为：

$\frac{\∂}{\∂a}\underset{k=1}{\overset{35}{\Σ}}{(t_k-\underset{i=1}{\overset{31}{\Σ}}{\mathrm{\ΔS}}_{ki}{a}_i)}^2=0---\left(7\right)$

S^T·S·A＝S^T·t (8)

式中：

当传感器位置和网格划分方法确定后，小网格内路径长度ΔS_ki(k＝1～n，i＝1～m)就是常数；而矩阵A中的a_i为第i个网格的空间状态因子，是关于温度函数的待定量；故由式(8)可得空间状态因子矩阵A为：

A＝(S^T·S)^-1·S^T·t (9)

于是可求出每一个网格的空间状态，即声波在该网格区域内传播时声速的倒数，根据式(3)即可求出每一小网格的平均温度为：

$T(x,y)=\frac{1}{A^2{Z}^2}---\left(10\right)$

以每一网格的平均温度作为该网格的重心点温度对整个温度测量区域进行插值，即可重建出整个测量区域的温度场。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。