精密高温高压超声波温度计设计

张兴红，邱 磊，何 涛，王先全，张天恒

(重庆理工大学时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，400054 重庆)

0 引言

在工业生产中，温度的测量具有重要意义。但是，在温度的测量过程中常常会遇到一些不能用常规传感器实现的特殊场合，如高温强腐蚀性介质、真空、高温熔体及核辐射条件下的温度测量[1]。因此，科研人员都在针对性地竞相开发各种新型温度传感器及特殊与实用测温技术[2]，其中超声波温度计作为当今新型温度传感器的一种已经成为新的有前景的测量方法[3]。根据超声波在介质中传播时，其传播速度与介质温度有关这一特性，文中设计了一种新型的高温高压超声波温度计。这种超声波温度计通过检测超声波波速的变化，可以对高温进行精密测量，该技术可以运用于普通设备(如热电偶温度计、光学温度计等)所不能测量的领域[4]，如高温及强辐射条件核反应堆、环境恶劣的热炉以及火箭发射、等离子体室、惰性气体高温测量中[5]。

1 超声测温原理

超声波测温技术是最近几十年才发展起来的一种新型的测温技术，它基于超声波在介质中的传播速度与介质温度有关的原理实现[6]。当传播条件处于理想状态时，超声波在气体介质中的传播速度与气体介质的温度有关，两者之间对应的关系为：

(1)

式中：v为超声波在气体介质中的传播速度；r为比热比，即定压比热和定容比热的比例系数；ρ为气体分子密度；p为气体压强；R为气体常数；M为分子质量；T为气体介质的实际温度值。

气体介质作为超声波传播的载体，当传播时间很短时，气体分子间的热量还没有扩散，而超声波已经传播了很长距离，所以在较短时间内，可以将其看作是理想气体状态[7]。当超声波的传播距离为d，超声波的传播时间为t时，则

(2)

根据式(1)、式(2)可得

(3)

从式(3)可以看出气体介质的实际温度值与在介质中超声波的传播时间的平方成反比关系。当传播距离一定时，测得超声波在介质中的传播时间就可以算出温度值。

2 测量系统组成

文中设计的高温高压超声波温度计的结构框图如图1所示。

图1 超声波温度计结构框图

设计的高温高压超声波温度计主要由超声波温度传感器、超声波换能器驱动电路、超声波回波信号处理电路和接口电路4个部分组成。超声波温度传感器是由两个超声波换能器相对安装在充满气体的空心球体状金属容器的最大圆周上而形成，其主要包括球状金属容器、封闭在金属壳内的气体介质以及相对安装在球状金属容器上的超声波换能器。超声波换能器是压电晶体，可以把具有一定能量的模拟电压信号转换为机械振动从而发出超声波，也可以将由超声波产生的机械振动转换为模拟电压信号[8]。超声波换能器驱动电路主要包括数模转换器D/A和功率放大电路。超声波回波信号处理电路主要由滤波电路、放大电路和模数转换器(A/D)、现场可编程门列阵(FPGA)和中央处理单元(CPU)组成。接口电路包括显示电路和键盘，其主要用于显示温度值。

首先，CPU控制超声波的发射。CPU控制FPGA产生激励信号，即数字正弦波信号，该信号经过数模转换和功率放大后驱动超声波换能器A产生超声波。其次，CPU控制FPGA对数据的采集。超声波换能器B将接收到的由超声波换能器A发出的超声波信号转换为电信号，输出超声波回波信号。回波信号经过滤波、放大后，FPGA 内部的采样电路再控制A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，并把采样值逐一存入构建于FPGA内的RAM存储区中。最后，温度测量。通过细分插补算法精确计算出超声波传输终点所对应时刻，根据可以确定的起点时刻精确确定超声波在空心球体中两个换能器之间的传输时间。针对超声波在超声波温度传感器中的不同传输时间，根据超声波传播时间与传播速度对应的关系式，CPU精确计算出介质所对应的温度。

将超声波温度传感器的气体容器设计成球型结构是因为球形结构的气体容器对高温高压的承受力较大且不易发生形变。当温度计测高温时，容器内的气体分子热运动增强，容器内的气体压强变大，和其他几何形状相比球体能够承受更高的压力。同时，球形结构的容器的几何尺寸受温度发生变化的影响较小，球体半径的变化可以忽略不计，这样超声波传播距离基本不会发生变化，温度的测量就不会因温度的变化而引入新的误差。因此，球形结构可以保证超声波温度计在高温高压环境下的精密温度测量。

3 超声波传播时间的精密测量

根据超声波测温原理可知，超声波测温技术的关键在于超声波传播时间的精密测量。文中通过利用精密的硬件电路和特殊的软件细分算法，实现对超声波传播时间的精密测量。该方法能保证精密测量超声波传播时间的分辨率达到ns级。换能器A发射的超声波信号上的任意一点与换能器B接收到的回波信号上相对应的那一点之间的时间间隔就是超声波的传输时间[9]。超声波传输时间的起点为换能器A所发射的超声波信号中最后那个波的过零点，由于FPGA能够精确控制发射正弦波的时间，从而超声波传输时间的起点可以精确确定[10]。因此，超声波传播时间精密测量的关键是确定传输时间的终点，其精度依赖于终点的精确确定[11]。

设计中选用的超声波激励信号为连续8个1 MHz的超声波正弦信号，这是根据传播时间的精密测量以及设计的数据采集系统的要求综合考虑得到的结果。换能器B接收到的回波信号的频率与激励信号相同，也为1 MHz．回波信号的幅值会随着激励信号的连续增加而不断变大，当激励信号停止后，回波信号的幅值逐渐减到0。将回波信号中幅值最大的波称为特征波，特征波上的过零点为特征点。特征波上的特征点就是超声波传播时间的终点。特征波过零点的示意图如图2所示。

图2 特征波过零点示意图

文中超声波传输终点的时刻的计算过程是：第一步，对A/D采样点的采样值进行逐点比较以确定特征波；第二步，确定特征波过零点前后最近的两个采样点P和P1，由图2可知，P点的采样值大于零，P1点的采样值小于零；第三步，根据采样点P和P1的采样值利用直线插补算法计算出超声波传输时间的终点(特征波过零点)P0所对应的时刻，具体算法如下：

设A/D采样电路的的采样频率为fA/D，则采样周期为tA/D；第一个采样点与采样点P之间共有N个采样点，采样点P的值为V1，采样点P的时刻为t1；采样点P1的值为V2，采样点P与过零点P0之间的时间为t2，过零点P0对应的时刻为tend，超声波的传输时间为t，则：

(4)

(5)

在过零点附近较小的区域内，将正弦波看成直线，根据直线插补的方法确定t2：

(6)

则过零点所对应的时刻，即超声波传输时间终点所对应的时刻为：

(7)

又因为超声波传播时间的起点时刻tstart可以由CPU精确控制，则超声波的传播时间t为：

(8)

4 温度精密测量的分辨率分析

根据超声波测温技术的原理可知，利用超声波技术进行温度的精密测量时，温度测量的精度与超声波传播时间的测量精度有关，而超声波传播时间的精度取决于超声波终点时刻的精度。由式(7)可知超声波传输时间终点所对应时刻的分辨率R为：

(9)

设超声波回波信号的频率与驱动信号的频率相同为1 MHz，则回波信号的周期为1 μs；设A/D转换芯片的分辨率是12位，那么可以将信号的幅值分为4 096份，采样电路的采样频率为32 MHz，则在正弦波的半个周期内，最多可以采16个点，将这个时间段内的波形看作是直线，由特征波的波形可知：曲线在过零点附近的斜率远大于曲线在峰值附近的斜率，则

(10)

(11)

根据计算：超声波传输时间终点所对应时刻的分辨率小于0．122 ns，则超声波传输时间的分辨率也小于0．122 ns．安装在空心球体上的换能器A和B之间的距离保持不变，测得在不同温度下超声波在该距离的传播时间，就可以测得温度。从现有的数据可知：超声波在气体介质的温度为20 ℃时的传播速度是344 m/s，而当气体介质温度为21 ℃时其传播速度为344．6 m/s．设安装在金属球体容器上的2个换能器之间的距离是0．3 m，在气体介质温度为20 ℃时超声波的传播时间是8．720 9×10-4s，在气体介质的温度为21 ℃时超声波的传播时间是8．705 7×10-4 s，即当温度为21 ℃和20 ℃时，超声波传播的时间差为1．52×10-6s．如上所述，超声波在温度相差1 ℃时传播的时间差为1．52×10-6s，文中所设计的超声波温度计能够实现超声波传输时间测量的分辨率优于1．0×10-9s，因而该温度计可以达到分辨率优于0．001 ℃的温度测量。

5 结束语

在同一均匀介质中，超声波的传播速度受温度影响，基于超声波的这一特性，设计出一种可以用于高温高压环境中的精密温度计。该温度计的测量精度取决于超声波传播时间的测量精度。在设计中考虑到球形结构的气体容器对高温高压的承受力较大且不易发生形变，将超声波温度计设计成球形结构。当温度计测高温时容器内的气体压强变大，与其他几何形状相比球形结构能够承受更高的压力。同时，球形结构的容器的几何尺寸受温度影响较小，球体半径的变化可以忽略不计，这样超声波传播距离基本保持不变，在温度的测量过程中就不会因温度的变化而引入新的误差，保证了超声波温度计可以在高温高压环境下的精密温度测量。采用FPGA电路和直线插补算法来实现对超声波传播时间的测量，经过计算分析，超声波传播时间的分辨率可以达到ns级，进而实现测量分辨率优于0．001 ℃的精密温度测量。

参考文献：

[1]王魁汉，吴玉锋，张广立．特殊场合下的温度测量技术．上海计量测试，2004(1)：8-12．

[2]王魁汉，李友，王柏忠．温度测量技术的最新动态及特殊与实用测温技术．自动化仪表，2001，22(8)：1-7．

[3]蔡伟，刘淑香，向凤云，等．基于FPGA的高精度超声波温度计设计．电子技术应用，2011，37(8)：10-12．

[4]张肈福编译．用超声波温度计测量高温．上海计量测试，1998，6．

[5]于坤，伊立强．超声测温技术及应用．机械与电子，2010(13)：503．

[6]杨永军．温度测量技术现状和发展概述．计量技术，2009，29(4)：62-65．

[7]林立军．FPGA在超声气体温度测量中的应用．传感技术学报，2005，2(18)：347-349．

[8]张兴红，蔡伟，向凤云，等．精密超声波温度测量仪设计．仪表技术与传感器，2011(6)：32-35．

[9]LOOSE B，LHUILLER C，JEANNEAU H．Numerical simulation of transit-time ultraonic flowmeters：uncertainties due to flow profile and fluid turbulence．Ultrasonics，2002，40(9)：1009-1015．

[10]张兴红，张慧，陈锡侯，等．一种精密测量超声波传输时间的方法．北京理工大学学报，2011，31(6)：717-721．

[11]张兴红，向凤云，张天恒，等．超声波传输时间精密测量方法及应用研究．中国机械工程，2012，23(6)：651-654．

作者简介：张兴红(1970—)教授，博士，主要研究方向为计算机辅助测试技术。E-mail：qiulei2008@sina．cn