超声波测温技术在高温气流温场测量中的应用

常蕾，赵俭

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095)

0 引言

高温气流温场由于温度变化快、气流流动情况复杂、噪声干扰强、待测环境条件恶劣，其温度的准确实时测量及温度场的重建一直是工程测量中的难点。目前高温气流温场测量主要采用传统的接触式测温方法，接触式测温响应时间慢，不能实时反映整个温场的温度;同时接触式测温破坏气流温场环境，产生较大的辐射及导热误差，不便于传感器的安装与更换。超声波测温技术做为一种非接触式测温手段，其测量温度范围宽，对温场干扰小，便于传感器布置，实时的反应气流温场的瞬态变化，能够解决强腐蚀、强电磁干扰及振动等特殊环境下气流温度的连续测量，广泛应用于等离子体室、核反应堆、汽轮进气、惰性气体、温度标准等领域的高温气流温度测量[1]。

超声波测温法作为一种新型的高温气流温场测量手段在国外已得到许多应用，国内科研人员也越来越重视超声测温技术在高温气流温度测量方面的工程应用。本文主要介绍超声测温技术的研究现状，超声测温在高温气流温场测量方面的应用前景，同时对超声测温技术存在的问题进行了分析。

1 超声波测温技术发展历史与现状

1.1 国外超声波测温技术发展

早在上世纪60年代美国人便开始了超声波测温技术的研究，L.C.Lyn－Nworth等人开展了超声传感技术在测量固体、液体及气体温度方面的研究工作，其主要研究方法是超声脉冲回声法，待测温场的温度均在1000 K以上。上世纪70年代，英国的J.F.W.bell研究了基于声波谐振频率与温度关系的固态声温度计，该固态声温度计主要用于真空或惰性气体环境中温度的测量，标志着超声波测温技术的研究逐步进入应用研究阶段[2]。上世纪90年代，美国的S.C.Wilkins采用单晶坞制作超声波温度计，该温度计超声信号衰减小、超声信号回声稳定，可测量3200 K的温度，测温的准确性较好[3];D.W.Varela使用超声波温度计实现了工业及实验室加热炉温度的准确测量，其测量温度范围从室温到3000℃，响应时间快、稳定性好、使用寿命长，该温度计的研究突破了超声波测温的理论和实验室研究阶段，使得超声波温度计的研制进入到工业应用领域[3];加拿大多伦多大学的I.D.Sommerville教授通过对超声波检测液态金属质量的研究，提出了应用超声技术测量液态金属温度的可行性，并做了大量的试验，测量出感应炉中液态铝的温度[2]。

近年来，国外学者对于超声波测温技术的研究已经很深入，美国、英国和日本的许多研究机构及公司已经生产出大量的超声波温度计，在医用医疗、锅炉炉温、管道气体温度等方面的测量中得到了广泛的应用。上世纪90年代，日本山田健夫等人采用MHz以上的超声波研制出的超声波医用诊断装置，测量人体内脏温度，其测量误差达到±0.5℃[2]。本世纪初，美国的一些公司将超声波温度计逐步从实验室研究阶段带入到产品化阶段，美国的圣迪亚试验室研制的超声波温度计测量锅炉炉温，测量温度可达2845℃，误差达到±1℃[3]。美国的SEI公司将研制的Biolerwatch系列声学温度计用于测量大型火力发电厂中锅炉内部温度场的分布情况，温度测量范围300～2700℃，1200℃以上测量误差可达2℃[3]。英国的CODEL公司生产出声学测温装置，通过在待测温区表面大量布置传感器可实现大型烟气管道中某一截面气体温度的实时测量，1000℃以上温度场温度重建误差小于10℃[3]。

1.2 国内超声波测温技术发展

国内对超声波测温技术的具体应用研究较少，近几年的发展速度也比较慢。上世纪90年代，燕山大学检测教研室采用锆钛酸铅材料制成超声波探头，对封闭装置燃烧气体温度的测量进行了初步探索，大量试验证明了通过检测超声波频率的变化来测量气体温度的方法是可行的，但是该超声探头只能接受单一频率超声波，并且测温距离受温度变化的影响较大，探头不耐高温，测量高温气体环境还需要对超声探头进行冷却[4]。直至本世纪初，国内高校的一些研究机构开始专注于超声测温系统的研究，通过待测温场逆问题的求解实现了气流温度场的重建工作，其中，华中科技大学的何其伟、李言钦等人设计了一套声学检测平台，实现炉膛温度场重建检测，特别针对炉膛声波飞行时间的测量设计了专门的硬件系统[5];沈阳工业大学的颜华等人提出了一种互相关和插值运算的方法对超声波飞渡时间进行测量，在不考虑噪声条件下，对超声波采样信号的互相关函数进行插值计算，实现了超声波飞渡时间的高精度测量，该方法虽然只是理论研究，但对提高超声波法温度场测量精度具有重要的实际意义[6];华北电力大学安连锁教授对温度场的声学测量重建方法进行了基础性的研究，使用费马原理研究了声波在二维空间中的传播路径问题[7];东北大学邵福群教授从声源信号发生形式、温度场重建算法到温度场测量实验系统构成等进行了一定的研究和实验[1]，取得了一定的成绩，同时在声学测温系统和重建算法上开展了一定的工作，对基于有限级数展开和正则化分析的复杂温度场的图像重建算法进行了研究。

在我国，对于超声波测温方面的研究还处在对国外研究现状的分析与报道阶段，本世纪初才开始展开超声波测温技术实际应用的研究，目前国内使用的超声波温度计还都依靠从国外进口，我国自主研制的超声测温测试系统还都处于实验室研究阶段，还未有成熟的产品投入到市场，而我们又急需解决惰性气体高温、窑炉炉温、航空发动机燃烧室出口温度等特殊工况下温度场的测量问题，因此，测量超声测温技术的研究具有巨大的研究价值和市场应用前景。

2 超声波测温技术原理研究

超声波测温技术的原理是基于声波在气体混合物内的传播速度是绝对温度的第一函数[8]，在实际工程测量过程中，气体组分对声波在温场中的传播速度影响较小，声速的变化范围较小，因此，声波传播速度仅是气流温场绝对温度的单值函数。声速c和温度T之间的函数关系式为

式中:c为声波的传播速度，m/s;γ为气体介质定压比热与定容比热之比值 (质量热容比);R为摩尔气体常数;m为气体的摩尔质量;T为气体绝对温度，K;Z为特定的气体常数，，通常对烟道混合气体为19.08，对空气为20.05。

声波在介质中的传播速度取决于气体的温度及声波的传播路径。在实际测量中，将两个声波收发器置于待测温度场两侧，发射的声波及接收的声波在温场内形成一条声学路径，如图1所示。

图1 声波测量温场示意图

待测温场的空间结构已知，声波收发器两者之间的距离d通过测量得到，测定声波在其飞渡距离d所用的时间Δt，便可求得声波在该传播路径上的平均速度，即

根据式 (2)，可以得出声波传播路径上介质的平均温度值，有

式中:d为发射装置和接收装置之间的距离，m;Δt为声波飞行时间，s;Z为该气体介质常数;T1为路径上的平均温度，℃。

通常在工程实践中，声波发射及接收器之间的距离、被测气体的气体常数都是已知的，因此只要确定声波的飞行时间便可获得该条路径上的平均温度，从而重建出被测温场。

3 超声测温技术存在的问题

近年来，随着超声波测温技术的不断发展，各国学者开始专注于气流温场重建技术的研究工作。采用超声波测温方法与计算机图像重建技术相结合，重建出锅炉、电厂等封闭炉内气流温场，取得了一定的进展，但还有些关键技术问题需要解决，

3.1 声波信号的选择

目前声波信号源的选择主要有两种:单一频率信号和宽带频率信号。对于单一频率声波信号，声波飞行时间测量的上限受信号源频率的限制 (最长延时不能大于信号源的一个周期，产生较大的测量误差)，并且由相关分析理论可知:窄带信号的相关函数衰减慢，宽带信号衰减快，只适合于小空间内声波信号的测量。目前常用的宽带信号形式主要有:噪声信号和扫频信号，宽带信号不受声波信号延时、声波信号周期等因素的限制，声波飞渡时间计算准确。但由于扫频信号频率不固定，在某一测温时刻有可能与待测温场的某些噪声信号形成共振，对测量结果产生影响。沈阳工业大学的彭珍等人采用噪声信号计算三种噪声比信号在单峰对称温场的声波飞渡时间，重建出待测环境的温场[9]。

3.2 超声波飞渡时间研究

互相关分析计算超声波飞渡时间是基于互相关函数寻峰原则，超声波飞渡时间测量示意图如图2所示。为重建某条声波飞行路径上的平均温度，在待测气流温场两端安装一对麦克风，两个麦克风之间的距离为d，在理想状态下待测温场不存在噪声干扰，麦克风1发射声波信号f(t)，麦克风2接收声波信号f(t－Δt)，Δt为声波信号由麦克风1处传播到麦克风2处所用时间。

图2 超声波飞渡时间

麦克风1的输出电信号为x(t)，忽略噪声影响，则x(t)=k1f(t);麦克风2的输出电信号为y(t)，忽略噪声影响，则y(t)=k2f(t－Δt)。其中，k1和k2为系数。

将麦克风1，2输出的电信号x(t)和y(t)进行互相关分析计算，x(t)和y(t)的互相关函数为

当τ=τm=Δt时，x(t)与y(t)的相关性最强，互相关函数值取最大值。互相关函数峰值处所对应的时间τm即为超声波从麦克风1传输到麦克风2所用的时间Δt。找出互相关函数的峰值点所对应的时间Δt即为声波的飞渡时间。

超声波测温技术研究中超声信号在测量路径中飞渡时间的精确测量是影响气流温场准确测量的重要因素[10]。对于声波飞渡时间的测量，主要采用互相关算法分析计算得到，超声飞渡时间测量不准确主要受采样点数、采样间隔、声波的自相关性、环境噪声的影响较大，华北电力大学的宋志强采用互相关法准确的辨识炉膛燃烧空间内传播的声波信号，消除背景噪声的干扰，计算声波飞渡时间，同时采用快速互相关与抽样率变换相结合的声波飞行时间估计方法提到测量的精度，得到较好的效果[11];东北大学的孙小平采用线性插值和三次样条插值方法计算飞渡时间，通过仿真数据验证了该方法的有效性，降低等效采样间隔，提高了测温精度[12]。

3.3 信号衰减

超声信号在传播过程中，声波信号会有一定的衰减，频率越高衰减的越快，声波的有效传播距离变短，因此超声测温首先要解决超声信号接收时由于衰减过快而接收不到的问题。实际测温中，在超声探测器后接入功率放大器或利用待测温场的噪声信号减小声波信号衰减的影响。

日本gifu大学的J.Lu，D.Wakai等人从理论上分析了声波信号衰减对测温结果的影响[8]，通过对声波信号的功率放大测量出电站锅炉内的燃烧温度，结果表明，考虑到信号衰减影响后重建出的温度场精度得到有效改善，其测温结果与插入式热电偶测温结果保持一致。美国Nevada大学的J.A.Kleppe研究开发的声学高温测量系统，利用声发射及接收探测器周围的声场压缩待测锅炉内的燃气，产生500～2000 Hz的宽频带波噪声，采用该噪声作为测温系统的声源有效地解决了声波信号的衰减问题[7]。

3.4 噪声干扰

超声测温技术将超声探头布置在待测温场周围，其传感器受带测温场电磁干扰的影响较小，但被测气流温场的背景噪声对超声信号造成的干扰较为严重，尤其若是噪声信号与声波探测器发出信号一致，会引起声波的共振，从而破坏整个测温系统。

对于锅炉炉温、航空发动机燃烧室出口温度等特殊工况下气流温度场的测量，气流温场的背景噪声复杂，对于噪声信号的剔除，超声信号的发射及待求超声信号的提取都存在较大困难，较高的信噪比会造成声波飞渡时间计算的不准确，从而影响测温的可靠性。

在实际测温过程中，针对噪声信号的测量问题，美国电力研究院及英国发电委员会使用高温环境下噪声测量系统对电站内锅炉进行了炉膛燃烧噪声的诊断实验，测出了高温炉中噪声的频率[13]。华北电力大学的沈国清教授采用小波分析法对锅炉内冷态及热态气流中的声场进行了研究，通过分析得到锅炉内噪声的产生机理，获得了噪声信号的特性，通过对待测温场的噪声频率的预先探测，在设计超声波探测器时可以避开噪声的声波频段从而解决噪声干扰问题[7]。

3.5 弯曲效应

在温度均匀的气流温场内，超声信号在温场内的传播路径按直线处理，温度测量结果比较准确可靠。实际工程测量过程中，高温气流温场的温度分布是不均匀的，声波在温场传播时会沿着温度高的路线传播，即产生声波的“弯曲效应”。考虑声波弯曲效应对测温准确性的影响，在温度场重建过程中必然会造成部分模型化误差。

针对“弯曲效应”问题，沈国清提出了三角形前向展开法及ART相结合的算法，其算法简单，只需要对声波路径进行多次迭代，但由于其迭代次数较多，计算时间较长，实际应用时对温度场的测量有一定的延时，不能实时反映待测温场的实际情况;田丰、邵福群等人提出了声波传播“弯曲效应”路径补偿算法[14]，该算法求解过程复杂，需要计算大量的偏微分方程组，但该算法能有效解决声波传播路径的弯曲问题，提高了温场重建精度，能够保证温度场的实时测量;杜富瑞等提出了声波传播路径多点插值算法，该算法利用声波折射原理，从声波的实际传播路径入手，通过大量的多点差值对声波的路径进行模拟，实现了弯曲路径的自动修正，在1200℃以上温场重建误差在－5～ +5 ℃范围内[15]。

4 总结

超声波测温技术由于其测温原理简单、测温响应时间快 (可完成实时测量)、温度测量精度高、测量对象不受空间范围限制 (可测范围几毫米到几十米)，越来越受到国内外科研人员的重视，尤其在高温气流温度场重建方面应用广泛。超声波测温技术近年来发展快速，其声波信号的衰减及弯曲效应问题得到了较好的解决，但待测温场的噪声干扰、粉尘污染等问题一直是测量中的难点，急需解决。

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