不同热湿环境对超声波测量影响*

王月明, 高 松, 陈 波

(内蒙古科技大学 信息工程学院,内蒙古 包头 014010)

0 引 言

随着超声技术的不断进步和发展,超声波测量技术的应用越来越广泛。张兴红等人根据超声波的反射特性,将传感器设计成反射式结构有效减小超声波温度计的尺寸,基于FPGA的硬件电路和软件细分算法,实现了用于常温和高温的精密温度测量[1]。蔡勇等人利用COMSOL Multiphysics软件进行了声波传播路径的数值求解,考虑了声波折射补偿,对声波信号传播路径由曲线变直线进行补偿,提高温度场测量的精确性[2]。李言钦等人采用有限元软件Comsol和基于声波动方程理论模拟了脉冲声波在温度场中的传播过程,利用互相关函数法计算了声波在场内的传播时间[3]。郝忠平等人采用声呐测温技术(即TMT-SOMA测温系统)对包钢4号高炉进行了炉喉测温,技术具有信息量大、连续和稳定、系统维护简单等优点。能准确判断煤气流的变化情况,为高炉操作提供了较好的参考依据,确保了高炉长期稳定顺行[4]。王月明等人利用有限元软件COMSOL建立了探头外输送管道内的声场分布,研究了超声探头安置于测量管道的最佳位置[5]。张燕等人推导了声速的温湿度修正公式,探讨了根据工程要求是否对声速进行温湿度修正及如何修正的问题[6]。

超声波在空气中的声速与空气的温度和相对湿度有关,空气的温度和相对湿度的改变就会相应改变超声波声速,如果不对温度和相对湿度进行测量或补偿,超声波传播速度的变化最终会造成测量结果精度存在误差。

本文进行了理论分析,搭建实验平台对不同热湿环境对超声波测量的影响进行研究,探索了不同温湿度对声速影响的规律。

1 声速基础理论

空气中的声速跟空气温度有关系,也依赖于空气中的相对湿度,基本理论公式如式(1)所示[7]

(1)

xw=0.01RHFPsv/P

(2)

式中γ为比热比,T为空气温度,℃；P为大气压(本文设定1.013 251 05 Pa),Pa；Ma为干空气摩尔质量,kg/mol；W为水蒸汽摩尔质量,kg/mol；xw为水蒸汽摩尔分数；Z为压缩性因子；R为通用气体常数,其数值为8.314 459 8 J/(mol·K)；RH为相对湿度(相对湿度为0 %～100 %RH),水蒸汽强化因子F在0～100 ℃下的计算可以参考文献[8]的工作。比热比γ以及饱和蒸汽压Psv在0～100 ℃温度范围内可以通过文献[9]提出的公式计算。Z由文献[8,9]提出的公式计算。Ma和MW的值亦可参考国标ISO—2533—1975(文献[10])。设定空气成分和标准空气的一致,根据式(1)可以得出空气的声速的平方与空气中的温度成正比,空气的声速的平方与湿度成正比。

2 实验方案

为了研究不同热湿环境对超声波测量影响研究,实验平台搭建架构图如图1所示,图1中湿度计是获取测量区域中的湿度值,电子温度计是获取测量区域的温度,温度调整装置、湿度调整装置是调整测量区域的温度、相对湿度范围,信号发生器是给超声波发射探头发送信号,数据采集获取超声波接收探头接收信号对比信号发射时间计算出声波的速度。在实验平台下进行了两类实验：实验1设定在21,24,27 ℃三组恒定温度情况下,在湿度范围30 %～95 %RH内每隔5 %RH的相对湿度记录分析超声波接收信号的变化情况；实验2分别在16,19,21,24,27 ℃五组恒定温度情况下,在湿度范围40 %～90 %RH内分别每隔10 %RH的空气相对湿度记录分析超声波声速的变化情况。在不同实验的热湿环境下记录温度、空气相对湿度以及超声波实验数据,最后得出不同热湿环境对声速的影响。

图1 实验平台搭建架构

3 实验数据分析

3.1 相对湿度对超声波接收信号影响结果分析

实验中设定不同温度和相对湿度环境下,对超声波发射信号的影响情况。如图2(a)所示为恒定温度下湿度不同超声波接收信号(振幅)变化。其中,x轴为相对湿度,y轴为超声波振幅。

通过实验数据图分析可以看出：在空气温度恒定时,空气相对湿度的增加会对超声波接收信号产生影响,相对湿度越大,超声波接收信号(振幅)就越好。在相对湿度为同一值时,温度越大,超声波接收信号就越好。实验中还发现空气中的温度越高,湿度对超声波接收信号影响就越大。

3.2 恒定温度下湿度与超声波声速的关系

实验设定不同温度、不同湿度环境下,对超声波声速的影响情况。如图2(b)所示为不同温度、湿度超声波声速变化关系图。其中,x轴为相对湿度,y轴为超声波声速,图例中五条曲线分别为在16,19,21,24,27 ℃5组温度下测量的超声波声速数据实验。

图2 实验结果

通过对图分析可以看出：在空气温度恒定时,空气相对湿度的增加会对超声波声速产生影响,相对湿度的增加会使超声波声速增大；在空气相对湿度恒定时,温度的增加会超声波声速产生影响,温度越大超声波声速增大。实验中也发现温度越高,超声波传播速度会随之变大,相对湿度越高,超声波传播速度也会随之增大,且空气中的湿度对超声波声速的影响比温度的影响小。

4 结 论

1)空气中的温湿度对超声波的测量接收信号有一定影响。在空气温度恒定时,空气相对湿度的增加会使超声波接收信号增大；在空气中相对湿度一定时,温度越大,超声波的接收信号就越大；且测量区域内空气中的温度越高,湿度对超声波接收信号影响就越大。

2)空气中的温湿度对超声波的声速测量有一定影响,且在一定范围内,温度对超声波声速的影响比湿度对超声波声速的影响大。在空气温度恒定时,相对湿度的增加会使超声波声速增大。在空气相对湿度恒定时,温度的增加会使超声波声速增大。温度越高,超声波传播速度会随之变大；相对湿度越高,超声波传播速度也会随之增大,且空气中的湿度对超声波声速的影响比温度对超声波声速的影响小。

实验为设计与实现超声波测量空气中的温度或湿度仪器提供实验基础与参考依据。