Page 222 - 《应用声学》2024年第6期
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                                                               的速度为 c(m/s),路径长度为 L(m),经过反射后回
             0 引言
                                                               到声源处,声波传播的总路径长度为 2L。若声波
                                                               在这一传播路径上的飞渡时间 G(s),那么声速就可
                 声学温度感知作为一种非接触式的无损测温
                                                               表示为
             方法,不会对原温度场产生较大的影响,因此相互作
             用带来的测温误差较小,温度场还原的准确性也较                                              c = 2L/G.                (1)
             高。此外,声学温度感知探头的抗震性和防尘性能
                                                                   从本质上来说,声速是介质中微弱压强的扰动,
             也较好,具有测温范围广、精度高、速度快的特点,在                          其表达式为
             空冷系统和仓储室测温领域有广阔的前景                    [1] 。                           √
                                                                                     (    )
                                                                                       dp
                 我国以火力发电为主,空冷系统作为火力发电                                          c =          ,             (2)
                                                                                       dρ
             系统中不可或缺的组成部分,其能否正常运行是关                                                        s
                                                                                                3
             键。直接空冷系统在冬季低温情况下容易出现冻结                            式(2)中,P(Pa)为介质压强,ρ(kg/m )为介质密度。
             现象,导致机组不能正常运行甚至停机,因此,要加                               声波传播过程可看作绝热过程,依照克拉伯龙
             强对系统空气侧温度的监测。由于空冷系统规模庞                            方程得声速与气体温度的关系式如下:
                                                                            √       √
             大,热电偶、热电阻测温、电缆测温                [2] 、无线通信测                        γP      γR       √
                                                                        c =       =       T = Z T,        (3)
             温  [3]  等这些接触式测温技术在空冷系统现场安装                                       ρ       M
             困难、成本较高,且会对原有温度场产生干扰,无法                           式 (3) 中, γ 为 气 体 的 绝 热 状 态 指 数, 即 比 热
             实现对空冷系统的整体测温。                                     容比,P(Pa) 和 T(K) 为气体的压强和绝对温度,
                 在粮仓中,储粮温度是判断储粮状态的重要标                          M(kg/mol) 为气体摩尔量,R(J/mol·K) 为气体常
             准  [4] 。接触式粮温测量技术如液体温度计、热电偶                       数,Z 就待测气体而言是一个常数。
             温度计   [5] 、热敏电阻   [6] 、数字式温度传感器       [7] 、光纤         因此,回声测温的表达式为
             和光栅测温技术        [8]  等测温范围小,且对原有温度场                          ( )  2  (  2L  ) 2  M  ( 2L  ) 2
                                                                           c
             会产生影响。非接触式红外线测温法通过测量物体                                  T =       =          =            .  (4)
                                                                          Z        ZG       γR    G
             表面的红外线来间接测量温度               [9] ,受到粮食表面灰
                                                                   由式 (4) 得到,当传声介质的比热比变化非常
             尘的影响,只能作为粮温测量的辅助手段                   [10] ;声层
                                                               小时,利用回声可以得到介质中的声速与介质温度
             析成像法    [11]  和声表面波法     [12]  均处于粮温测量的
                                                               确定的函数关系,这就是介质温度回声感知技术的
             实验研究阶段,且设备布置复杂、成本较高。此外,
                                                               基本原理。
             粮仓存在测温设备的噪声、粮仓结构层的各种反射
             波、人为因素的干扰和其他噪声               [13] ,极大程度上影         2 回声感知时间延迟估计方法
             响了声学温度感知的准确性。
                 针对上述应用领域中测温技术上的不足,本文                          2.1  回声法互相关时延估计
             研究了回声感知测温技术。该技术精简了现有声学                                以单路径回声法测温为研究对象,利用互相关
             测温法的设备,提高了设备布置的灵活性和系统的                            算法计算激励信号与回波信号之间的时延值,其示
             经济性。此外,利用管道回声感知技术能测量粮仓                            意图见图 1。基本思想是先把激励信号从传感器接
             内部温度,且具有良好的抗噪性能。回声感知测温                            收到的信号中分离出来,将激励信号以采样间隔沿
             技术的关键在于声源信号的选取和时延估计的准                             着时间轴向后平移,然后将平移的信号与接收信号
             确性  [14] ,因此,本文基于回声法测温法,研究了扫频                     进行互相关运算,从而得到二者随采样时间变化的
             脉冲信号和高斯脉冲信号测温的准确性与稳定性,                            互相关函数关系        [15] 。当相关系数达到最大值时的
             对此进行实验验证。所得结论对回声测温法应用在                            激励信号所对应的平移量就是其与回波信号之间
             空冷系统测温和粮仓测温中有一定的参考意义。                             的时延估计值。

                                                                   假设平移信号 x i (t)、传感器接收信号 y(t) 均包
             1 介质温度回声感知技术原理
                                                               含纯净信号 X(t)、Y (t) 和噪声信号 n 1 (t)、n 2 (t),其
                                                               表达式为
                 当声波在介质中传播时,遇到反射壁面会出现
             反射现象,产生回波。假设声波在某一介质中传播                                         x i (t) = X(t) + n 1 (t),     (5)
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