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)