基于聲學法的爐膛二維溫度場圖像重建

2004年9月（1）

摘要  介紹了一種利用聲學傳感器獲得測量數據的方法，并在此基礎上論述了利用最小二乘法對溫度場分布進行重建的溫度場測量方法。在溫度場重建過程中，由于聲波路徑的彎曲效應是影響重建精度的重要因素，因此利用費馬定理對聲波路徑進行了補償，給出了該方法的測量原理及計算機仿真結果，仿真結果證明了該方法的正確性。

關鍵詞  聲學測溫   最小二乘法  費馬定理

0 引言

  溫度場檢測在工業燃燒或過熱過程中具有重要意義。例如在電力工業中的鍋爐，其燃燒的基本要求在于建立和保持不均勻、火焰中心偏斜、火焰刷墻等是導致爐膛結焦、爐管爆炸、爐膛滅火、爐膛爆炸等運行事故的重要原因。因此，實現溫度場的實時在線測量更是使設備時刻處于最佳狀態下運行的重要前提。然后由于工業燃燒過程自身具有瞬態變化、隨機湍流、設備尺寸龐大、環境惡劣等特征，而且爐內為上千度的高溫氣體，這都給有關熱物理參數的在線測量帶來困難，難以獲得描述實際燃燒過程的熱物理量參數，特別是給溫度場的測量帶來困難。近幾年，國內外不少學者利用熱成像技術、計算機圖像處理技術、光學層析技術等手段來判斷工業爐內火焰的燃燒狀況和溫度分布水平，取得一定的進展，但還有些具體問題需要解決^[1]。如CCD攝像頭在高溫粉塵和熔渣等現場惡劣環境下長期連續工作的壽命與維護等問題，分辨率不高而產生的“偷看”問題，小視角的檢測器鏡頭難于隨時對準漂移的火焰著火區問題等。聲學測溫儀表作為一種新型的非接觸儀表具有測量精確度高、范圍廣、空間大（可達數十米）、非插入式、實時連續測量、維護方便等優點，必將在大型爐膛的溫度場檢測方面發揮重要作用。國外已將聲波傳感器用于爐膛的燃燒診斷^[2,3,4]。本文提出一種基于聲學傳感器的溫度場重建方法，并對該方法在matlab環境下作了仿真實驗，為將聲學傳感器用于溫度場檢測作出了有益的探索。

1  測量原理及基于最小二乘法的溫度場重建

   聲學高溫測量系統的基本工作原理是基于氣體介質中聲波的傳播速度是該氣體介質溫度的函數，

                                             (1)

式中：C為聲音在氣體介質中的傳播速度 ； 為氣體介質定壓比熱與定容比熱之比值；R為摩爾氣體常數，8.314J/（ ·K）；T為絕對溫度，單位為K； 為氣體分子量，單位為 ； 對某種特定氣體為一常數，對煙道混合氣體為19.08。

                    圖1  測量區域示意圖

用聲學法重建工業鍋爐某一截面溫度場，其重建區域及測量系統分布如圖1所示。其中， 為測量系統的發射/接收傳感器，要求 對稱均勻地安裝于鍋爐四壁，且位于同一平面（以下稱此平面為“典型平面”）。考慮在同側墻壁上傳感器之間的路徑上不會產生明顯有效的信號，因此除去本身和同側墻的接收單元，每個發射單元和其它接收單元可以形成發射/接收路徑。這樣，共會形成24條獨立有效的發射/接收路徑，聲波從發射傳感器到接收傳感器之間的傳輸時間 為

                                                 (2)

式中： 表示聲波路徑上的空間特性，即聲速的倒數； 是聲音傳播路徑的微分。

將整個溫場劃分成16個區域，如圖1中的虛線所示，從左至右，從下至上依次用數字 …16）表示成

                                             （3）

式中： 是第 個區域的空間特性，即聲波在該區域傳播時聲速的倒數， 是聲波沿第 條路徑的飛行時間，其與實測值

                               （4）

應用最小二乘法得

                                          (5)

               A=

               =

             

如果 存在逆矩陣，則：

                                     （6）