温度场声学测量方法与关键技术的文献综述.doc

温度场声学测量办法与技术
文献综述
一、温度测量意义及现状
人类自诞生之日起就不得不与“冷、热”打交道，并在长期生产实践过程中，逐渐建立起了“温度”概念。为了保障生产、适应生存和不断提高生活质量，人类对“温度”实质和定量测量研究从未间断过。通过克劳修斯和开尔文等一大批科学家努力，该问题在一定期期得到了较好解决，并被全世界所公认。然而，随着人类发展和社会飞速进步，人们发现，不但“温度”与咱们关系越来越密切，并且关于“温度实质和定量测量”等问题远没有得到最后解决。为此，全世界无数科学家都在此研究领域进行着不懈努力，从而使得此方向始终是世界前沿研究领域之一，新测试原理、办法和仪器层出不穷。
各种测温办法都是基于物体某些物理化学性质与温度之间具备一定关系，例如物体几何尺寸、颜色、电导率、热电势和辐射强度等都与物体温度关于。当温度不同步，以上这些参数中一种或几种随之发生变化，测出这些参数变化，就可间接地懂得被测物体温度[1-2]。
普通来说，温度测量办法分为接触测量法和非接触测量法两大类。用接触式办法测温时，感温元件需要与被测介质直接接触，液体膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计等均属于此类。当用光学高温计、辐射高温汁、红外测温仪探测器测温时，感温元件不必与被测介质相接触，故称为非接触式测温办法[3-7]。接触式测温简朴、可靠、测量精度高，但由于达到热平衡需要一定期间，因而会产生测温滞后现象。此外，感温元件往往会破坏被测对象温度场，并有也许受到被测介质腐蚀[8]。与接触式温度测量技术相比，当代测温技术多为非接触式，对传感器耐热性能无特殊规定，避免了传感器和被测目的互相干扰，测温范畴大，无热惯性，响应速度较快，可以测量微小目的温度，满足众多场合对温度测量范畴和精度规定[9-14]。接触法与非接触法测温特性详见表1，惯用温度计种类及特性详见表2。
表1 接触法与非接触法测温特性

接触法
非接触法
特 点
测量热容量小物体有困难；测量移动物体有困难；可测量任何部位温度；便于多点集中测量和自动控制
不变化被测介质温度场，可测量移动物件温度，普通测量表面温度
测量条件
测温元件要与被测对象较好接触；接触测温元件不要使被测对象温度发生变化
由被测对象发出辐射能充分照射到检测元件；被测对象有效发射率要精确懂得，或者具备重现也许性
测量范畴
容易测量1000℃如下温度，测量1200℃以上温度有困难
测量1000℃以上温度较精确，测量1000℃如下温度误差大
精确度
普通为0.5%～1%，根据测量条件可达0.01%
普通为20℃左右，条件好可达5～10℃
响应速度
普通较慢，约1～3分钟
普通较快，约2～3秒，虽然迟缓也在10秒内

表2 惯用温度计种类及特性
原 理
种 类
使用温度范畴℃
量值传递温度范畴℃
精确度 ℃
线性化
响应速度
记录与控制
价 格
膨 胀
水银温度计
有机液体温度计
双金属温度计
-50～650
-100～200
-50～500
-50～550
-100～200
-50～500
0.1～2
1～4
0.5～5
可
可
可
中
中
慢
不适合
不适合
适合
便宜
压 力
液体压力温度计
蒸汽压力温度计
-30～600
-20～350
-30～600
-20～350
0.5～5
0.5～5
可
非
中
中
适合
便宜
电 阻
铂电阻温度计
热敏电阻温度计
-260～1000
-50～350
-260～961
-50～350
0.01～5
0.3～5
良
非
中
快
适合
贵
中
热电动势
热电温度计
B
S·R
0～1800
0～1600
0～1600
0～1300
4～8
1.5～5
可
可
快
适合
热电动势
N
K
E
J
T
0～1300
-200～1200
-200～800
-200～800
-200～350
0～1200
-180～1000
-180～700
-180～600
-180～300
2～10
2～10
3～5
3～10
2～5
良
良
良
良
良
快
适合

热辐射
光学高温计
700～3000
900～
3～10
非
—
不适合
中
光电高温计
辐射温度计
比色温度计
200～3000
约100～约3000
180～3500
600～2500
—
—
1～10
5～20
5～20
非
快
中
快
适合
贵

二、温度场测量意义及现状
“温度”不但是一种记录平均物理量，并且更具备“三维”含义，也就是说，在三维空间中无处不存在“温度”量值，事实上是一种“温度场”概念。近年来人们发现，对温度场研究和定量测量不但与咱们生产和生活更加密切有关，并且意义更加重大。
例如，在寻常生活中体育馆、俱乐部乃至家庭住房等场合中，良好气流组织始终是其设计重点和难点[15]，而良好气流组织则需要合理、均匀温度场分布，能否有一种科学合理温度场分布，直接决定着气流组织、空调和采暖设计，对节约能源、保护环境、提高生产和生活质量都是至关重要，有必要把握室内温度场分布特性[16-19]。
再如，海洋变化对世界气候及人类活动有着巨大影响，而海洋变化在很大限度上反映在其内部温度场变化上[20-25]。因而，对海洋内部温度场进行长时间、大面积监测，对理解海水运动变化规律，进而开发和运用海洋[26-28]；精确进行中、长期天气预报；以及推算地球气候变化，进而研究地球温室效应等都具备十分重要现实意义[15] [29]。
此外，对各种燃烧和加热设备中火焰和烟气温度场、气体和液体储罐内部温度场、以及大气温度场等实时在线检测，对安全生产、减少污染、提高能源运用率等也变得越来越急迫和急需[30-33]。
然而，温度场测量又是一种十分复杂问题，虽然采用“温度计”进行逐点测量办法可以在一定限度上解决某些实际问题，但在大多数场合采用这种办法测量温度场却是极不现实，甚至是主线行不通。因而简便、快捷温度场测量办法、技术和设备研究已经成为当前一种十分活跃研究领域[34]。
三、锅炉火焰温度场测量重要性
所谓“锅炉”，即是其本体重要由“锅”和“炉”两某些构成。它是运用燃料燃烧释放热能（或其她热能），将工质加热到一定参数（温度和压力）设备。按用途可分为“动力锅炉”和“工业锅炉”两种，按燃料和能源分，重要有“燃煤锅炉”、“燃气锅炉”、“燃油锅炉”和“余热锅炉”；对工业锅炉来说，按输出工质又可分为“蒸汽锅炉”和“热水锅炉”，对燃煤锅炉来说，按燃烧方式又可分为“层燃炉、室燃炉、沸腾炉”，等等[35]。本课题重要是针对“燃煤、燃气、燃油”等工业锅炉而开展一项基本性研究工作。
工业锅炉用量大、使用范畴广，但存在两个技术问题：一种是锅炉热效率低，平均热效率为60%左右，比国家工业锅炉通用技术条件中规定低10%左右，比国外低20%左右；另一种是烟尘排放量高，每年向大气排放烟尘800多万吨，一氧化碳1.64亿吨，灰渣8700多万吨，直接恶化城区空气质量[36]。因而，节约能源，提高工业锅炉热效率，保护环境，减少工业锅炉烟尘对大气环境污染，始终是锅炉研究重要课题[37-39]。
为了安全生产，及时理解和掌握锅炉运营状况，及时调节锅炉运营参数，普通需要在锅炉上安装各种传感器。其中，仅温度传感器就多达十几种，重要用于对锅炉各处温度进行实时监测[40-41]。然而，尽管锅炉热效率和烟尘排放量与诸多因素关于，但归根结底是由燃料燃烧限度所决定。要想及时理解、掌握和调节燃料燃烧状况，就必要对锅炉炉膛火焰温度场进行精确、在线检测[42-43]。但由于锅炉炉膛火焰温度太高，无法用接触式温度计直接测量，更无法实现接触式温度场在线测量（因而，在“规程”上也无法对此作出明确规定）。因而，如何实现“锅炉火焰温度场精确、在线测量”是十分必要和急迫，不但可以有效地节约能源、保护环境、提高设备运营效率，还是使设备时刻处在最佳运营状态重要前提，可以大大减少事故发生率[44]。固然此项工作也是十分困难。
为了可以理解燃料燃烧状况，老式做法是测量烟气温度，反过来通过推算而实现此目。显然，这是不得已办法，还在很大限度上依赖于经验，不也许做到全面和精确。为此，长期以来，人们对此问题开展了大量研究工作，先后研制成功了“抽汽式高温热电偶”、“辐射高温计”、“热成像仪”、“光学层析电视”等办法、技术和仪器[45]，但由于工业燃烧过程自身具备瞬态变化、随机湍流、设备尺寸庞大、环境恶劣等特性，使得上述办法和仪器在实际使用过程中存在诸多难以克服问题和困难[46]。可喜是，近年来提出“声学测量办法”有望使此问题获得较圆满解决[47-50]。
四、温度场声学测量研究现状及发展趋势
如前所述，尽管人们对“锅炉火焰温度场精确、在线测量” 开展了大量研究工作，也研制出某些办法、技术和仪器，但由于各种因素，到当前为止，此问题远未得到较好解决。
由于用声学法测量温度场，具备测量精度相对较高、测温范畴宽、测量空间大、非接触、实时持续和操作、维护以便等明显长处，日益受到注重和采用，已成为当前国内外研究热点[51-53]。将此办法应用于“锅炉火焰温度场测量”，有望使此问题获得较圆满解决[54-56]。国内外在此方向也开展了较广泛研究工作，获得了许多有益成果，现简述如下：
1．温度场声学测量办法发展历史
声学测温基本原理是根据声波传播速度与介质温度之间存在单值函数关系。早在1687年牛顿（Sir Isaac Newton）就推导出了声学测温原理公式，18由拉普拉斯进行了修正和完善[57]，并于130年此前，由声学家Mayer等进行了实验验证。然而，声学测温技术研究和应用却是在近50年来才逐渐展开。直到上世纪七十年代初期，声学测温才作为一门新兴科学技术正式被提出。
在1955年，Herick A L等人提出了用测量声速办法来测定气体温度建议[58]。随后几十年里，各国科学工作者和工程技术人员对声学测温技术、装置以及应用开展了广泛研究。初期研究重要集中在对声学温度计开发上，涉及气温计、低温声学温度计、共振式石英温度计、超声温度计等[59-60]。
而进入20世纪80年代中期后来，随着电子技术和计算机技术发展，各国学者及工程技术人员则开始了对温度场声学测量办法研究，开展了一系列研究与实验工作，并获得了一定进展。
2．声学测温国外研究现状
1983年，英国中央电力产业局(Central Electricity Generating Board，CEGB)S.F.Green第一次提出将声学测温技术应用于锅炉炉膛温度分布测量，标志着这项新技术诞生，引来了全世界关注[61-63]。
1987年，日本东京电力技术研究所伊腾文夫和三菱重工长崎研究所坂井正康对燃煤锅炉中声波衰减特性等进行了基本研究，以为12kHz频率声波是声学高温计合用频率[64]。
1988年7月，在美国电力研究院(Electric Power Research Institute，EPRI)资助下，矿业能源研究公司(Fossil Energy Research Corp)会同英国中央电力产业局(Central Electricity Generating Board，CEGB)，在堪萨斯电力电灯公司(KPL)劳伦斯能源中心5号机组上，布置了声学测点，对运用声学办法测量炉内烟气温度可行性进行了为期两周实验。1989年，L.J.Muzio等通过上述实验，对声学高温计初次作了独立评价，表白其比老式高温烟气测量有明显长处，不但可用于运营诊断，并可作为开发性研究工具[65]。
1989年，美国内华达大学电力工程系J.A.Kleppe在前人基本上对声学测高温技术进行了系统总结，完善了声学测温系统原理和构造构成[66]。但是，限于当时声学技术、微解决器、信号分析、图像重建等技术水平限制，当前看来某些知识已通过时，但为日后理论研究提供了指引，意义重大[67]。
1993年，德国RWE能源股份公司Willy Derichs通过电站现场实验，初步归纳了炉内温度分布与燃烧器布置、再循环烟气流量、二次风、锅炉负荷、吹灰、结渣积灰和氮氧化物关系，对声学测温用于监测锅炉安全运营打下基本[68]。1995年，明斯特大学Helmut Sielschott在collocation method办法基本上初次提出了加入先验信息重建算法[69]。
1996年，意大利国家研究委员会(Italian National Research Council，CNR)Mauro Bramanti等进行了声学高温计系统用于电站锅炉内层析法热成像研究，分别运用模仿和实际测量实验数据得到了差强人意重建成果[70]，实际数据来自意大利国家电力公司(Italian National Electricity Board，ENEL)，在撒丁岛Santa Gilla镇一种电站实验。虽然仿真重建成果和实际数据一定限度上相吻合，但是在既有锅炉上安装测点数量和位置受到了热力条件和机械条件限制。因而，为了得到更好成果，她们建议针对声波测温系统安装，在锅炉制造时考虑相应设计。1996年，J.A.Kleppe初次提出了将数字信号解决引入到声学测温中来，这对声学测温精度提高具备重要意义[71]。
1998年，英国谢菲尔德大学K.J.Young提出了声学测温在燃烧烟气中误差分析[72]，以为燃料碳氢比、过量空气系数等对声学测温影响可以用修正因子加以调节，并且总测量误差不超过2％。
1999年，英国CODEL公司宣布推出新一代锅炉声学测温产品PyroSonic II。
，日本岐阜大学若井研究室陆剑和若井和憲等人提出了声波在不均匀温度场内传播折射问题是不容忽视，即存在声波“弯曲效应”[73]。她们在计算机上运用最小二乘法及迭代办法进行了温度场重建仿真。成果表白，该算法一定限度上可以消除或弥补声波折射影响，使得声学测温精确性和精度得到进一步提高。
，美国燃烧专家有限公司(Combustion Specialists，Inc)GeorgeKychakoff提出了声学测温在燃烧控制和尾气排放控制中应用[74]。
，德国Budi公司H.P.Drescher，M.Deuster提出了运用声学测温获得温度场分布来定义一种温度场非均匀指数，可望将之作为调节燃烧重要参数，但是实现一种闭环控制还需进一步研究[75]。
，George Kychakoff提出了声学测温在水泥制造工业中应用，并对声学测温系统发展作了回顾，对将来声学测温技术发展布满信心[76]。
当前，以美国SEI（Scientific Engineering Instruments）公司产品最具备代表性，它开发和研制名为BOILER WATCH炉膛温度检测系统[77]，可用来监测大型火力发电厂锅炉温度场分布，在不少电厂做了大量实验，获得了很满意数据和成果。
3．声学测温国内研究现状
国内对于声学测温技术研究起步较晚，直到上世纪末，在国内文献中才见到声学测温技术报道。
1990年，冯鸣翻译了《Power Engineering》1989年11月份L.J.Muzio一篇文章[78]，这是国内最早一份报道，国内从事电力行业人士开始理解到了电站锅炉中声学测温这一新技术。遗憾是在背面左右时间中，并没有得到国内同行关注。
1999年，广东省电力实验研究所曾庭华等将声学测温法和基于图像解决温度场测量法作了比较和讨论[79]，以为非接触式测温比老式测温办法具备较大优势，但其技术发展和成熟仍需时日。1999年，东北大学邵富群等在国内最早成立课题组，正式研究声学测温，并按照Mauro Bramanti于1996年提出思路，基于二维傅立叶函数展开法对重建算法进行了仿真，发现等温线与炉墙正交现象严重，成果并不令人满意[80]。
，吉林省电力科学研究院黄庆康对国外开发声学炉内温度场实时监测系统工作原理、系统硬件和软件构成、应用等作了较为详细报道，对国内从事有关研究人员提供借鉴[81]。
开始至今，东北大学田丰等重要针对声学测温中重建算法作了许多研究，提出了最小二乘法，基于高斯函数展开法等，并对重建过程中迭代和正则化作了尝试，获得了较为满意成果[82-84]。
至今，华北电力大学安连锁、姜根山等对声学测温研究现状和核心技术进行了总结，提出了此后研究重点，并在接下来几年中提出了基于单途径温度抛物线分布再插值二维温度场重建算法[85-86]，建立了温度梯度场中声线传播途径数学模型，提出了基于级数展开法声学CT重建算法[87]，提出了基于高阶合计量分析声波飞渡时间测量等[88]，仿真实验和现场冷态实验成果较好。
至今，大庆石油学院王明吉专家研究小组对温度场声学测量办法机理进行了研究，并对温度梯度场引起声线“弯曲效应”对测量成果影响、声线追踪和三维温度场反演问题进行了一定研究和探讨[89]。
4．发展趋势
从上述国内外研究现状和发展历程可以看出，温度场声学测量办法和技术尚处在方兴未艾发展阶段，有许多问题需要进一步研究和进一步解决。
在国外，此项工作起步较早，研究也较广泛和进一步，在炉膛、体育场等场合开展了大量实验和详细应用，获得了许多有价值数据和成果，甚至研制出少量实用系统和产品。
在国内，此项工作起步较晚，基本上是后来事情。研究工作集中在少数几种高等学校之中，重要研究内容也局限于理论、算法、仿真和声线追踪等基本研究方面，不但尚未开发出实用检测系统，并且就连有一定针对性和实用性实验系统也未见报道，也未引进国外关于系统和产品，与国外相比具备很大差距，必要加快研究和开发步伐，以便迎头赶上。
尽管与国际相比，国内在此领域研究和开发工作尚有很大差距，需要开展许多国外已经开展过工作，但从发展趋势上看，此后将致力于如下几种方面研究工作：
(1)迅速、高效、实用温度场声学测量重建算法研究，这将是一种永无止境课题。
(2)针对不同边界形状温度场传感器布置方式、数量以及温度场空间区域划分方式优化研究。
(3)声波信号有效提取，以及声波飞度时间精确测量办法和技术研究。
(4)可以实现迅速测量实验系统研制，以及模仿测量实验。
(5)针对特定场合应用实用、在线温度场声学监测系统开发。
(6)适应各种场合声发射/接受换能器研制。

五、温度场声学测量原理
1．单途径声学测温原理
由声学原理可知，当声波在无限大、各向同性且均匀气体介质中传播时，声波传播速度与气体温度存在如下单值函数关系[90-91]：
（2-1）
发射
接受
图1 单途径声学测温示意图
式中：
C——声波在介质中传播速度，m/s；
R——抱负气体普适常数，J/mol·k；
γ——气体绝热指数（定压比热容与定容比热容之比值）；
T——气体温度，K；
m——气体摩尔质量，kg/mol。
对于给定气体混合物，为一常数，故声波在其中传播速度取决于气体温度。在实际应用中，可以在待测区域两侧分别安装声波发射器和接受器，发射器发出一种声波脉冲被接受器检测到，通过测定声波在两者间飞渡时间τ，由于两者之间距离D是固定已知常数，则可以拟定声波在传播途径上平均速度C，代入式（2-1）即可求出声波传播途径上气体平均温度T[92]。如图1所示。
2．多途径拟定二维温度场原理
预较精准地测量某个平面区域温度分布，则应依照待测区域几何形状，(a) 长方形边界温度场13条独立声波途径
(b) 圆形边界温度场9条独立声波途径
S1
S2
S3
S4
S5
S6
图2 声波换能器分布和测量途径示意图
S1
S2
S3
S4
S5
S6

在其周边布置各种声波发射/接受换能器，以便产生大量声波传播途径。图2(a)和(b)即是针对长方形边界和圆形边界温度场声波发射/接受换能器布置示意图[93-94]。
在一种测量周期内，顺序启闭S1～S6超声换能器，测量出声波沿每条不重复途径飞渡时间，从而得到若干组声波飞渡时间值，将测得声波飞渡时间值代入重建算法，即可以得出待测二维温度场温度分布状况[95-99] 。
3．三维温度场声学测量原理
众所周知，燃烧火焰皆是三维，要想全面理解火焰温度场分布，最佳是可以迅速、精确、以便地实现三维温度场测量。然而，当前国内外对声学测量温度场研究重要针对二维温度场，关于三维温度场声学测量办法，只有Johnson S A（1997年）[100-101]等少数学者进行了初步研究工作。究其因素，重要是需使用传感器数量较多，传感器布置较困难，独立传播途径诸多，难以实现以便、迅速测量。
图3 传感器空间分布及测量区域分块图
采用32只声波发射/接受传感器，按图3所示方式布置，这样可以形成172条独立有效地声发射-接受途径（除去其自身和同侧壁上传感器）。采用图中所示空间区域划分方式，这样，即可将待测温度场区域划提成64个子温区，符合分割区域数目不能多于声波传播途径数规定。
在一种测量周期内，顺序启闭32只声波发射/接受传感器，测量出声波沿每条不重复途径飞渡时间，从而得到若干组声波飞渡时间值，将测得声波飞渡时间值代入重建算法，即可以得出待测三维温度场温度分布状况。

本课题以工业锅炉炉膛火焰温度场为研究对象，研制一套模仿实验系统，并在实验室条件下实现（方形和圆形边界）二维温度场可视化测量，并对三维温度场声学测量办法进行必要仿真研究。

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