超声法气体温度场的TSR算法重建及实验研究

发布时间：2020-07-13 12:31

【摘要】：温度分布测量对于大型锅炉的在线监测、优化燃烧、降低污染、以及保障设备安全运行等领域具有重要意义。获取准确的温度分布测量是一个有挑战性的问题。传统的温度分布测量方式可分为接触式测量与非接触式测量两类。接触式测量方法具有简单、直观等优势。然而,由于测量设备与被测对象接触,势必对被测对象原本的温度分布状态造成影响,导致测量误差。非接触式测量方法不干扰被测对象温度分布,弥补了接触式测量的缺陷,已获得了广泛地关注。由于具有机械波特性,可适应光线昏暗、粉尘浓度大、充满有毒有害气体、及强电磁辐射的等极端测量场合等优势,超声波方法被认为是一种极具广阔发展前景的温度分布测量方法。本文主要研究超声温度分布测量方法。主要的研究工作为：(1)基于超声波动方程、热力学方程,阐明了超声测温的原理；揭示了超声传播速度与介质温度之间的关系；明确了准确获取TOF测量数据对于超声温度分布测量的重要性。(2)超声温度分布重建问题在本质上是一个病态问题,重建算法的精度对于实现超声温度分布测量至关重要。不同于常规超声温度分布重建方法,本文提出了一种同时考虑了测量误差、模型误差以及被测对象动态变化的新型两阶段图像重建方法,改善温度分布重建精度。第一阶段,为缓解超声温度分布重建的病态本质,应用粗网格离散重建区域,使得网格数少于独立的测量数据,确保重建模型在这一阶段的超定；在此基础上,采用适当的算法求解被测区域的温度分布。第二阶段,基于粗网格的温度分布数据与径向基函数方法,提出一种同时考虑TOF测量数据误差、模型的不精确性与被测对象动态演化信息的新型目标泛函,将温度分布重建问题转化为最优化问题的求解；应用模拟退火方法寻求该目标泛函的全局最优解。仿真结果证明,本文提出的重建方法能够显著改善重建质量,为超声温度分布重建提供了一种新的有效方法。(3)设计并制作了超声温度分布测量系统硬件,以STC12单片机为核心器件,结合放大器、多路开关、相位比较器、触发器等外围电路,实现TOF数据测量。采用理论模型与Monte Carlo数值模拟方法分析了硬件系统的静态误差,同时考虑电气误差与环境误差对测量结果的影响,提出了合理的超声波换能器误差范围,为实现高质量的温度分布测量,在硬件选取方面提供了重要依据。(4)采用实验途径验证了相位差法、幅值相位调制法与阈值法在针对TOF测量的可行性,最终确定阈值法为本文测量硬件系统的最佳TOF测量方式。同时,提出一种计算完整波长数的方法与实际测量步骤,解决了超声波单频率相位差法难以确定完整波长数的难题,并通过实验研究证实了该方法的有效性。(5)考虑到TOF实际测量数据的不精确性本质,进行TOF测量动态误差分析,提出了基于小波多尺度分析方法的TOF数据降噪方法,提高了TOF数据的质量,为重建高精度的温度分布奠定了基础。(6)针对气体介质稳定热源,利用本文研制的超声温度分布测量系统进行TOF测量,并实现温度分布测量。实验研究结果证实了本文设计的超声测温系统与提出的两阶段图像重建算法的可行性与有效性,为气体介质温度分布可视化测量提供了一种有效途径。
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK311;TB559

【参考文献】