基于超声波温度检测的温度场重建算法与实验研究

发布时间：2020-05-15 02:36

【摘要】：作为一种新型的加热方式,微波加热广泛应用于冶金、化工等领域。相比于传统加热方式,微波加热利用了微波穿透性强、高聚能的特性,使得微波在短时间内穿透被加热介质,在与其相互作用后直接产成体积热,减少了加热时间,同时具有节能和环保特性。但是在微波加热过程中,受大功率微波作用,被加热介质的介电特性随时间变化而变化,使得介质所受外加交变电磁场分布不均匀,其内部形成热点;同时被加热介质温度与其微波吸收能力呈正反馈,导致介质温度骤增,产生热失控现象。热点和热失控一旦发生,极易引发火灾、爆炸等安全事故,严重制约了微波加热的高效和安全应用。因此,研究适用于微波工业电磁场环境下的温度分布检测技术成为微波加热领域一项重要研究课题,而传统温度检测技术难以应用于微波加热环境中。本文在国家重点基础研究发展计划(973计划)课题三“基于负载特性的微波源实时智能控制理论与关键技术”的支撑下,围绕微波加热过程中被加热介质内部温度感知关键性问题展开研究,提出利用基于超声波温度检测的温度场重建算法重建被加热介质内部温度场,采用“单路径温度检测-二维平面温度场重建-三维空间温度场重建”的研究思路,在仿真与实验环境中验证温度场重建算法的有效性,以期为微波加热过程中被加热介质温度控制策略的制定,提供实时、准确的温度感知信息,防止热点、热失控的发生,实现对微波源的安全控制。针对二维平面与三维空间温度场重建问题,本文提出了两种二维平面温度场重建算法和一种三维空间温度场重建算法;在温度场重建实验研究中,提出了一种超声波飞行时间测量方法;本文研究内容主要包括以下五个方面:(1)介绍了本文的研究背景及研究意义;综述了温度检测技术、温度场重建算法以及超声波温度检测技术国内外研究现状;详细推导了声学类温度检测原理。(2)研究了最小二乘温度场重建算法原理,该算法通过最小二乘法获取待测区域有限个点的温度值,然后通过对温度值进行插值重建出待测区域温度场,然而无法得到待测区域边界处超声波换能器所在位置的温度信息。同时在对温度值进行插值时插值范围受限,故在重建结果中,待测区域边界处的温度信息丢失,无法反映整个待测区域的温度分布特征。针对上述问题,提出了基于径向基函数的二维平面温度场重建算法,详细阐述了温度场重建算法流程。仿真结果表明,所提出的基于径向基函数的温度场重建算法解决了最小二乘温度场重建算法重建结果中温度信息缺失的问题,重建误差较小,重建精度较高,提升了温度场重建算法的重建性能。(3)分析了最小二乘法和径向基函数的特点,结合最小二乘法和径向基函数的优势,提出了改进的温度场重建算法:融合最小二乘法和径向基函数的二维平面温度场重建算法。首先利用最小二乘法获取待测区域每一个划分子区域的中心点温度值,然后将这些中心点温度值作为未知温度场函数的采样点信息,通过径向基函数对采样点温度值进行逼近,间接重建出了待测区域温度场。对比最小二乘温度场重建算法和基于径向基函数的温度场重建算法,仿真结果表明,所提出的温度场重建算法既兼顾了径向基函数在函数逼近方面的优势,又利用了最小二乘法的精确性特点,较为准确地重建出了了待测区域温度场。对于边界温度分布情况的反映更为准确,重建误差进一步减小,重建精度进一步改善,重建性能得到了进一步提高。(4)基于二维平面温度场重建算法研究基础,开展了三维空间温度场重建研究工作,提出了一种直接三维温度场重建算法:基于径向基函数的三维空间温度场重建算法。在仿真环境中构建四种不同复杂程度的三维空间温度场模型,在方形腔体待测三维空间中通过重建算法对模型温度场进行了重建。重建结果表明,所提出的重建算法能够较为全面、准确的重建出待测三维空间温度分布,重建性能优良,有望为未来相关研究领域提供理论支撑。(5)在温度场重建算法研究基础上,进行了温度场重建实验研究,构建了基于信号发生器、分体式超声波发射/接收换能器、信号调理电路、存储模块、上位机、多路选通模块和PC机的超声波温度检测系统,提出了一种基于双激励与双回波的超声波飞行时间测量方法。在1m?1m的正方形待测区域周围,安装9个分体式超声波换能器。当待测区域由热源加热时(模拟单热源对称加热和单热源偏斜加热),结合基于径向基函数的二维平面温度场重建算法和所提出的超声波飞行时间测量方法,重建出待测区域温度分布。重建结果表明,所构建的超声波温度检测系统能够充分利用分体式超声波发射/接收换能器的实用性,较为准确地重建出待测区域二维平面温度场,间接反映了重建算法具有一定的可行性以及所提出的超声波飞行时间测量方法的有效性。
【图文】：

示意图,温度测量系统,声波,示意图

Industries、Electric Power Research Institute、Fossil Energy Research Corp、CentrElectricity Generating Board、Babcock and Wilcox Company，，印度的 NationResearch Council。美国Scientific Engineering Instruments Company生产的 BOILERWATCH MM系列声波温度测量系统(图 1.6)，由 DPU 控制器、前置放大器、硬件处理器和成。该系统同时配置 8 个双向声波发射/接收传感器，采集 2-16 个通道声波信号最多形成24 条声波飞行路径。在所设定的运行控制周期中(系统管理程序设定)硬件处理器按一定顺序开启和关闭声波发射/接收传感器，前置放大器对声波号进行放大后由 DPU 控制器采集信号并进行存储、处理，最终获得声波飞行间。该温度测量系统能够实现炉膛平面温度分布的重建(燃烧温度场重建)，较有效地在线监测不同工况下炉内温度分布及燃烧状态，进而预防炉内温度场中燃烧峰值偏移造成的燃烧不均、燃烧效率降低、二次燃烧等事故，使火焰燃烧度得到控制、煤粉在炉内得到充分燃烧、燃烧能量得到合理分配。国外应用数表明，将该系统应用于锅炉运行工况中之后，锅炉运行时间延长 36%，能耗约 1%-3%。

声波接收器,测温系统,现场安装

(b)图 1.7 PyroMetrix 测温系统: (a) 声波接收器; (b) 现场安装Fig.1.7 PyroMetrix System: (a) Sound receiver; (b) Field installation.度场重建算法综述场重建算法可以看作是多个超声波换能器在特定区域或者环境的网络，其内部超声波换能器进行 “相互交流”的过程，而超的载体。该网络如同一个小型物联网，使得超声波换能器之间通桥梁，每个换能器之间不再相对独立，而是变成了可以进行小二乘温度场重建算法二乘法通过已知解集和微分运算寻求未知解集，使未知解集与平方和最小；其原理简单、重建速度较快，在温度场重建中具基础，应用较为广泛。其特点主要为：从多维、复杂的数据中关联性，并将这种规律性以函数或者曲线形式表达出来。对于
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN015;TB559

【参考文献】