一种声学测温技术中声波飞渡时间的测量方法

为消除由声波换能器延迟振荡效应对声波飞渡时间测量的影响,提出一种'脉冲串归一化阈值点法'测量方法。首先,对所接收到的声波信号取包络并进行归一化,通过合理设置阈值,获得不同传播距离时含有延迟响应的声波飞渡时间;然后,利用线性拟合获得声波换能器的延迟响应时间,由此即可获得声波飞渡时间。试验结果表明,利用修正后的声波飞渡时间所得到的声波传播速度与理论计算值相比误差小于1 m/s,与修正前的测量结果相比,测量精度提高了一个数量级,具有简单、易行、测量精度高等特点。另外,将所提方法应用于二维圆形边界温度场声学测量系统中,获得了较理想的测量结果。

基于互相关的测量声波飞渡时间的研究

根据气体介质温度场声学测量原理可知,只有实现声波飞渡时间的高精度、快速测量,才能保证温度场反演测量的高精度和测量的实时性。为此,将伪随机序列编码技术与互相关分析方法相结合,设计了一种声波飞渡时间高精度、快速测量系统,并对其进行了仿真研究。仿真结果表明:该方案是可行的和有效的。即当不加入伪随机序列时,声发射与接收信号间虽有相关性,但会出现连续重复峰值,无法求得声波飞渡时间;同时,并非采样精度越高越好。当载波频率为40 k Hz时,采样频率选取200 k Hz时的测量精度最高且速度最快,且测量精度绝对误差小于10,能够满足声学测温的高精度和实时测量的要求。

基于相位比较的测量声波飞渡时间的研究

精度测量声波飞渡时间,是目前反演温度场这一领域亟需解决的关键技术。以伪随机序列的时延估计法为粗测基础,利用相位比较测量声波飞渡时间。选择m序列为伪随机序列,将发射和接收的m序列进行互相关运算,基于相位检测法DFT的测量原理,利用FFT快速计算求取声波飞渡时间。经DFT和FFT的运算量结果分析,时延估计法与FFT相结合,运算速度大幅提高,为进一步研究声波飞渡时间提供了很好的理论基础。

基于声学法测温的声波飞渡时间研究

声波飞渡时间的准确测量是声学法测温中影响温度场测温准确性的主要因素。采用互相关分析法计算单一频率声波信号及宽带频率声波信号的声波飞渡时间,仿真结果表明宽带频率信号由于具有较强的抗噪能力在计算声波飞渡时间时不受声波信号周期、信号延时时间等因素的限制,可用于工程实践。同时采用频率为40kHz的正弦波超声波探测器在均匀温场条件下对超声波信号的衰减程度进行试验研究,试验结果表明40 kHz的正弦波超声信号在不经过放大处理条件下,其可测温场的距离仅为160mm。

炉膛声学测温中声波飞渡时间测量的实验研究

炉膛内温度分布的实时监测对大型燃煤锅炉的控制和诊断具有重要意义。声波飞渡时间作为声学测温方法中的重要参数,因炉膛内复杂的燃烧环境而很难精确测量。以国内机组容量为50 MW的燃煤锅炉为研究对象,分析了炉膛内背景噪声以及不同频率的单频信号在炉膛内的衰减特性,从而确定测温中的声波信号频段。并提出采用互相关时延估计法结合希尔伯特变换取包络的方法获得声波飞渡时间。实验结果表明,采用取包络的方法相比未取包络具有更高的精度和更好的稳定性。

基于伪随机序列的松散煤体声学测温方法及应用

长期以来,采空区、煤堆、煤仓等空间的煤自燃火灾时有发生,受限于工作区域的复杂环境和火源探测技术瓶颈等因素,较难实现煤自燃灾害高温点的快速量化识别。而声学测温技术具有测量精度高、测温范围宽、测量空间大等特点,可实现采空区等隐蔽火源位置精准探测且极具发展前景。目前该技术在松散煤体温度测量领域尚处于基础研究和实验室研究阶段,仍需开展大量研究。基于伪随机序列的优越性能,将其引入作为声源信号,并根据声学测温原理和伪随机序列声源信号产生原理,搭建了松散煤体声波测温试验系统。系统主体部分包括声学测试系统、程序升温系统、隔音系统和煤样箱体,结合试验测试和仿真模拟方法,验证了系统的准确性。利用理论分析、Matlab仿真和试验测试相结合的方法,开展伪随机序列声源信号的失真特性研究,确定了该信号的最佳处理方法,成功将其应用于松散煤体测温中。结果表明:伪随机序列可以作为采空区、煤堆、煤仓等空间的松散煤体声学测温的声源信号,但需运用二次相关PHAT–β算法对伪随机序列声源信号发生频率区间(1000~3000 Hz)进行处理,使频带变窄,能量集中;运用伪随机序列声源信号测量声波在松散煤体中飞渡时间,发现不同距离下声波飞渡时间测量结果误差小于5%,并通过了对比验证;伪随机序列作为松散煤体的测温声源信号时,所反演温度与不同粒径的煤样温度之间的平均绝对误差为2.051℃,平均误差率5.293%,能够较为精准、可靠地反演煤温。

基于广义互功率谱的温度检测方法

声温法是基于声波与CT技术相结合的非接触测温法,声波信号飞渡时间的精确测量是温度场检测的关键环节,在低信噪比、复杂混响的背景环境下,传统相关算法无法准确计算出声信号的时延。采用广义互功率谱相位分析算法来克服背景环境中乘积性干扰和卷积性干扰,通过对采样信号进行白化处理,并随信噪比的变化调整互功率谱的权值,来提高时延估计算法的抗噪声与抗混响能力。理论推导和实验结果分析证明,与传统相关函数分析算法和互功率谱相位时延算法进行比较,新互谱算法能有效克服噪声和混响干扰,锐化峰值,准确估计出声信号的时延。

伪随机码超声扩频在声学测温中的应用研究

声学测温技术中声波飞渡时间的测量是提高温度测量精度的关键。为了提高声波测温装置在锅炉强背景噪声下的抗干扰能力,借鉴雷达中的脉冲压缩技术,介绍了基于伪随机二进制序列的超声扩频测声波飞渡时间方法。利用信号处理技术中的互相关函数分析方法,计算声波发射端和接收端两路信号之间的时间延迟。在实验室加背景噪声的条件下,对声波时间延迟估计进行了实验研究。实验结果表明:伪随机码超声扩频测量飞渡时间具有较高的准确性、稳定性和抗干扰性能,该方法对提高声学测温精度具有实际意义。

声学法海底热液口测温方法及其关键技术

针对海底热液口高温、腐蚀的恶劣环境以及不利于二维温度场测量的特点,采用声学测温的基本方法,提出了海底热液口高精度飞渡时间测量和截面二维温度场重建这两个关键技术。同时引入了数据层析还原算法,进行了单峰温度场的还原实验。实验结果验证了声学法应用于海底热液口温度场测量的正确性和可行性。

回波峰值特征声学测温及DSP+FPGA测温系统

针对声学测温高精度、实时性和抗干扰的性能要求,提出一种基于回波峰值特征统计方法测量声波飞渡介质温度的算法,设计系统采用以高速ADC模数转换芯片为外设,FPGA可编程逻辑芯片缓存高速采样数据,DSP数字信号处理器为运算核心的处理系统,对声波飞行时间ToF进行快速精确实时测量。实验结果表明,系统能准确跟踪接触式测温仪为参照的介质温度变化。与阈值法和互相关法对比,该算法适应嵌入式系统,运算速度快,抗干扰性强。

基于声学技术的非接触式烟气流速测量实验

在不影响烟气管道原有流场的前提下,基于声学技术对电站锅炉烟气流速进行了非接触式实验测量。实验采用扫频信号作为信号源,声源和声音传感器分别布置在流道上下2个端面,倾斜一定角度并呈一条直线;根据时差法求气体流速原理,分别运用基本互相关算法和基于相位变换(PHAT)加权广义互相关算法对声波飞渡时间进行测量;比较不同算法和不同倾斜角的测量结果,找到最合适的倾斜角度,并与涡街流量计测得的结果进行比较,验证其可行性。结果表明:非接触式声波法可以在不影响管道流动的情况下准确测得烟气流速;PHAT加权广义互相关算法在测量准确性和灵敏度方面明显优于基本互相关算法;非接触式声波法声源扫频频率5 000~8 000 Hz、倾斜角20°时测量结果最准确,精确度高。

深海热液声学原位测温仪中的声源选择研究

为了选择合适的声源信号,提高深海热液声学原位测温仪的测量精度,针对热液口的声学特性,在分析了信号频率范围和声压级要求的基础上,采用信号发射卡驱动水声换能器发声,然后通过数据采集卡采集换能器接收到的声波信号。同时,对几种典型声信号进行了常温湖水声波飞渡时间实验。实验结果表明,18～23kHz的扫频信号可作为合适的声源信号。这不仅为声学测温中的声源选择提供了指导,而且对水下短距离声波的延时测量也具有一定的参考价值。

基于广义倒谱的相关算法在声学温度检测系统中的应用

声温法是基于声波与CT技术相结合的非接触测温法，声波信号飞渡时间的精确测量是温度场检测的关键环节。在复杂混响的背景环境下，传统的相关算法已无法克服卷积性干扰，可能会出现多相关峰值的处理结果。基于广义倒谱的相关分析算法在声温法温度检测应用中，利用倒谱运算将乘积同态系统与卷积同态系统变换成线性系统，从而分离乘积信号或卷积信号，并滤除乘积性干扰与卷积性干扰。理论与实验测量表明，与传统相关函数分析算法进行比较，新倒谱算法能够有效地克服混响的卷积干扰，并锐化峰值，从而准确估计出声信号的时延。

超声波多通道同步温度分布测量方法

针对超声波温度分布测量方法时效性问题,提出一种超声波多通道同步温度分布测量方法。该方法以多通道同步采集卡及单片机为核心器件,构建超声波多通道同步温度分布测量系统,并对系统硬件进行误差分析。在此基础上,考虑到超声波温度分布图像重建问题的病态本质,本文采用两阶段图像重建方法进行了温度分布测量实验。结果表明,基于Labview,利用数据采集卡为核心的超声波测量系统可以得到较为准确的超声波飞渡时间测量值,并且图像重建得到的温度分布结果与实际温度分布情况较为吻合,表明本文提出的温度分布测量系统与相应的两阶段温度分布图像重建算法,在测量范围内可以较为准确地反映温度分布的实际情况,验证了测量系统的可行性与准确性。

基于声波的快速温度场重建系统研究

传统的声学测温系统往往需要设计复杂的算法来分析回波波形,以确定飞渡时间,降低系统工作效率。为此设计一种以超声波模拟前端TDC1000为核心,配套使用数字转换芯片TDC7200的时差测量系统,可直接获得相应飞渡时间。并在此基础上,针对最小二乘重建算法的边缘温度缺失问题,提出一种基于Reflected Sigmiod函数的温度场重建算法。经测试,该系统可测得纳秒级超声波飞渡时间,结合该文重建算法,能够较准确重建出被测区域温度图像。

松散煤体中声波传播特性及主要路径实验研究

松散煤体高温点精准探测一直是煤堆和煤仓煤自燃火灾防控领域的主要难题,研究声波测温法探测松散煤体温度异常具有重要的实际意义。声波在松散煤体中传播路径的确定是声学测温技术在松散煤体中应用的前提与基础,为了探究声波在松散煤体中的传播特性和主要路径,以长焰煤、瘦煤、无烟煤为研究对象,考虑松散煤体的级配特性,采用声波飞渡时间测试系统,分别测试了声波在纯气体环境以及松散煤体饱和气体环境中的声波飞渡时间,计算了声波在3种气氛环境下不同煤样中飞渡时间的变化率。结果表明:伪随机信号的互相关结果较好,其互相关结果的伪峰与主峰之间相差较大,对主峰判定的干扰较小;声波的传播速度与气体摩尔质量呈反比,声波在氮气、空气及二氧化碳3种气体介质中传播时,在二氧化碳中传播速度最慢,在氮气与空气中的速度相近;相较于气体环境中的传播,声波在同一种气氛条件下松散煤体中的飞渡时间变长,但飞渡时间变化规律与纯气体环境中相同(飞渡时间由长到短依次为二氧化碳、空气、氮气),表明声波飞渡时间与煤的变质程度关系较小;对无烟煤煤样进行重新装样后测试发现,声波飞渡时间变短,但是在松散煤体饱和二氧化碳与饱和空气中的飞渡时间依旧相差较小;在3种气氛环境的不同煤样中,声波在氮气-空气气氛中飞渡时间变化率最小;在氮气-二氧化碳气氛中的变化率最大;不同环境中声波飞渡时间变化率的变化趋势相同,表明声波在松散煤体中传播时主要沿着松散煤体空隙进行传播。研究结果可为声波测温在松散煤体中应用提供一定的理论依据。

电站炉膛煤粉浓度调整下的声波测温技术研究

根据气体声波传输与测温原理,气体介质常数与气体介质浓度及成分有关,建立气体介质常数与气体介质浓度的相应关系对气体温度精确测量意义重大。利用自行研制的声波测温系统,测量在距离确定条件下一定空间里不同煤粉浓度下声波传输飞渡时间的相应数据。对数据进行拟合处理,得到了煤粉气体介质浓度和气体介质常数的数学模型。经验证,该模型可以将测量精度提高6.8℃左右,为进一步的煤粉燃烧情况下的高温气体测量提供了理论支持。

基于声波速度测量的锅炉炉膛温度监测

介绍了利用声波测量锅炉炉膛温度、建立全截面温度场的原理及实施方法,经试验验证,基于互相关函数法能较好地测量声波飞渡时间,并且试验数据十分稳定,将温度场作燃烧可视化成像处理,直观监控锅炉炉膛燃烧状况,确定了利用声波测量锅炉炉膛内温度技术的可行性。