溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量辦法與技術(shù)文獻(xiàn)綜述一、溫度測(cè)量意義及現(xiàn)狀人類自誕生之日起就不得不與“冷、熱”打交道，并在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，逐漸建立起了“溫度”概念。為了保障生產(chǎn)、適應(yīng)生存和不斷提高生活質(zhì)量，人類對(duì)“溫度”實(shí)質(zhì)和定量測(cè)量研究從未間斷過(guò)。通過(guò)克勞修斯和開爾文等一大批科學(xué)家努力，該問(wèn)題在一定期期得到了較好解決，并被全世界所公認(rèn)。然而，隨著人類發(fā)展和社會(huì)飛速進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)，不但“溫度”與咱們關(guān)系越來(lái)越密切，并且關(guān)于“溫度實(shí)質(zhì)和定量測(cè)量”等問(wèn)題遠(yuǎn)沒(méi)有得到最后解決。為此，全世界無(wú)數(shù)科學(xué)家都在此研究領(lǐng)域進(jìn)行著不懈努力，從而使得此方向始終是世界前沿研究領(lǐng)域之一，新測(cè)試原理、辦法和儀器層出不窮。各種測(cè)溫辦法都是基于物體某些物理化學(xué)性質(zhì)與溫度之間具備一定關(guān)系，例如物體幾何尺寸、顏色、電導(dǎo)率、熱電勢(shì)和輻射強(qiáng)度等都與物體溫度關(guān)于。當(dāng)溫度不同步，以上這些參數(shù)中一種或幾種隨之發(fā)生變化，測(cè)出這些參數(shù)變化，就可間接地懂得被測(cè)物體溫度[1-2]。普通來(lái)說(shuō)，溫度測(cè)量辦法分為接觸測(cè)量法和非接觸測(cè)量法兩大類。用接觸式辦法測(cè)溫時(shí)，感溫元件需要與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，液體膨脹式溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、熱電阻溫度計(jì)等均屬于此類。當(dāng)用光學(xué)高溫計(jì)、輻射高溫汁、紅外測(cè)溫儀探測(cè)器測(cè)溫時(shí)，感溫元件不必與被測(cè)介質(zhì)相接觸，故稱為非接觸式測(cè)溫辦法[3-7]。接觸式測(cè)溫簡(jiǎn)樸、可靠、測(cè)量精度高，但由于達(dá)到熱平衡需要一定期間，因而會(huì)產(chǎn)生測(cè)溫滯后現(xiàn)象。此外，感溫元件往往會(huì)破壞被測(cè)對(duì)象溫度場(chǎng)，并有也許受到被測(cè)介質(zhì)腐蝕[8]。與接觸式溫度測(cè)量技術(shù)相比，當(dāng)代測(cè)溫技術(shù)多為非接觸式，對(duì)傳感器耐熱性能無(wú)特殊規(guī)定，避免了傳感器和被測(cè)目的互相干擾，測(cè)溫范疇大，無(wú)熱慣性，響應(yīng)速度較快，可以測(cè)量微小目的溫度，滿足眾多場(chǎng)合對(duì)溫度測(cè)量范疇和精度規(guī)定[9-14]。接觸法與非接觸法測(cè)溫特性詳見(jiàn)表1，慣用溫度計(jì)種類及特性詳見(jiàn)表2。表1接觸法與非接觸法測(cè)溫特性

接觸法非接觸法特點(diǎn)測(cè)量熱容量小物體有困難；測(cè)量移動(dòng)物體有困難；可測(cè)量任何部位溫度；便于多點(diǎn)集中測(cè)量和自動(dòng)控制不變化被測(cè)介質(zhì)溫度場(chǎng)，可測(cè)量移動(dòng)物件溫度，普通測(cè)量表面溫度測(cè)量條件測(cè)溫元件要與被測(cè)對(duì)象較好接觸；接觸測(cè)溫元件不要使被測(cè)對(duì)象溫度發(fā)生變化由被測(cè)對(duì)象發(fā)出輻射能充分照射到檢測(cè)元件；被測(cè)對(duì)象有效發(fā)射率要精確懂得，或者具備重現(xiàn)也許性測(cè)量范疇容易測(cè)量1000℃如下溫度，測(cè)量1200℃以上溫度有困難測(cè)量1000℃以上溫度較精確，測(cè)量1000℃如下溫度誤差大精確度普通為0.5%～1%，根據(jù)測(cè)量條件可達(dá)0.01%普通為20℃左右，條件好可達(dá)5～10℃響應(yīng)速度普通較慢，約1～3分鐘普通較快，約2～3秒，雖然遲緩也在10秒內(nèi)表2慣用溫度計(jì)種類及特性原理種類使用溫度范疇℃量值傳遞溫度范疇℃精確度℃線性化響應(yīng)速度記錄與控制價(jià)格膨脹水銀溫度計(jì)有機(jī)液體溫度計(jì)雙金屬溫度計(jì)-50～650-100～200-50～500-50～550-100～200-50～5000.1～21～40.5～5可可可中中慢不適合不適合適合便宜壓力液體壓力溫度計(jì)蒸汽壓力溫度計(jì)-30～600-20～350-30～600-20～3500.5～50.5～5可非中中適合便宜電阻鉑電阻溫度計(jì)熱敏電阻溫度計(jì)-260～1000-50～350-260～961-50～3500.01～50.3～5良非中快適合貴中熱電動(dòng)勢(shì)熱電溫度計(jì)BS·R0～18000～16000～16000～13004～81.5～5可可快適合熱電動(dòng)勢(shì)NKEJT0～1300-200～1200-200～800-200～800-200～3500～1200-180～1000-180～700-180～600-180～3002～102～103～53～102～5良良良良良快適合

熱輻射光學(xué)高溫計(jì)700～3000900～3～10非—不適合中光電高溫計(jì)輻射溫度計(jì)比色溫度計(jì)200～3000約100～約3000180～3500600～2500——1～105～205～20非快中快適合貴二、溫度場(chǎng)測(cè)量意義及現(xiàn)狀“溫度”不但是一種記錄平均物理量，并且更具備“三維”含義，也就是說(shuō)，在三維空間中無(wú)處不存在“溫度”量值，事實(shí)上是一種“溫度場(chǎng)”概念。近年來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，對(duì)溫度場(chǎng)研究和定量測(cè)量不但與咱們生產(chǎn)和生活更加密切有關(guān)，并且意義更加重大。例如，在尋常生活中體育館、俱樂(lè)部乃至家庭住房等場(chǎng)合中，良好氣流組織始終是其設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)[15]，而良好氣流組織則需要合理、均勻溫度場(chǎng)分布，能否有一種科學(xué)合理溫度場(chǎng)分布，直接決定著氣流組織、空調(diào)和采暖設(shè)計(jì)，對(duì)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、提高生產(chǎn)和生活質(zhì)量都是至關(guān)重要，有必要把握室內(nèi)溫度場(chǎng)分布特性[16-19]。再如，海洋變化對(duì)世界氣候及人類活動(dòng)有著巨大影響，而海洋變化在很大限度上反映在其內(nèi)部溫度場(chǎng)變化上[20-25]。因而，對(duì)海洋內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大面積監(jiān)測(cè)，對(duì)理解海水運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，進(jìn)而開發(fā)和運(yùn)用海洋[26-28]；精確進(jìn)行中、長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)；以及推算地球氣候變化，進(jìn)而研究地球溫室效應(yīng)等都具備十分重要現(xiàn)實(shí)意義[15][29]。此外，對(duì)各種燃燒和加熱設(shè)備中火焰和煙氣溫度場(chǎng)、氣體和液體儲(chǔ)罐內(nèi)部溫度場(chǎng)、以及大氣溫度場(chǎng)等實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，對(duì)安全生產(chǎn)、減少污染、提高能源運(yùn)用率等也變得越來(lái)越急迫和急需[30-33]。然而，溫度場(chǎng)測(cè)量又是一種十分復(fù)雜問(wèn)題，雖然采用“溫度計(jì)”進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量辦法可以在一定限度上解決某些實(shí)際問(wèn)題，但在大多數(shù)場(chǎng)合采用這種辦法測(cè)量溫度場(chǎng)卻是極不現(xiàn)實(shí)，甚至是主線行不通。因而簡(jiǎn)便、快捷溫度場(chǎng)測(cè)量辦法、技術(shù)和設(shè)備研究已經(jīng)成為當(dāng)前一種十分活躍研究領(lǐng)域[34]。三、鍋爐火焰溫度場(chǎng)測(cè)量重要性所謂“鍋爐”，即是其本體重要由“鍋”和“爐”兩某些構(gòu)成。它是運(yùn)用燃料燃燒釋放熱能（或其她熱能），將工質(zhì)加熱到一定參數(shù)（溫度和壓力）設(shè)備。按用途可分為“動(dòng)力鍋爐”和“工業(yè)鍋爐”兩種，按燃料和能源分，重要有“燃煤鍋爐”、“燃?xì)忮仩t”、“燃油鍋爐”和“余熱鍋爐”；對(duì)工業(yè)鍋爐來(lái)說(shuō)，按輸出工質(zhì)又可分為“蒸汽鍋爐”和“熱水鍋爐”，對(duì)燃煤鍋爐來(lái)說(shuō)，按燃燒方式又可分為“層燃爐、室燃爐、沸騰爐”，等等[35]。本課題重要是針對(duì)“燃煤、燃?xì)狻⑷加汀钡裙I(yè)鍋爐而開展一項(xiàng)基本性研究工作。工業(yè)鍋爐用量大、使用范疇廣，但存在兩個(gè)技術(shù)問(wèn)題：一種是鍋爐熱效率低，平均熱效率為60%左右，比國(guó)家工業(yè)鍋爐通用技術(shù)條件中規(guī)定低10%左右，比國(guó)外低20%左右；另一種是煙塵排放量高，每年向大氣排放煙塵800多萬(wàn)噸，一氧化碳1.64億噸，灰渣8700多萬(wàn)噸，直接惡化城區(qū)空氣質(zhì)量[36]。因而，節(jié)約能源，提高工業(yè)鍋爐熱效率，保護(hù)環(huán)境，減少工業(yè)鍋爐煙塵對(duì)大氣環(huán)境污染，始終是鍋爐研究重要課題[37-39]。為了安全生產(chǎn)，及時(shí)理解和掌握鍋爐運(yùn)營(yíng)狀況，及時(shí)調(diào)節(jié)鍋爐運(yùn)營(yíng)參數(shù)，普通需要在鍋爐上安裝各種傳感器。其中，僅溫度傳感器就多達(dá)十幾種，重要用于對(duì)鍋爐各處溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[40-41]。然而，盡管鍋爐熱效率和煙塵排放量與諸多因素關(guān)于，但歸根結(jié)底是由燃料燃燒限度所決定。要想及時(shí)理解、掌握和調(diào)節(jié)燃料燃燒狀況，就必要對(duì)鍋爐爐膛火焰溫度場(chǎng)進(jìn)行精確、在線檢測(cè)[42-43]。但由于鍋爐爐膛火焰溫度太高，無(wú)法用接觸式溫度計(jì)直接測(cè)量，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)接觸式溫度場(chǎng)在線測(cè)量（因而，在“規(guī)程”上也無(wú)法對(duì)此作出明確規(guī)定）。因而，如何實(shí)現(xiàn)“鍋爐火焰溫度場(chǎng)精確、在線測(cè)量”是十分必要和急迫，不但可以有效地節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、提高設(shè)備運(yùn)營(yíng)效率，還是使設(shè)備時(shí)刻處在最佳運(yùn)營(yíng)狀態(tài)重要前提，可以大大減少事故發(fā)生率[44]。固然此項(xiàng)工作也是十分困難。為了可以理解燃料燃燒狀況，老式做法是測(cè)量煙氣溫度，反過(guò)來(lái)通過(guò)推算而實(shí)現(xiàn)此目。顯然，這是不得已辦法，還在很大限度上依賴于經(jīng)驗(yàn)，不也許做到全面和精確。為此，長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)此問(wèn)題開展了大量研究工作，先后研制成功了“抽汽式高溫?zé)犭娕肌薄ⅰ拜椛涓邷赜?jì)”、“熱成像儀”、“光學(xué)層析電視”等辦法、技術(shù)和儀器[45]，但由于工業(yè)燃燒過(guò)程自身具備瞬態(tài)變化、隨機(jī)湍流、設(shè)備尺寸龐大、環(huán)境惡劣等特性，使得上述辦法和儀器在實(shí)際使用過(guò)程中存在諸多難以克服問(wèn)題和困難[46]。可喜是，近年來(lái)提出“聲學(xué)測(cè)量辦法”有望使此問(wèn)題獲得較圓滿解決[47-50]。四、溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)如前所述，盡管人們對(duì)“鍋爐火焰溫度場(chǎng)精確、在線測(cè)量”開展了大量研究工作，也研制出某些辦法、技術(shù)和儀器，但由于各種因素，到當(dāng)前為止，此問(wèn)題遠(yuǎn)未得到較好解決。由于用聲學(xué)法測(cè)量溫度場(chǎng)，具備測(cè)量精度相對(duì)較高、測(cè)溫范疇寬、測(cè)量空間大、非接觸、實(shí)時(shí)持續(xù)和操作、維護(hù)以便等明顯長(zhǎng)處，日益受到注重和采用，已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)[51-53]。將此辦法應(yīng)用于“鍋爐火焰溫度場(chǎng)測(cè)量”，有望使此問(wèn)題獲得較圓滿解決[54-56]。國(guó)內(nèi)外在此方向也開展了較廣泛研究工作，獲得了許多有益成果，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下：1．溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量辦法發(fā)展歷史聲學(xué)測(cè)溫基本原理是根據(jù)聲波傳播速度與介質(zhì)溫度之間存在單值函數(shù)關(guān)系。早在1687年牛頓（SirIsaacNewton）就推導(dǎo)出了聲學(xué)測(cè)溫原理公式，18由拉普拉斯進(jìn)行了修正和完善[57]，并于130年此前，由聲學(xué)家Mayer等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。然而，聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)研究和應(yīng)用卻是在近50年來(lái)才逐漸展開。直到上世紀(jì)七十年代初期，聲學(xué)測(cè)溫才作為一門新興科學(xué)技術(shù)正式被提出。在1955年，HerickAL等人提出了用測(cè)量聲速辦法來(lái)測(cè)定氣體溫度建議[58]。隨后幾十年里，各國(guó)科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員對(duì)聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)、裝置以及應(yīng)用開展了廣泛研究。初期研究重要集中在對(duì)聲學(xué)溫度計(jì)開發(fā)上，涉及氣溫計(jì)、低溫聲學(xué)溫度計(jì)、共振式石英溫度計(jì)、超聲溫度計(jì)等[59-60]。而進(jìn)入20世紀(jì)80年代中期后來(lái)，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，各國(guó)學(xué)者及工程技術(shù)人員則開始了對(duì)溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量辦法研究，開展了一系列研究與實(shí)驗(yàn)工作，并獲得了一定進(jìn)展。2．聲學(xué)測(cè)溫國(guó)外研究現(xiàn)狀1983年，英國(guó)中央電力產(chǎn)業(yè)局(CentralElectricityGeneratingBoard，CEGB)S.F.Green第一次提出將聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于鍋爐爐膛溫度分布測(cè)量，標(biāo)志著這項(xiàng)新技術(shù)誕生，引來(lái)了全世界關(guān)注[61-63]。1987年，日本東京電力技術(shù)研究所伊騰文夫和三菱重工長(zhǎng)崎研究所坂井正康對(duì)燃煤鍋爐中聲波衰減特性等進(jìn)行了基本研究，以為12kHz頻率聲波是聲學(xué)高溫計(jì)合用頻率[64]。1988年7月，在美國(guó)電力研究院(ElectricPowerResearchInstitute，EPRI)資助下，礦業(yè)能源研究公司(FossilEnergyResearchCorp)會(huì)同英國(guó)中央電力產(chǎn)業(yè)局(CentralElectricityGeneratingBoard，CEGB)，在堪薩斯電力電燈公司(KPL)勞倫斯能源中心5號(hào)機(jī)組上，布置了聲學(xué)測(cè)點(diǎn)，對(duì)運(yùn)用聲學(xué)辦法測(cè)量爐內(nèi)煙氣溫度可行性進(jìn)行了為期兩周實(shí)驗(yàn)。1989年，L.J.Muzio等通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，對(duì)聲學(xué)高溫計(jì)初次作了獨(dú)立評(píng)價(jià)，表白其比老式高溫?zé)煔鉁y(cè)量有明顯長(zhǎng)處，不但可用于運(yùn)營(yíng)診斷，并可作為開發(fā)性研究工具[65]。1989年，美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)電力工程系J.A.Kleppe在前人基本上對(duì)聲學(xué)測(cè)高溫技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，完善了聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)原理和構(gòu)造構(gòu)成[66]。但是，限于當(dāng)時(shí)聲學(xué)技術(shù)、微解決器、信號(hào)分析、圖像重建等技術(shù)水平限制，當(dāng)前看來(lái)某些知識(shí)已通過(guò)時(shí)，但為日后理論研究提供了指引，意義重大[67]。1993年，德國(guó)RWE能源股份公司W(wǎng)illyDerichs通過(guò)電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，初步歸納了爐內(nèi)溫度分布與燃燒器布置、再循環(huán)煙氣流量、二次風(fēng)、鍋爐負(fù)荷、吹灰、結(jié)渣積灰和氮氧化物關(guān)系，對(duì)聲學(xué)測(cè)溫用于監(jiān)測(cè)鍋爐安全運(yùn)營(yíng)打下基本[68]。1995年，明斯特大學(xué)HelmutSielschott在collocationmethod辦法基本上初次提出了加入先驗(yàn)信息重建算法[69]。1996年，意大利國(guó)家研究委員會(huì)(ItalianNationalResearchCouncil，CNR)MauroBramanti等進(jìn)行了聲學(xué)高溫計(jì)系統(tǒng)用于電站鍋爐內(nèi)層析法熱成像研究，分別運(yùn)用模仿和實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了差強(qiáng)人意重建成果[70]，實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)自意大利國(guó)家電力公司(ItalianNationalElectricityBoard，ENEL)，在撒丁島SantaGilla鎮(zhèn)一種電站實(shí)驗(yàn)。雖然仿真重建成果和實(shí)際數(shù)據(jù)一定限度上相吻合，但是在既有鍋爐上安裝測(cè)點(diǎn)數(shù)量和位置受到了熱力條件和機(jī)械條件限制。因而，為了得到更好成果，她們建議針對(duì)聲波測(cè)溫系統(tǒng)安裝，在鍋爐制造時(shí)考慮相應(yīng)設(shè)計(jì)。1996年，J.A.Kleppe初次提出了將數(shù)字信號(hào)解決引入到聲學(xué)測(cè)溫中來(lái)，這對(duì)聲學(xué)測(cè)溫精度提高具備重要意義[71]。1998年，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)K.J.Young提出了聲學(xué)測(cè)溫在燃燒煙氣中誤差分析[72]，以為燃料碳?xì)浔取⑦^(guò)量空氣系數(shù)等對(duì)聲學(xué)測(cè)溫影響可以用修正因子加以調(diào)節(jié)，并且總測(cè)量誤差不超過(guò)2％。1999年，英國(guó)CODEL公司宣布推出新一代鍋爐聲學(xué)測(cè)溫產(chǎn)品PyroSonicII。，日本岐阜大學(xué)若井研究室陸劍和若井和憲等人提出了聲波在不均勻溫度場(chǎng)內(nèi)傳播折射問(wèn)題是不容忽視，即存在聲波“彎曲效應(yīng)”[73]。她們?cè)谟?jì)算機(jī)上運(yùn)用最小二乘法及迭代辦法進(jìn)行了溫度場(chǎng)重建仿真。成果表白，該算法一定限度上可以消除或彌補(bǔ)聲波折射影響，使得聲學(xué)測(cè)溫精確性和精度得到進(jìn)一步提高。，美國(guó)燃燒專家有限公司(CombustionSpecialists，Inc)GeorgeKychakoff提出了聲學(xué)測(cè)溫在燃燒控制和尾氣排放控制中應(yīng)用[74]。，德國(guó)Budi公司H.P.Drescher，M.Deuster提出了運(yùn)用聲學(xué)測(cè)溫獲得溫度場(chǎng)分布來(lái)定義一種溫度場(chǎng)非均勻指數(shù)，可望將之作為調(diào)節(jié)燃燒重要參數(shù)，但是實(shí)現(xiàn)一種閉環(huán)控制還需進(jìn)一步研究[75]。，GeorgeKychakoff提出了聲學(xué)測(cè)溫在水泥制造工業(yè)中應(yīng)用，并對(duì)聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)發(fā)展作了回顧，對(duì)將來(lái)聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)發(fā)展布滿信心[76]。當(dāng)前，以美國(guó)SEI（ScientificEngineeringInstruments）公司產(chǎn)品最具備代表性，它開發(fā)和研制名為BOILERWATCH爐膛溫度檢測(cè)系統(tǒng)[77]，可用來(lái)監(jiān)測(cè)大型火力發(fā)電廠鍋爐溫度場(chǎng)分布，在不少電廠做了大量實(shí)驗(yàn)，獲得了很滿意數(shù)據(jù)和成果。3．聲學(xué)測(cè)溫國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)于聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)研究起步較晚，直到上世紀(jì)末，在國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中才見(jiàn)到聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)報(bào)道。1990年，馮鳴翻譯了《PowerEngineering》1989年11月份L.J.Muzio一篇文章[78]，這是國(guó)內(nèi)最早一份報(bào)道，國(guó)內(nèi)從事電力行業(yè)人士開始理解到了電站鍋爐中聲學(xué)測(cè)溫這一新技術(shù)。遺憾是在背面左右時(shí)間中，并沒(méi)有得到國(guó)內(nèi)同行關(guān)注。1999年，廣東省電力實(shí)驗(yàn)研究所曾庭華等將聲學(xué)測(cè)溫法和基于圖像解決溫度場(chǎng)測(cè)量法作了比較和討論[79]，以為非接觸式測(cè)溫比老式測(cè)溫辦法具備較大優(yōu)勢(shì)，但其技術(shù)發(fā)展和成熟仍需時(shí)日。1999年，東北大學(xué)邵富群等在國(guó)內(nèi)最早成立課題組，正式研究聲學(xué)測(cè)溫，并按照MauroBramanti于1996年提出思路，基于二維傅立葉函數(shù)展開法對(duì)重建算法進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)等溫線與爐墻正交現(xiàn)象嚴(yán)重，成果并不令人滿意[80]。，吉林省電力科學(xué)研究院黃慶康對(duì)國(guó)外開發(fā)聲學(xué)爐內(nèi)溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)硬件和軟件構(gòu)成、應(yīng)用等作了較為詳細(xì)報(bào)道，對(duì)國(guó)內(nèi)從事有關(guān)研究人員提供借鑒[81]。開始至今，東北大學(xué)田豐等重要針對(duì)聲學(xué)測(cè)溫中重建算法作了許多研究，提出了最小二乘法，基于高斯函數(shù)展開法等，并對(duì)重建過(guò)程中迭代和正則化作了嘗試，獲得了較為滿意成果[82-84]。至今，華北電力大學(xué)安連鎖、姜根山等對(duì)聲學(xué)測(cè)溫研究現(xiàn)狀和核心技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，提出了此后研究重點(diǎn)，并在接下來(lái)幾年中提出了基于單途徑溫度拋物線分布再插值二維溫度場(chǎng)重建算法[85-86]，建立了溫度梯度場(chǎng)中聲線傳播途徑數(shù)學(xué)模型，提出了基于級(jí)數(shù)展開法聲學(xué)CT重建算法[87]，提出了基于高階合計(jì)量分析聲波飛渡時(shí)間測(cè)量等[88]，仿真實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)成果較好。至今，大慶石油學(xué)院王明吉專家研究小組對(duì)溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量辦法機(jī)理進(jìn)行了研究，并對(duì)溫度梯度場(chǎng)引起聲線“彎曲效應(yīng)”對(duì)測(cè)量成果影響、聲線追蹤和三維溫度場(chǎng)反演問(wèn)題進(jìn)行了一定研究和探討[89]。4．發(fā)展趨勢(shì)從上述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展歷程可以看出，溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量辦法和技術(shù)尚處在方興未艾發(fā)展階段，有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和進(jìn)一步解決。在國(guó)外，此項(xiàng)工作起步較早，研究也較廣泛和進(jìn)一步，在爐膛、體育場(chǎng)等場(chǎng)合開展了大量實(shí)驗(yàn)和詳細(xì)應(yīng)用，獲得了許多有價(jià)值數(shù)據(jù)和成果，甚至研制出少量實(shí)用系統(tǒng)和產(chǎn)品。在國(guó)內(nèi)，此項(xiàng)工作起步較晚，基本上是后來(lái)事情。研究工作集中在少數(shù)幾種高等學(xué)校之中，重要研究?jī)?nèi)容也局限于理論、算法、仿真和聲線追蹤等基本研究方面，不但尚未開發(fā)出實(shí)用檢測(cè)系統(tǒng)，并且就連有一定針對(duì)性和實(shí)用性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也未見(jiàn)報(bào)道，也未引進(jìn)國(guó)外關(guān)于系統(tǒng)和產(chǎn)品，與國(guó)外相比具備很大差距，必要加快研究和開發(fā)步伐，以便迎頭趕上。盡管與國(guó)際相比，國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域研究和開發(fā)工作尚有很大差距，需要開展許多國(guó)外已經(jīng)開展過(guò)工作，但從發(fā)展趨勢(shì)上看，此后將致力于如下幾種方面研究工作：(1)迅速、高效、實(shí)用溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量重建算法研究，這將是一種永無(wú)止境課題。(2)針對(duì)不同邊界形狀溫度場(chǎng)傳感器布置方式、數(shù)量以及溫度場(chǎng)空間區(qū)域劃分方式優(yōu)化研究。(3)聲波信號(hào)有效提取，以及聲波飛度時(shí)間精確測(cè)量辦法和技術(shù)研究。(4)可以實(shí)現(xiàn)迅速測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制，以及模仿測(cè)量實(shí)驗(yàn)。(5)針對(duì)特定場(chǎng)合應(yīng)用實(shí)用、在線溫度場(chǎng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)。(6)適應(yīng)各種場(chǎng)合聲發(fā)射/接受換能器研制。五、溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量原理1．單途徑聲學(xué)測(cè)溫原理由聲學(xué)原理可知，當(dāng)聲波在無(wú)限大、各向同性且均勻氣體介質(zhì)中傳播時(shí)，聲波傳播速度與氣體溫度存在如下單值函數(shù)關(guān)系[90-91]：（2-1）發(fā)射接受發(fā)射接受圖1單途徑聲學(xué)測(cè)溫示意圖C——聲波在介質(zhì)中傳播速度，m/s；R——抱負(fù)氣體普適常數(shù)，J/mol·k；γ——?dú)怏w絕熱指數(shù)（定壓比熱容與定容比熱容之比值）；T——?dú)怏w溫度，K；m——?dú)怏w摩爾質(zhì)量，kg/mol。對(duì)于給定氣體混合物，為一常數(shù)，故聲波在其中傳播速度取決于氣體溫度。在實(shí)際應(yīng)用中，可以在待測(cè)區(qū)域兩側(cè)分別安裝聲波發(fā)射器和接受器，發(fā)射器發(fā)出一種聲波脈沖被接受器檢測(cè)到，通過(guò)測(cè)定聲波在兩者間飛渡時(shí)間τ，由于兩者之間距離D是固定已知常數(shù)，則可以擬定聲波在傳播途徑上平均速度C，代入式（2-1）即可求出聲波傳播途徑上氣體平均溫度T[92]。如圖1所示。2．多途徑擬定二維溫度場(chǎng)原理 預(yù)較精準(zhǔn)地測(cè)量某個(gè)平面區(qū)域溫度分布，則應(yīng)依照待測(cè)區(qū)域幾何形狀，((a)長(zhǎng)方形邊界溫度場(chǎng)13條獨(dú)立聲波途徑(b)圓形邊界溫度場(chǎng)9條獨(dú)立聲波途徑S1S2S3S4S5S6圖2聲波換能器分布和測(cè)量途徑示意圖S1S2S3S4S5S6在其周邊布置各種聲波發(fā)射/接受換能器，以便產(chǎn)生大量聲波傳播途徑。圖2(a)和(b)即是針對(duì)長(zhǎng)方形邊界和圓形邊界溫度場(chǎng)聲波發(fā)射/接受換能器布置示意圖[93-94]。在一種測(cè)量周期內(nèi)，順序啟閉S1～S6超聲換能器，測(cè)量出聲波沿每條不重復(fù)途徑飛渡時(shí)間，從而得到若干組聲波飛渡時(shí)間值，將測(cè)得聲波飛渡時(shí)間值代入重建算法，即可以得出待測(cè)二維溫度場(chǎng)溫度分布狀況[95-99]。3．三維溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量原理眾所周知，燃燒火焰皆是三維，要想全面理解火焰溫度場(chǎng)分布，最佳是可以迅速、精確、以便地實(shí)現(xiàn)三維溫度場(chǎng)測(cè)量。然而，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)聲學(xué)測(cè)量溫度場(chǎng)研究重要針對(duì)二維溫度場(chǎng)，關(guān)于三維溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量辦法，只有JohnsonSA（1997年）[100-101]等少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了初步研究工作。究其因素，重要是需使用傳感器數(shù)量較多，傳感器布置較困難，獨(dú)立傳播途徑諸多，難以實(shí)現(xiàn)以便、迅速測(cè)量。圖3傳感器空間分布及測(cè)量區(qū)域分塊圖采用32只聲波發(fā)射/接受傳感器，按圖3所示方式布置，這樣可以形成172條獨(dú)立有效地聲發(fā)射-接受途徑（除去其自身和同側(cè)壁上傳感器）。采用圖中所示空間區(qū)域劃分方式，這樣，即可將待測(cè)溫度場(chǎng)區(qū)域劃提成64個(gè)子溫區(qū)，符合圖3傳感器空間分布及測(cè)量區(qū)域分塊圖在一種測(cè)量周期內(nèi)，順序啟閉32只聲波發(fā)射/接受傳感器，測(cè)量出聲波沿每條不重復(fù)途徑飛渡時(shí)間，從而得到若干組聲波飛渡時(shí)間值，將測(cè)得聲波飛渡時(shí)間值代入重建算法，即可以得出待測(cè)三維溫度場(chǎng)溫度分布狀況。本課題以工業(yè)鍋爐爐膛火焰溫度場(chǎng)為研究對(duì)象，研制一套模仿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)（方形和圓形邊界）二維溫度場(chǎng)可視化測(cè)量，并對(duì)三維溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量辦法進(jìn)行必要仿真研究。

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