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温度场声学测量方法与技术
文献综述
一、温度测量的意义及现状
人类自诞生之日起就不得不与“冷、热"打交道，并在长期的生产实践过程中，逐步建立起了“温度"的概念。为了保障生产、适应生存和不断提高生活质量，人类对“温度”的实质和定量测量的研究从未间断过。经过克劳修斯和开尔文等一大批科学家的努力,该问题在一定时期得到了较好的解决,并被全世界所公认.然而，随着人类的发展和社会的飞速进步，人们发现，不仅“温度”与我们的关系越来越密切，而且关于“温度的实质和定量测量”等问题远没有得到最终解决.为此，全世界无数的科学家都在此研究领域进行着不懈的努力，从而使得此方向一直是世界前沿研究领域之一，新的测试原理、方法和仪器层出不穷。
各种测温方法都是基于物体的某些物理化学性质与温度之间具有的一定的关系,例如物体的几何尺寸、颜色、电导率、热电势和辐射强度等都与物体的温度有关。当温度不同时，以上这些参数中的一个或几个随之发生变化，测出这些参数的变化，就可间接地知道被测物体的温度[1-2]。
一般来说,温度测量方法分为接触测量法和非接触测量法两大类。用接触式方法测温时，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方法[3-7]。接触式测温简单、可靠、测量精度高，但由于达到热平衡需要一定时间，因而会产生测温的滞后现象.此外，感温元件往往会破坏被测对象的温度场，并有可能受到被测介质的腐蚀［8]。与接触式温度测量技术相比，现代测温技术多为非接触式,对传感器耐热性能无特殊要求，避免了传感器和被测目标的相互干扰，测温范围大，无热惯性，响应速度较快,可以测量微小目标的温度，满足众多场合对温度测量范围和精度的要求［9-14］。接触法与非接触法测温特性详见表1，常用温度计的种类及特性详见表2。
表1 接触法与非接触法测温特性

接触法
非接触法
特 点
测量热容量小的物体有困难;测量移动物体有困难；可测量任何部位的温度；便于多点集中测量和自动控制
不改变被测介质温度场，可测量移动物件的温度，通常测量表面温度
测量条件
测温元件要与被测对象很好接触；接触测温元件不要使被测对象的温度发生变化
由被测对象发出的辐射能充分照射到检测元件；被测对象的有效发射率要准确知道，或者具有重现的可能性
测量范围
容易测量1000℃以下的温度，测量1200℃以上的温度有困难
测量1000℃以上的温度较准确,测量1000℃以下的温度误差大
准确度
通常为0。5％～1%,依据测量条件可达0.01%
通常为20℃左右，条件好的可达5~10℃
响应速度
通常较慢,约1～3分钟
通常较快，约2～3秒,即使迟缓的也在10秒内
表2 常用温度计的种类及特性
原 理
种 类
使用温度范围℃
量值传递温度范围℃
准确度 ℃
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
900～2000
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、温度场测量的意义及现状
“温度”不仅是一个统计平均的物理量,而且更具有“三维"的含义，也就是说，在三维空间中无处不存在“温度”的量值，实际上是一个“温度场”的概念。近年来人们发现，对温度场的研究和定量测量不仅与我们的生产和生活更加密切相关，而且意义更加重大。
例如,在日常生活中的体育馆、俱乐部乃至家庭住房等场所中，良好的气流组织一直是其设计的重点和难点[15］，而良好的气流组织则需要合理、均匀的温度场分布,能否有一个科学合理的温度场分布，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的,有必要把握室内温度场的分布特征［16—19]。
再如，海洋的变化对世界气候及人类活动有着巨大的影响,而海洋的变化在很大程度上反映在其内部温度场的变化上［20—25］。因而,对海洋内部温度场进行长时间、大面积的监测，对了解海水运动的变化规律，进而开发和利用海洋［26—28];准确进行中、长期天气预报;以及推算地球的气候变化，进而研究地球的温室效应等都具有十分重要的现实意义[15］ ［29］。
另外，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、以及大气温度场等的实时在线检测，对安全生产、减少污染、提高能源利用率等也变得越来越紧迫和急需［30—33］。
然而，温度场的测量又是一个十分复杂的问题，虽然采用“温度计"进行逐点测量的方法可以在一定程度上解决一些实际问题,但在大多数场合采用这种方法测量温度场却是极不现实的，甚至是根本行不通的。因此简便、快捷的温度场测量方法、技术和设备的研究已经成为目前一个十分活跃的研究领域［34］。
三、锅炉火焰温度场测量的重要性
所谓“锅炉”,即是其本体主要由“锅"和“炉"两部分组成。它是利用燃料燃烧释放的热能（或其他热能），将工质加热到一定参数(温度和压力）的设备。按用途可分为“动力锅炉”和“工业锅炉”两种，按燃料和能源分，主要有“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].本课题主要是针对“燃煤、燃气、燃油"等工业锅炉而开展的一项基础性研究工作。
工业锅炉用量大、使用范围广，但存在两个技术问题：一个是锅炉热效率低,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;另一个是烟尘排放量高，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］.因此，节约能源，提高工业锅炉的热效率，保护环境，降低工业锅炉烟尘对大气环境的污染，一直是锅炉研究的重要课题[37—39］。
为了安全生产，及时了解和掌握锅炉的运行状况，及时调节锅炉的运行参数，通常需要在锅炉上安装多种传感器.其中，仅温度传感器就多达十几个，主要用于对锅炉各处温度进行实时监测[40—41］。然而，尽管锅炉的热效率和烟尘排放量与诸多因素有关，但归根结底是由燃料的燃烧程度所决定的。要想及时了解、掌握和调节燃料的燃烧状况，就必须对锅炉炉膛火焰温度场进行准确、在线检测［42—43］.但由于锅炉炉膛火焰的温度太高,无法用接触式的温度计直接测量，更无法实现接触式的温度场在线测量（因此，在“规程”上也无法对此作出明确要求）.因此，如何实现“锅炉火焰温度场的准确、在线测量”是十分必要和紧迫的，不仅可以有效地节约能源、保护环境、提高设备的运行效率，还是使设备时刻处于最佳运行状态的重要前提，可以大大降低事故的发生率［44].当然此项工作也是十分困难的。
为了能够了解燃料的燃烧状况,传统的做法是测量烟气的温度，反过来通过推算而实现此目的。显然，这是不得已的办法，还在很大程度上依赖于经验，不可能做到全面和准确。为此,长期以来，人们对此问题开展了大量的研究工作,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”等方法、技术和仪器[45］，但由于工业燃烧过程自身具有瞬态变化、随机湍流、设备尺寸庞大、环境恶劣等特征，使得上述方法和仪器在实际使用过程中存在很多难以克服的问题和困难［46]。可喜的是,近年来提出的“声学测量方法"有望使此问题获得较圆满的解决[47-50］.
四、温度场声学测量的研究现状及发展趋势
如前所述,尽管人们对“锅炉火焰温度场的准确、在线测量” 开展了大量的研究工作，也研制出一些方法、技术和仪器，但由于各种原因，到目前为止，此问题远未得到较好的解决。
由于用声学法测量温度场，具有测量精度相对较高、测温范围宽、测量空间大、非接触、实时连续和操作、维护方便等显著优点，日益受到重视和采用，已成为目前国内外研究的热点［51-53]。将此方法应用于“锅炉火焰温度场的测量"，有望使此问题获得较圆满的解决[54—56]。国内外在此方向也开展了较广泛的研究工作，取得了许多有益的成果,现简述如下：
1．温度场声学测量方法的发展历史
声学测温的基本原理是依据声波传播速度与介质温度之间存在单值的函数关系.早在1687年牛顿（Sir Isaac Newton）就推导出了声学测温的原理公式,1817年由拉普拉斯进行了修正和完善［57]，并于130年以前,由声学家Mayer等进行了实验验证。然而,声学测温技术的研究和应用却是在近50年来才逐步展开的。直到上世纪七十年代初期,声学测温才作为一门新兴的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的方法来测定气体温度的建议[58］.随后的几十年里,各国的科学工作者和工程技术人员对声学测温的技术、装置以及应用开展了广泛的研究.早期的研究主要集中在对声学温度计的开发上，包括气温计、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年代中期以后，随着电子技术和计算机技术的发展，各国学者及工程技术人员则开始了对温度场的声学测量方法的研究，开展了一系列的研究与试验工作，并取得了一定的进展。
2．声学测温的国外研究现状
1983年，英国中央电力产业局（Central Electricity Generating Board，CEGB）的S。F.Green第一次提出将声学测温技术应用于锅炉炉膛的温度分布测量，标志着这项新技术的诞生，引来了全世界的关注[61—63]。
1987年，日本东京电力技术研究所的伊腾文夫和三菱重工长崎研究所的坂井正康对燃煤锅炉中声波的衰减特性等进行了基础研究，认为12kHz频率的声波是声学高温计的适用频率［64]。
1988年7月，在美国电力研究院（Electric Power Research Institute，EPRI）的资助下，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）的劳伦斯能源中心的5号机组上，布置了声学测点，对利用声学方法测量炉内烟气温度的可行性进行了为期两周的实验.1989年，L。J.Muzio等通过上述实验，对声学高温计首次作了独立评价，表明其比传统的高温烟气测量有明显的优点,不仅可用于运行诊断，并可作为开发性研究的工具［65]。
1989年,美国内华达大学电力工程系J.A.Kleppe在前人的基础上对声学测高温技术进行了系统的总结，完善了声学测温系统的原理和结构组成[66］。但是,限于当时声学技术、微处理器、信号分析、图像重建等技术水平的限制，现在看来一些知识已经过时，但为后来的理论研究提供了指导，意义重大［67]。
1993年，德国RWE能源股份公司的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的关系，对声学测温用于监测锅炉安全运行打下基础[68].1995年,明斯特大学的Helmut Sielschott在collocation method方法基础上首次提出了加入先验信息的重建算法[69]。
1996年,意大利国家研究委员会（Italian National Research Council,CNR）的Mauro Bramanti等进行了声学高温计系统用于电站锅炉内的层析法热成像研究,分别利用模拟和实际测量实验的数据得到了差强人意的重建结果［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镇的一个电站实验。虽然仿真重建结果和实际数据一定程度上相吻合，但是在现有锅炉上安装的测点数量和位置受到了热力条件和机械条件的限制。因此,为了得到更好的结果，他们建议针对声波测温系统的安装，在锅炉制造时考虑相应的设计.1996年,J.A。Kleppe首次提出了将数字信号处理引入到声学测温中来,这对声学测温精度的提高具有重要意义［71］.
1998年,英国谢菲尔德大学的K.J。Young提出了声学测温在燃烧烟气中的误差分析［72]，认为燃料的碳氢比、过量空气系数等对声学测温的影响可以用修正因子加以调整，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。
2000年，日本岐阜大学若井研究室的陆剑和若井和憲等人提出了声波在不均匀温度场内传播的折射问题是不容忽视的，即存在声波的“弯曲效应"[73］。他们在计算机上利用最小二乘法及迭代方法进行了温度场重建的仿真.结果表明，该算法一定程度上可以消除或弥补声波折射的影响,使得声学测温的准确性和精度得到进一步的提高。
2000年，美国燃烧专家有限公司(Combustion Specialists，Inc)的GeorgeKychakoff提出了声学测温在燃烧控制和尾气排放控制中的应用［74]。
2001年，德国Budi公司的H。P.Drescher，M。Deuster提出了利用声学测温获得的温度场分布来定义一个温度场的非均匀指数，可望将之作为调整燃烧的重要参数，但是实现一个闭环控制还需进一步研究［75］。
2005年,George Kychakoff提出了声学测温在水泥制造工业中应用，并对声学测温系统的发展作了回顾,对未来声学测温技术的发展充满信心［76］。
目前，以美国SEI（Scientific Engineering Instruments）公司的产品最具有代表性，它开发和研制的名为BOILER WATCH的炉膛温度检测系统[77］,可用来监测大型火力发电厂的锅炉温度场分布，在不少电厂做了大量试验，取得了很满意的数据和结果.
3．声学测温的国内研究现状
国内对于声学测温技术的研究起步较晚，直到上世纪末，在国内文献中才见到声学测温技术的报道。
1990年，冯鸣翻译了《Power Engineering》1989年11月份L.J。Muzio的一篇文章[78］,这是国内最早的一份报道，国内从事电力行业的人士开始了解到了电站锅炉中声学测温这一新技术。遗憾的是在后面的10年左右的时间中，并没有得到国内同行的关注。
1999年，广东省电力试验研究所的曾庭华等将声学测温法和基于图像处理的温度场测量法作了比较和讨论[79]，认为非接触式测温比传统测温方法具有较大优势,但其技术的发展和成熟仍需时日。1999年，东北大学的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年提出的思路，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,结果并不令人满意[80］。
2000年，吉林省电力科学研究院的黄庆康对国外开发的声学炉内温度场实时监测系统的工作原理、系统硬件和软件构成、应用等作了较为详细的报道，对国内从事相关研究的人员提供借鉴［81］。
2001年开始至今，东北大学的田丰等主要针对声学测温中的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,并对重建过程中的迭代和正则化作了尝试，取得了较为满意的结果[82-84].
2003年至今,华北电力大学的安连锁、姜根山等对声学测温的研究现状和关键技术进行了总结，提出了今后的研究重点，并在接下来的几年中提出了基于单路径温度抛物线分布再插值的二维温度场重建算法［85-86]，建立了温度梯度场中声线传播路径的数学模型，提出了基于级数展开法的声学CT重建算法［87],提出了基于高阶累计量分析的声波飞渡时间测量等[88］,仿真实验和现场冷态实验的结果较好。
2004年至今，大庆石油学院王明吉教授的研究小组对温度场声学测量方法的机理进行了研究，并对温度梯度场引起的声线“弯曲效应”对测量结果的影响、声线追踪和三维温度场反演问题进行了一定的研究和探讨［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，温度场声学测量方法和技术尚处于方兴未艾的发展阶段，有许多问题需要深入研究和进一步解决.
在国外，此项工作起步较早，研究的也较广泛和深入，在炉膛、体育场等场所开展了大量的实验和具体应用，取得了许多有价值的数据和成果，甚至研制出少量的实用系统和产品。
在国内,此项工作起步较晚,基本上是2000年以后的事情.研究工作集中在少数几个高等学校之中，主要研究内容也局限于理论、算法、仿真和声线追踪等基础研究方面,不仅尚未开发出实用的检测系统，而且就连有一定针对性和实用性的实验系统也未见报道，也未引进国外有关的系统和产品，与国外相比具有很大的差距，必须加快研究和开发步伐，以便迎头赶上。
尽管与国际相比，我国在此领域的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的工作,但从发展趋势上看，今后将致力于以下几个方面的研究工作:
（1）快速、高效、实用的温度场声学测量重建算法的研究，这将是一个永无止境的课题。
（2）针对不同边界形状温度场的传感器布置方式、数量以及温度场空间区域划分方式的优化研究.
(3)声波信号的有效提取，以及声波飞度时间准确测量的方法和技术研究。
（4）能够实现快速测量的实验系统的研制，以及模拟测量实验。
（5）针对特定场所应用的实用、在线温度场声学监测系统的开发。
(6)适应各种场所的声发射/接收换能器的研制。
五、温度场声学测量原理
1．单路径声学测温原理
由声学原理可知，当声波在无限大、各向同性且均匀的气体介质中传播时，声波的传播速度与气体的温度存在如下的单值函数关系[90—91]：
（2—1）
发射
接收
图1 单路径声学测温示意图
式中：
C——声波在介质中的传播速度，m/s；
R——理想气体普适常数，J/mol·k；
γ--气体的绝热指数(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。
对于给定的气体混合物,为一常数，故声波在其中的传播速度取决于气体的温度.在实际应用中，可以在待测区域的两侧分别安装声波发射器和接受器,发射器发出一个声波脉冲被接收器检测到，通过测定声波在二者间的飞渡时间τ,由于两者之间的距离D是固定的已知常数，则可以确定声波在传播路径上的平均速度C，代入式(2—1）即可求出声波传播路径上气体的平均温度T［92]。如图1所示。
2．多路径确定二维温度场的原理
预较精确地测量某个平面区域的温度分布，则应根据待测区域的几何形状，(a) 长方形边界温度场13条独立声波路径
(b) 圆形边界温度场9条独立声波路径
S1
S2
S3
S4
S5
S6
图2 声波换能器分布和测量路径示意图
S1
S2
S3
S4
S5
S6

在其周围布置多个声波发射/接收换能器，以便产生大量的声波传播路径。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/接收换能器布置的示意图［93—94］.
在一个测量周期内，顺序启闭S1～S6超声换能器，测量出声波沿每条不重复路径的飞渡时间，从而得到若干组声波飞渡时间值，将测得的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情况［95-99] .
3．三维温度场声学测量原理
众所周知,燃烧火焰皆是三维的，要想全面了解火焰的温度场分布，最好是能够快速、准确、方便地实现三维温度场的测量.然而，目前国内外对声学测量温度场的研究主要针对二维温度场，关于三维温度场的声学测量方法，只有Johnson S A(1997年）［100-101]等少数学者进行了初步的研究工作。究其原因，主要是需使用的传感器的数量较多,传感器的布置较困难,独立传播路径很多,难以实现方便、快速测量。
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/接收传感器，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—接收路径（除去其自身和同侧壁上的传感器）.采用图中所示的空间区域划分方式，这样，即可将待测温度场区域划分成64个子温区，符合分割区域的数目不能多于声波传播路径数的要求。
在一个测量周期内，顺序启闭32只声波发射/接收传感器，测量出声波沿每条不重复路径的飞渡时间，从而得到若干组声波飞渡时间值，将测得的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情况。
本课题以工业锅炉炉膛火焰温度场为研究对象,研制一套模拟实验系统，并在实验室条件下实现(方形和圆形边界）二维温度场的可视化测量，并对三维温度场的声学测量方法进行必要的仿真研究。
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