影响声学法测温准确度因素的研究

摘要

在火力发电、钢铁冶炼等大型企业的工业生产中，对炉膛内气体温度场分布情况的监测是具有非常重要的意义的，它有助于燃料燃烧的实时控制、锅炉的安全稳定运行以及燃烧过程中的优化控制等各个方面的实现。作为一种新型的非接触式的温度测量方法，声学法测温技术与其他温度测量方法相比具有快速性、精确性、测量范围广、实时连续测量以及维护成本低等优点，它因其在科学研究与工业生产中对炉膛中气体温度的测量方面中极大的优势而得到了广泛的研究。 本文介绍了声学法温度场检测的基本原理和发展现状，并基于Matlab软件设计了上位机GUI界面并改进了上位机程序，同时也设计了下位机程序，实现了下位机的气体温度的独立测量。通过对单路径温度测量数据的频谱分析，以及在进行大量的实验基础上，探讨并解决了一些影响声学法单路径测温准确度的因素所带来的问题，按照需求改进了相应的模拟电路系统。最后引入了误差处理方法从而提高了测量结果的精确度。 主要工作可以概括为: (1)研究了声学法温度测量的基本原理，通过理论推导与联系实际应用系统地分析了影响单路径声学测温的各种因素; (2)基于原有的电路进行了大量实验，针对实验结果中出现的各种干扰问题进行深入的研究并提出相应的解决方案，同时通过MATLAB编写了上位机频谱分析程序以及相应的GUI界面; (3)在前人的基础上，改进了原声学测温系统的模拟电路部分，引入相应的反馈控制模块，完成了声学法测温硬件电路系统的制作; (4)编写了下位机普通互相关程序，并通过引入伪随机序列从而验证了程序的可靠性，同时引入增益调节达到对下游信号的幅值灵活的控制的目的，从而满足了现场温度测量的需求; (5)通过双路接收的大量实验，初步确定了影响实验结果准确性的修正时间值，从而消除了基于TTOA方法进行声学测温中由扬声器引起的系统误差，同时通过增大观测时间以及编写数据处理程序，引入取平均，去除大于三倍均方差的值等方法，实现了单路径声学测温精度的提高，最终使单路径测温结果的误差在距离为2m的条件下达到1％以内。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1课题背景

1．2常见测温方法

1．2．1接触式测温

1．2．2非接触式测温

1．3声学法测温的研究现状

1．3．1国外研究现状

1．3．2国内研究现状

1．4主要研究内容及论文安排

1．4．1主要研究内容

1．4．2论文安排

第2章声学测温理论基础

2．1声学测温基本原理

2．1．1波动方程

2．1．2温度与渡越时间的关系

2．2声学测温算法研究

2．2．1相关系数

2．2．2时延估计算法

2．3信号源的选取

2．3．1正弦信号

2．3．2脉冲信号

2．3．3线性扫频信号

2．3．4白噪声信号

2．4影响声学测温准确度的因素分析

2．4．1理论因素

2．4．2现场环境因素

2．5本章小结

第3章测温系统的硬件电路系统设计

3．1系统整体设计

3．2信号发射系统

3．2．1白噪声发生电路

3．2．2带通滤波电路

3．2．3音频放大电路

3．2．4零点迁移电路

3．2．5阻抗匹配／限幅电路

3．3信号接收系统

3．3．1差分放大电路

3．3．2增益反馈控制电路

3．4数字控制系统

3．4．1 ARM微控制器

3．4．2显示电路

3．4．3串口通信电路

3．4．4外扩SRAM

3．4．5模数转换电路

3．4．6 4～20mA电流环

3．5本章小结

第4章测温系统的软件系统设计

4．1上位机程序设计

4．1．1 GUI界面设计

4．1．2串口通信程序设计

4．1．3运算与分析程序设计

4．2下位机程序设计

4．3本章小结

第5章实验及结果分析

5．1系统测量参数的初步确定

5．2辐射干扰消除

5．3双麦克风实验研究

5．4幅值反馈控制实验研究

5．5误差分析与处理

5．5．1误差分析

5．5．2实验结果的数据处理

5．6本章小结

第6章结论与展望

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢