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时息，具有工程应用的潜力和较大的实用价值。此外，该系统在实际使用的过程中稳定可靠，能够满足工业生产、科学研究中温度场精确测量和在线控制的需要，特别是在高温和恶劣的测温环境中。从声学法工业炉温度测量技术目前在国内外的应用及发展来看，该测量方法无疑具有广阔的工业应用前景。

第二章 方案论证

声波是机械波，是振动在连续介质中的传播。测温原理正是建立在声波波动理论和热力学理论基础之上的。本章基于声波波动方程和声速方程的推导建立声速与媒质温度之间的关系。另外，由于锅炉内在梯度温度场，必须考虑声波在非均匀温度场中的传播特性。而且，由于炉膛内是一个气体、煤粉、燃烧产物等共存的气固两相流动介质，还需要考虑到声波在多相流动介质中的传播特性。基于前面的分析，对声学测温所可能产生的测量误差进行了分析。最后，我们所要研究的对象是一个大尺寸的锅炉炉膛。

2.1超声波的定义

波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或

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传输到其他点上。声波是一种弹性机械波。人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz一20KHz，超声波是频率大于20KHz的机械波[4]。在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。

2.2温度的超声测量

超声测温是一种新的测温技术，日益受到重视和采用。例如：在低温测量方面，已把超声测温计作为2~20K温度范围内的基准计温方法；在高温或高压气体测温方面，超声温度计具有反应迅速的特点，已经用来对汽轮机进气、火箭排气和气缸中燃烧气体等高达2000℃左右的温度进行测量，甚至对高达17000℃热核等离子区的温度进行测量；在气压低达0.0001 atm的高空，使用超声测温，便于遥测又不受辐射热的影响；在熔融液（如钢水）中可在几百度到两千度内进行不接触的超声测温；此外，还可以在海水、快速反应堆中用超声进行温度精确的测量。

超声测温大多数是以气、液、固三态介质中温度和声速的相关性为理论基础的。理想气体的声速与绝对温度的平方根成正比，许多固体和液体的声速一般随温度增高而降低。气体的声速变化率在低温时最大，大多数液体的声速变化率基本上不随温度而变，固体则在高温时声速变化率最大。在实际测试中，根据测试介质

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的不同、环境条件的不同以及测温范围的不同，发展了一些具体的超声温度计。比如超声气温计、测量低温的电声气体温度计和干涉仪式超声温度计、石英温度计、细线敏感元件的超声温度计等。

2.4声学测温的典型装置介绍

在使用声学方法来进行温度测量时，声波要在放入被测介质中的另外一种材料中传播，这种材料是一种敏感材料，可以是另外一种气体，也可以是石英晶体或者金属丝等。使用这种方法，可以获得某点处的温度值。

一种以另一种气体介质为敏感材料的声学测温装置的原理图如图2-1所示。以气体介质作为敏感材料时，将其装进一个导热良好的薄壁管中，该气体能很快地与被测气体达到热平衡。在管的一端安装一只扬声器，另一端装一只接收器，测出声脉冲在管中的传播速度，便可求出被测气体介质的温度。在这种方法中，为使测量误差尽可能小，应采用分子量大的稀有气体作为测量气体，目前多选用氩。

另一种常见的是用金属丝作敏感元件，主要由传感器、缓冲器、敏感元件和电子设备等四部分组成。美国新墨西哥州阿尔布开克市的圣迪亚国立实验室研制的一种由焊接敷钍钨导线的磁限制铁钴元件组成的超声波温度计，就是这样的一种温度计。

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图2-1 声学测温装置原理图

2.5温度场声学测量方法的工作原理

在第2.3节中已经介绍了声学测温的基本原理，即：声波在气体中的传播速度是介质温度的单值函数[13,29]，国外学者则称这种方法为Acoustic travel time tomography。目前所见到的测量系统和装置多应用于气体介质中，即声波直接在需测温度的气体中传播。它是一种温度场的直接测量方法。在理想气体介质中，声速与介质绝对温度的平方根成正比，即满足式（2-8）。声波直接在被测气体介质中传播，要将用以发射和接收声波的传感器置于未知温度的区域中，在声波发射和接收装置之间形成一条声学路径。由于两点之间的距离为已知的固定常数d，而声波在该条路径上的传播时间（travel time）τ是可以测量的，这样就可以得到声波在该条声学路径上的平均速度：c =d/τ。

已知声速与介质的绝对温度之间的关系满足关系式，因此在获得一条声波路径上的平均速度c之后，就可以求出该路径上介质的平均温度。在待测温度区域的断面四周安装若干个声波发射/接收传感器，形成多条声学路径，同时将温度场进行合理的划分，

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