CN103454013A - 微波加热环境下的三维温度场声学检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波加热环境下的三维温度场声学检测装置及方法。DSP控制单元驱动超声波发射电路，超声波发射电路驱动超声波换能器阵列发射超声波，超声波在微波加热环境中传输后由超声波换能器阵列接收，超声波换能器阵列将接收的超声波机械信号转换为电信号后传送给超声波接收电路，超声波接收电路对接收到的电信号进行处理，然后输入超声波数据采集单元；超声波数据采集单元受DSP控制单元的控制，对超声波数据进行采集并暂存，然后通过数据传输接口输入上位机；DSP控制单元通过串口与上位机连接，热点报警保护单元通过信号传输线与DSP控制单元的报警信号输出端连接。本发明结构简单，安装方便，能进行异常报警。

Description

微波加热环境下的三维温度场声学检测装置及方法

技术领域

本发明属于工业微波加热的温度检测技术领域，具体涉及一种用于微波加热环境下的三维温度场声学检测装置。

背景技术

作为一种新型热源，微波具有加热速度快、热能利用率高、可实现快速自动控制等优点，已被广泛应用于医疗、科研以及工业加热领域。在利用微波进行工业加热的过程中，温度尤其重要，但处于微波强电磁场环境下的温度测量是微波技术应用的一大难题；同时微波加热过程复杂，经常会出现局部温度过高，甚至发生爆炸的情况。所以，对被加热区域的三维温度场进行有效检测和重建对加热均匀性控制，以及防止意外事故的发生至关重要。

公告号为CN102032948A，名称为《一种高微波辐射下的温度测量方法》的专利，就公开了一种高微波辐射下的温度测量方法，该方法通过在微波装置壁上开一圆形孔，利用截止波导阻止从孔泄漏出的微波，并通过凸透镜将从截止波导透射出的红外光汇聚，再由红外探测器进行检测而对物体测温。该方法的主要缺点是：测量范围小，只能测量加热物体的表面温度，无法反映工业微波加热区域的三维温度场。

发明内容

本发明的目的是针对现有微波强电磁场下温度测量方法的不足，提供一种微波加热环境下的三维温度场声学检测装置，能有效监测工业微波加热中被加热区域内部的温度分布，实时重建三维温度场，提供异常热点报警保护的功能，结构简单，安装方便，测量范围广，能对微波加热控制提供决策支持信息。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，本发明包括超声波换能器阵列、超声波发射电路、超声波接收电路、热点报警保护单元、DSP控制单元、超声波数据采集单元和上位机，其中所述DSP控制单元通过发送脉冲信号驱动超声波发射电路，超声波发射电路驱动超声波换能器阵列发射超声波，超声波在微波加热环境中传输后由超声波换能器阵列接收，超声波换能器阵列将接收的超声波机械信号转换为电信号后传送给超声波接收电路，超声波接收电路对接收到的电信号进行处理，然后输入超声波数据采集单元；超声波数据采集单元受DSP控制单元的控制，对超声波数据进行采集并暂存，然后通过数据传输接口输入上位机，在上位机完成三维温度场的重建；DSP控制单元通过串口与上位机连接，热点报警保护单元通过信号传输线与DSP控制单元的报警信号输出端连接，当重建的三维温度场出现热点时，上位机输出热点信息给DSP控制单元，由DSP控制单元直接控制热点报警保护单元。

具体地，上述超声波换能器阵列由若干超声波换能器组构成，属于同一水平断面上的相邻两个超声波换能器间的距离是相等的。超声波换能器为收发同体超声波换能器。

下面对各模块的基本工作原理进行介绍。

上位机通过数据传输接口与超声波数据采集单元连接，接收超声波数据采集单元采集的超声波数据，根据控制程序和温度场测绘软件完成温度值的测算和存储，重建并显示被加热区域三维温度场。上位机通过串口与DSP控制单元连接，当重建的温度场出现热点时，将热点温度和位置信息提供给DSP控制单元。

DSP控制单元分别与超声波发射电路和超声波数据采集单元连接，一方面输出固定频率的方波信号，驱动超声波发射电路，另一方面输出控制信号控制超声波数据采集单元采集超声波数据。DSP控制单元通过串口与上位机连接，DSP控制单元的报警信号输出端通过信号传输线与热点报警保护单元连接，当重建温度场出现热点时，DSP控制单元接收上位机传送的热点信息，并输出控制信号控制热点报警保护单元产生动作。

超声波数据采集单元通过信号传输线与DSP控制单元连接，通过数据传输接口与上位机连接。超声波数据采集单元受DSP控制单元的控制，对超声波数据进行采集并暂存，然后将数据输入上位机。

超声波换能器阵列由垂直方向上的若干超声波换能器组构成，可根据实际情况调整超声波换能器组的数量，能实现电信号与机械信号的相互转换。超声波换能器阵列通过信号传输线分别与超声波发射电路和超声波接收电路连接。

热点报警保护单元通过信号传输线与DSP控制单元的报警信号输出端连接，当被测区域出现热点时，DSP控制单元输出控制信号控制热点报警保护单元发出警示信息同时采取相应的保护措施。

更进一步,利用本发明的装置重建三维温度场的方法，包括如下步骤:

1)在初始检测周期内顺序采集安装有超声波换能器的各个水平断面上产生的超声波数据B_p0。

2)根据采集得到的超声波数据B_p0采用最小二乘算法和二维插值算法重建出所述水平断面的初始二维温度场，再通过三维插值算法重建出被加热区域内部的初始三维温度场。

3)然后每个检测周期都重复步骤1)的过程采集超声波数据，并与前一个周期的超声波数据对比分析，得到二维温度场的变化值，更新二维温度场，再对更新的二维温度场采用三维插值算法重建出该检测周期的三维温度场。

本发明采用上述技术方案能达到的有益技术效果如下：

1.实现三维温度场测量。本发明采用垂直方向上的多组超声波换能器组构成的超声波换能器阵列，能够对被加热区域内部三维方向上的温度分布情况进行分析，从而实现对三维温度场的重建。

2.结构简单，安装灵活方便。本发明中使用的超声波换能器数量能根据实际中被加热区域范围大小进行调整，便于在各种工业微波加热领域中推广应用。

3.实时性、连续性非接触测温。本发明通过DSP控制单元和上位机，以及相应的控制程序和温度场测绘软件对整个工业微波加热过程进行实时监测，通过超声波传播与介质温度之间的相关关系对温度进行分析测算，达到非接触测温的目的。

4.异常热点报警保护。通过上位机测算出温度数值，并将异常点信息送至DSP控制单元，控制热点报警保护单元启闭，及时检测加热过程中的异常情况，采取设定的保护措施。

本发明，可广泛应用于各种工业加热领域的温度检测中，特别适用于有实时性、连续性、非接触测温要求的工业微波加热领域。

附图说明

本发明的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明在工业微波加热炉的安装示意图；

图3为水平断面超声波换能器分布及超声波路径图。

图中：1.1-超声波换能器阵列，1.2-超声波发射电路，1.3-超声波接收电路，1.4-热点报警保护单元，1.5-DSP控制单元，1.6-超声波数据采集单元，1.7-上位机，1-工业微波加热炉，21-底部水平断面，22-顶部水平断面，3-超声波换能器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明范围内。

如图1所示，微波加热环境下的三维温度场声学检测装置，主要包括超声波换能器阵列1.1、超声波发射电路1.2、超声波接收电路1.3、热点报警保护单元1.4、DSP控制单元1.5、超声波数据采集单元1.6和上位机1.7，其中所述DSP控制单元1.5通过发送脉冲信号驱动超声波发射电路1.2，超声波发射电路1.2驱动超声波换能器阵列1.1发射超声波，超声波在微波加热环境中传输后由超声波换能器阵列1.1接收，超声波换能器阵列1.1将接收的超声波机械信号转换为电信号后传送给超声波接收电路1.3，超声波接收电路1.3对接收到的电信号进行处理，然后输入超声波数据采集单元1.6；超声波数据采集单元1.6受DSP控制单元的控制，对超声波数据进行采集并暂存，然后输入上位机1.7；当重建的温度场出现热点时，上位机1.7将热点信息输入DSP控制单元1.5，由DSP控制单元1.5控制热点报警保护单元1.4。

如图2所示，在工业微波加热炉1的垂直方向上取若干个水平断面，水平断面的数量可根据工业微波加热炉1的高度来调整。本实施例中工业微波加热炉1是圆柱体加热炉，上下面均为圆曲面。底部水平断面21与最低点的垂直距离和顶部水平断面22与最高点的垂直距离相等，其余水平断面间的垂直距离相等。每个水平断面中超声波换能器3等间距安装在断面四周，超声波换能器3可选用型号为KT40-1402A的收发同体的超声波换能器。这样每一个水平断面上一共形成多条超声波的有效传播路径（参见图3）。

本发明启动工作时，上位机1.7选用温度场重建计算机。温度场重建计算机通过串口给出系统控制命令，该控制命令控制作为下位机的DSP控制单元1.5工作。DSP控制单元1.5产生固定频率的方波信号，以驱动超声波发射电路1.2；超声波发射电路1.2通过信号传输线驱动超声波换能器阵列1.1的某一个超声波换能器产生固定频率的超声波信号；产生的超声波信号在介质中传播一定的时间后被超声波换能器阵列中的其他超声波换能器接收，将以机械振动形式的超声波信号转换为电信号后传送给超声波接收电路1.3，超声波接收电路1.3对接收到的电信号进行处理，然后送至超声波数据采集单元1.6；超声波数据采集单元1.6接收DSP控制单元的控制信号，采集得到超声波数据并暂存，一个检测周期内采集得到的超声波数据由超声波数据采集单元1.6暂存后经数据传输接口送至温度场重建计算机，温度场重建计算机根据相关的命令和温度场测绘软件完成三维温度场的重建。当重建出的三维温度场出现热点时，温度场重建计算机将输出热点信息给DSP控制单元1.5，由DSP控制单元1.5启动热点报警保护单元1.4产生动作。通过设定的程序，在一个检测周期内顺序采集各个水平断面的超声波数据，在每个水平断面上进行采集时，又顺序启动关闭各个超声波换能器3，这样在一个检测周期内就可以获得各个水平断面的超声波数据，并送至温度场重建计算机，由温度场重建计算机完成该检测周期的三维温度场的重建。DSP控制单元1.5的核心部分可使用型号为TMS320VC5509A的DSP芯片。

本发明，微波加热环境下的三维温度场声学检测装置在工作时，在初始检测周期内顺序采集安装有超声波换能器3的各个水平断面上产生的超声波数据。在采集一个水平断面上产生的超声波数据时，顺序启动关闭安装在该水平断面上的各个超声波换能器3，从而获得各条有效传播路径上的超声波数据。根据采集得到的超声波数据采用最小二乘算法和二维插值算法重建出这些水平断面的初始二维温度场，再通过三维插值算法重建出被加热区域内部的初始三维温度场。以后的每个检测周期都按照设定的程序采集超声波数据，并与前一个周期的超声波数据对比分析，更新二维温度场，再对更新的二维温度场采用三维插值算法重建出该检测周期的三维温度场。具体包括如下步骤：

S1.重建初始三维温度场；

程序启动时先采集安装有超声波换能器3的各个水平断面的初始超声波数据B_p0，其中包括初始超声波有效飞行时间t，根据获得的超声波有效飞行时间t采用最小二乘算法重建出这些水平断面的初始二维温度场T_p0(x,y)，p=1,2,…η，其中η为安装有超声波换能器3的水平断面的数量。为减少超声波飞行时间的测量误差，提高精确度，超声波换能器3选用的是收发同体超声波换能器，从而取一条路径的正向、反向两次超声波飞行时间测量值的平均值作为超声波在该路径上的有效飞行时间。假设M代表一个安装有超声波换能器3的水平断面划分的小区域的数量，N代表在该水平断面中的有效超声波传播路径数量，则第p个水平断面的初始二维温度场重建算法如下：

声学测温的基本原理是基于介质中超声波的传播速度v与介质温度T具有一定的函数关系，即

v=f(T)   (1)

当加热对象为气体时，公式（1）为其中

Z对某特定气体为一常数，其中R为气体普适常数，γ为气体的比热比，m为气体分子量。如在空气和烟道混合气体中，Z分别取20.03和19.08。

若超声波在一条路径上的飞行时间的理论期望值为T_OF，用l_k表示超声波通过的第k条路径，a表示超声波的空间特性，即超声波传播速度的倒数，则超声波沿着第k条路径的飞行时间的理论期望值T_OF可表示为a沿着l_k的线积分，即有

$T_{\mathrm{OF}}={\∫}_{l_k}\mathrm{ads}---\left(2\right)$

若用ΔS_ki表示第k条路径通过第i个小区域的长度，用a_i表示超声波在第i个小区域的空间特性，即超声波在第i个小区域中的平均速度的倒数，则T_OF又可以近似表示为

$T_{\mathrm{OF}}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{ki}}{a}_i---\left(3\right)$

若超声波在该路径上的飞行时间的实际测量值为t_k，它与超声波飞行时间的理论期望值T_OF之差为

${\mathrm{\ϵ}}_k=t_k-T_{\mathrm{OF}}=t_k-\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{ki}}{a}_i---\left(4\right)$

采用最小二乘法使得方程式(4)的平方和最小，即

$\frac{\∂}{\∂a_i}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(t_k-\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{ki}}{a}_i)}^2=0---\left(5\right)$

可得到正则方程为

S^TSA=S^Tt   (6)

式中，A=[a₁ a₂ … a_M]^T;t=[t₁ t₂ … t_N]^T； $S=\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{\Δ}{S}_{11}& \mathrm{\Δ}{S}_{12}& ...& \mathrm{\Δ}{S}_{1M}\\ \mathrm{\Δ}{S}_{21}& \mathrm{\Δ}{S}_{22}& ...& \mathrm{\Δ}{S}_{2M}\\ ...& ...& ...& ...\\ \mathrm{\Δ}{S}_{N1}& \mathrm{\Δ}{S}_{N2}& ...& \mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{NM}}\end{array}\right];$

由正则方程(6)可得超声波在该水平断面各个小区域的平均速度的倒数为

A=(S^TS)^-1S^Tt   (7)

当水平断面的形状和大小，以及超声波换能器3的安装位置确定后，S即为一个可以确定的常数矩阵，而t又可通过实际测量得到，则利用方程式(1)就可求出该水平断面上各个小区域的平均温度，即

T(x,y)=F^-1(A)

当加热对象为气体时：

其中F^-1(·)表示方程式(1)中f(·)的反函数。

将该温度值T(x,y)作为该水平断面各个小区域几何中心点(x,y)的温度，利用二维插值算法即可得到整个水平断面的初始二维温度场T_p0(x,y)。

将上述初始二维温度场T_p0(x,y)保存为T_p(x,y)，将初始超声波数据B_p0保存为B_p。对这些安装有超声波换能器3的水平断面重建出来的初始二维温度场T_p(x,y)，采用三维插值算法得到其他未安装超声波换能器3的水平断面在该时刻相应位置的温度值，达到重建初始三维温度场的目的，得到的初始三维温度场保存为T₀(x,y,z)。

S2.重建第1个检测周期的三维温度场；

介质的温度影响超声波在其中的传播属性，包括但不局限于超声波的速度、衰减，以及频率，通过采集安装有超声波换能器3的第p个水平断面在不同时刻的两组超声波数据B_pt1和B_pt2，使用温度依赖关系即可得出该水平断面二维温度场的变化值ΔT_pt2(x,y)；

其中

表示对两组超声波数据进行的分析处理。

初始温度场重建完成后，在进入第1个检测周期时，采集安装有超声波换能器3的各个水平断面上的超声波数据B_p1，并将其与上一检测周期的超声波数据B_p分析比较，得出这些水平断面二维温度场的变化值ΔT_p1(x,y)；

则第1个检测周期重建出的安装有超声波换能器3的各个水平断面的二维温度场为

T_p1(x,y)=T_p(x,y)+ΔT_p1(x,y)

将上述二维温度场T_p1(x,y)保存为T_p(x,y)，将超声波数据B_p1保存为B_p。对这些水平断面重建出来的温度场T_p(x,y)，采用三维插值算法得到其他无安装超声波换能器3的水平断面在该时刻相应位置的温度值，达到重建第1个检测周期三维温度场的目的，得到的第1个检测周期的三维温度场保存为T₁(x,y,z)。

S3.重建第n个检测周期的三维温度场；

在进入第n个检测周期时，采集安装有超声波换能器3的各个水平断面上的超声波数据B_pn，并将其与上一检测周期的超声波数据B_p分析比较，得出这些水平断面二维温度场的变化值ΔT_pn(x,y)；

则第n个检测周期重建出的安装有超声波换能器3的各个水平断面的二维温度场为

T_pn(x,y)=T_p(x,y)+ΔT_pn(x,y)

将上述二维温度场T_pn(x,y)保存为T_p(x,y)，将超声波数据B_pn保存为B_p。对这些水平断面重建出来的温度场T_p(x,y)，采用三维插值算法得到其他无安装超声波换能器3的水平断面在该时刻相应位置的温度值，达到重建第n个检测周期三维温度场的目的，得到的第n个检测周期的三维温度场保存为T_n(x,y,z)。

S3.重建第n+1个检测周期的三维温度场。

第n个检测周期三维温度场重建完成后，进入第n+1个检测周期，第n+1个检测周期的三维温度场重建过程与前面第1至第n个检测周期一致。如此循环，达到实时重建三维温度场的目的。

在三维温度场重建的过程中，若任意检测周期q中重建的三维温度场T_q(x,y,z)出现坐标为(x_j,y_j,z_j)的点的温度值T_q(x_j,y_j,z_j)高于设定的允许最高温度值T_max时，即T_q(x_j,y_j,z_j)>T_max，则该点为热点。此时，温度场重建计算机将输出热点信息给DSP控制单元，由DSP控制单元直接控制热点报警保护单元产生动作。

Claims (5)

1.微波加热环境下的三维温度场声学检测装置，其特征在于：包括超声波换能器阵列（1.1）、超声波发射电路（1.2）、超声波接收电路（1.3）、热点报警保护单元（1.4）、DSP控制单元（1.5）、超声波数据采集单元（1.6）和上位机（1.7），其中所述DSP控制单元（1.5）通过发送脉冲信号驱动超声波发射电路（1.2），超声波发射电路（1.2）驱动超声波换能器阵列（1.1）发射超声波，超声波在微波加热环境中传输后由超声波换能器阵列（1.1）接收，超声波换能器阵列（1.1）将接收的超声波机械信号转换为电信号后传送给超声波接收电路（1.3），超声波接收电路（1.3）对接收到的电信号进行处理，然后输入超声波数据采集单元（1.6）；超声波数据采集单元（1.6）受DSP控制单元（1.5）的控制，对超声波数据进行采集并暂存，然后通过数据传输接口输入上位机（1.7）；DSP控制单元（1.5）通过串口与上位机连接，热点报警保护单元（1.4）通过信号传输线与DSP控制单元（1.5）的报警信号输出端连接。

2.根据权利要求1所述微波加热环境下的三维温度场声学检测装置，其特征在于：所述超声波换能器阵列（1.1）由若干超声波换能器组构成，每组超声波换能器组又由若干超声波换能器（3）组成。

3.根据权利要求2所述微波加热环境下的三维温度场声学检测装置，其特征在于：属于同一水平断面上的相邻两个超声波换能器（3）间的距离是相等的。

4.根据权利要求2或3所述微波加热环境下的三维温度场声学检测装置，其特征在于：所述超声波换能器（3）为收发同体超声波换能器。

5.利用权利要求1所述装置重建三维温度场的方法，其特征在于,包括如下步骤:

1)在初始检测周期内顺序采集安装有超声波换能器(3)的各个水平断面上产生的超声波数据B_p0；

2)根据采集得到的超声波数据B_p0采用最小二乘算法和二维插值算法重建出所述水平断面的初始二维温度场，再通过三维插值算法重建出被加热区域内部的初始三维温度场；

3)然后每个检测周期都重复步骤1)的过程采集超声波数据，并与前一个周期的超声波数据对比分析，得到二维温度场的变化值，更新二维温度场，再对更新的二维温度场采用三维插值算法重建出该检测周期的三维温度场。

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