CN109990916B - 一种炉膛温度的测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种炉膛温度的测量系统及方法，测量系统包括：声波发生装置、声波接收装置、控制器、功率放大器、信号调理器和多通道数据采集卡，声波发生装置包括：电动声源和第一声波换能器，声波接收装置包括：第二声波换能器。控制器产生的频率可调声信号通过电动声源发射出相对应的测量声波信号，第一声波换能器和第二声波换能器均接收该测量声波信号，并转换为相对应的电压信号输出至控制器，控制器对自身产生的频率可调声信号和多通道数据采集卡采集的电压信号采用互相关算法，得到声波飞渡时间，并根据该声波飞渡时间得到炉膛温度。本发明有效解决了传统声波测温技术存在的高压气动声源的密封圈容易泄漏且声信号频率固定等问题。
Description
技术领域
本发明涉及炉膛温度测量技术领域，更具体的说，涉及一种炉膛温度的测量系统及方法。
背景技术
锅炉在运行过程中，往往会在内部形成非均匀温度场，造成受热面吸热偏差，严重时甚至发生爆管，因此，准确地测量复杂环境下的炉膛温度在实际工程中有重要意义。所谓炉膛温度是指锅炉炉膛内火焰或热烟气的温度，现有采用接触式测量技术测量炉膛温度的方法有以下几种：1、采用炉膛烟温探针测量，受耐温限制，一般炉膛烟温探针仅在锅炉启动时伸入炉膛，通过测量出口烟气温度来测量炉膛温度，当烟温达到一定值时，必须马上退出炉膛，因此，其允许使用的温度范围和作用有限。2、采用铠装热电偶测量，其原理是将两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端结合成回路，当两个接合点的温度不同时，会在回路中产生电动势，这种现象称为热点效应，而这种电动势称为热电势。铠装热电偶就是利用这种原理进行温度测量，但是只能实现点的测量，无法满足二维截面上多点测量要求。3、采用红外测温，红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号，该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。但是，红外测温仪只能测量表面温度，不能测量炉膛内部温度，且受污染和干扰等因素影响较大。4、采用CCD成像测温，利用光学照相机对炉内进行拍照，通过所得图像进行计算机处理，通过温度辐射热能信息和图像亮度之间的关系，反演炉膛温度信息。但这种技术尚未成熟，而且相机镜头容易污染，影响使用。从上述测量方式中可以看出，接触式测量技术在实际应用中存在很大的局限性，因此，发展非接触式的测量技术成为解决这一问题的有效途径。
目前，非接触式测量技术中，主要采用声波测温技术。声波测温技术主要结合热力学原理和声学原理，利用声波在不同温度介质中的传播速度来获得温度信息，布置方便且测量准确。
现有的声波测温技术主要采用高压气动声源形成一个强声信号，需要较高压力的压缩气源，通常该压缩气源的压力高达100atm，因此，使得高压气动声源的密封圈容易泄漏，并且，高压气动生源所发出的声信号频率是固定的，所以现有的声波测温技术在实际应用中受到很大的限制。
发明内容
有鉴于此，本发明公开一种炉膛温度的测量系统及方法，以解决传统声波测温技术存在的高压气动声源的密封圈容易泄漏且声信号频率固定等问题。
一种炉膛温度的测量系统，包括：
用于安装在炉墙侧壁上声波发射测点的声波发生装置，所述声波发生装置包括：电动声源和第一声波换能器；
用于安装在所述炉墙侧壁上声波接收测点的声波接收装置，所述声波接收装置包括：第二声波换能器；
控制器，用于产生频率可调声信号；
分别与所述控制器和所述电动声源连接的功率放大器，所述功率放大器用于对所述频率可调声信号进行放大，并将放大声信号输出至所述电动声源，由所述电动声源发射相对应的测量声波信号，所述第一声波换能器接收所述测量声波信号，并将所述测量声波信号转换为对应的第一电压信号，所述第二声波换能器接收所述测量声波信号，并将所述测量声波信号转换为对应的第二电压信号；
分别与所述第一声波换能器、所述第二声波换能器连接的信号调理器，所述信号调理器用于对所述第一电压信号和所述第二电压信号进行滤波和放大，并输出滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号；
分别与所述控制器和所述信号调理器连接的多通道数据采集卡，所述多通道数据采集卡用于采集所述信号调理器输出的滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号，并输出至所述控制器；
所述控制器用于对所述频率可调声信号，以及通过所述多通道数据采集卡采集的滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号，采用互相关算法，得到所述第一声波换能器和所述第二声波换能器之间的声波飞渡时间，并根据所述声波飞渡时间得到炉膛温度。
优选的，所述多通道数据采集卡具有多个输入端和多个输出端，多个所述输入端和多个所述输出端的数量相等，且均等于所述第一声波换能器和所述第二声波换能器的数量之和，每一个所述输入端连接一个所述第一声波换能器或一个所述第二声波换能器。
优选的，所述声波发生装置还包括：第一陶瓷热电偶，所述声波接收装置还包括：第二陶瓷热电偶；
所述第一陶瓷热电偶和所述第二陶瓷热电偶均与所述信号调理器连接，所述第一陶瓷热电偶和所述第二陶瓷热电偶用于测量炉墙向火侧的壁温，并将所述壁温通过所述信号调理器和所述多通道数据采集卡输出至所述控制器，由所述控制器根据所述壁温进行炉膛内温度场重建。
优选的，所述多通道数据采集卡具有多个输入端和多个输出端，多个所述输入端和多个所述输出端的数量相等，且均等于所述第一声波换能器、所述第二声波换能器、所述第一陶瓷热电偶以及所述第二陶瓷热电偶的数量之和，每一个所述输入端连接一个所述第一声波换能器、所述第二声波换能器、所述第一陶瓷热电偶以及所述第二陶瓷热电偶中的任意一种。
优选的，所述第一声波换能器、所述第二声波换能器、所述第一陶瓷热电偶以及所述第二陶瓷热电偶均封装在不锈钢套管中。
优选的，所述声波发生装置为一个或多个，所述声波接收装置为一个或多个。
优选的，所述第一声波换能器和所述第二声波换能器均为圆柱形声波导管。
种炉膛温度的测量方法，应用于上述所述的测量系统，所述测量方法包括：
控制器产生频率可调声信号；
功率放大器对所述频率可调声信号进行放大，并将放大声信号输出至电动声源，由所述电动声源发射相对应的测量声波信号；
第一声波换能器接收所述测量声波信号，并将所述测量声波信号转换为对应的第一电压信号，第二声波换能器接收所述测量声波信号，并将所述测量声波信号转换为对应的第二电压信号；
信号调理器对所述第一电压信号和所述第二电压信号进行滤波和放大，并输出滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号；
所述控制器通过多通道数据采集卡采集滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号；
所述控制器对所述频率可调声信号以及滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号采用互相关算法，得到所述第一声波换能器和所述第二声波换能器之间的声波飞渡时间；
所述控制器根据所述声波飞渡时间得到炉膛温度。
优选的，所述控制器根据所述声波飞渡时间得到炉膛温度，具体包括：
所述控制器将所述第一声波换能器和所述第二声波换能器之间的距离，除以所述声波飞渡时间，得到声波在所述第一声波换能器和所述第二声波换能器之间气体的传播速度，其中，所述第一声波换能器和所述第二声波换能器之间的距离固定且已知；
将所述传播速度带入公式(1)计算得到所述炉膛温度，公式(1)具体如下：
v＝f(γ,R,m,T) (1)；
式中，v为声波在气体中的传播速度，γ为所述气体的绝热指数，为已知量，R为所述气体的普适常数，为已知量，m为所述气体的分子量，为已知量，T为所述炉膛温度，其中，所述气体为待测炉膛内的气体。
优选的，当所述声波发生装置还包括：第一陶瓷热电偶，所述声波接收装置还包括：第二陶瓷热电偶时，所述控制器还用于：
根据所述第一陶瓷热电偶和所述第二陶瓷热电偶测量的炉墙向火侧壁温，进行炉膛内温度场重建。
优选的，所述控制器用于根据所述第一陶瓷热电偶和所述第二陶瓷热电偶测量的炉墙向火侧壁温，进行炉膛内温度场重建的过程，具体包括：
所述控制器将所述炉墙向火侧壁温带入声波测温所测温度场信息，进行层析成像以及迭代计算，得到炉膛二维温度场信息，完成炉膛内温度场重建。
从上述的技术方案可知，本发明公开了一种炉膛温度的测量系统及方法，测量系统包括：声波发生装置、声波接收装置、控制器、功率放大器、信号调理器和多通道数据采集卡，声波发生装置包括：电动声源和第一声波换能器，声波接收装置包括：第二声波换能器；控制器产生的频率可调声信号经功率放大器放大后输出至电动声源，由电动声源发射相对应的测量声波信号，第一声波换能器和第二声波换能器均接收该测量声波信号，并转换为相对应的电压信号，该电压信号经信号调理器滤波和放大后，由多通道数据采集卡采集至控制器，控制器对自身产生的频率可调声信号和多通道数据采集卡采集的电压信号采用互相关算法，得到第一声波换能器和第二声波换能器之间的声波飞渡时间，并根据该声波飞渡时间得到炉膛温度。本发明采用的声波测温技术不仅有效解决了传统接触式测温的局限性和无法进行实时测量等问题，并且，相对于传统声波测温技术需要采用高压气动声源形成一个强声信号而言，本发明由控制器生成一个频率可调声信号，然后控制器根据发出的频率可调声信号以及从炉膛内采集的声数据得到炉膛温度。因此，本发明还有效解决了传统声波测温技术存在的高压气动声源的密封圈容易泄漏且声信号频率固定等问题，因而在实际工程应用中具有很大的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据公开的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种炉膛温度测量系统的结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种炉膛上测点布置示意图；
图3为本发明实施例公开的另一种炉膛温度测量系统的结构示意图；
图4为本发明实施例公开的一种炉膛温度测量方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种炉膛温度的测量系统及方法，以解决传统声波测温技术存在的高压气动声源的密封圈容易泄漏且声信号频率固定等问题。
参见图1，本发明一实施例公开的一种炉膛温度测量系统的结构示意图，该测量系统包括：控制器1、功率放大器2、声波发生装置3、声波接收装置4、信号调理器5和多通道数据采集卡6。
其中：
控制器1用于产生频率可调声信号。在实际应用中，控制器1采用LabVIEW软件进行频率编码，通过自编程序可调整拟发出的声信号的频率。
需要说明的是，本发明中声信号的选择是炉膛温度测量系统的关键技术之一，对于一些自相关性较强的声信号，可通过自编程序提前编制好。在实际应用中，可通过实验选择扫频信号，并将该扫频信号作为控制器1内的声波信号源，由该声波信号源产生频率可调声信号。其中，扫频信号的频段以及扫频周期的选择需要根据具体测量环境而定，扫频信号频段优选500Hz-8000Hz之间，扫频周期优选0.1s或者0.5s。
声波发生装置3用于安装在炉墙侧壁上的声波发射测点，声波发生装置3包括：电动声源31和第一声波换能器32。
声波接收装置4用于安装在炉墙侧壁上的声波接收测点，声波接收装置4包括：第二声波换能器41。
需要说明的是，在实际应用中，炉墙侧壁上的声波发射测点可以为一个或多个，相应的，安装在声波发射测点的声波发生装置3可以为一个或多个。
炉墙侧壁上的声波接收测点可以为一个或多个，相应的，安装在声波接收测点的声波接收装置4可以为一个或多个。
当声波发射测点和声波接收测点均为多个时，在炉膛7内会有多条声波传输路径。参见图2，本发明一实施例公开的一种炉膛上测点布置示意图，在炉膛7某一所需测量截面布置有12个测点，其中，编号为：#1、#4、#7、#10和#11五个圆点为声波发射测点，编号为：#2、#3、#5、#6、#8、#9和#12七个三角点为声波接收测点，其中，图2中各声波发射测点和各声波接收测点之间的连线为声波传输路径。
需要说明的是，声波发射测点和声波接收测点的个数具体依据实际需要而定，本发明在此不做限定。
功率放大器2分别与控制器1和电动声源31连接，功率放大器2用于对控制器1产生并输出的频率可调声信号进行放大，并将放大声信号输出至电动声源31，由电动声源31发射相对应的测量声波信号，第一声波换能器32接收该测量声波信号，并将测量声波信号转换为对应的第一电压信号；第二声波换能器41接收该测量声波信号，并将测量声波信号转换为对应的第二电压信号。
较优的，第一声波换能器32和第二声波换能器41均可采用圆柱形声波导管，圆柱形声波导管的声阻在截止频率附近变化均匀，指向性强，从而便于声波的直线传播。
信号调理器5分别与第一声波换能器32和第二声波换能器41连接，信号调理器5用于对第一电压信号和第二电压信号进行滤波和放大，并输出滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号。
多通道数据采集卡6分别与控制器1和信号调理器5连接，多通道数据采集卡6用于采集信号调理器5输出的滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号，并将滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号输出至控制器1。
控制器1对自身产生的频率可调声信号，以及多通道数据采集卡6采集的滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号，采用互相关算法，得到第一声波换能器32和第二声波换能器41之间的声波飞渡时间，并根据声波飞渡时间得到炉膛温度。
具体的，互相关算法用于表示两个时间序列之间的相关程度，即互相关算法用于描述两个不同信号在任意两个不同时刻t1，t2的取值之间的相关程度。
本发明中，控制器1对自身产生的频率可调声信号，以及多通道数据采集卡6采集的滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号，采用互相关算法，得到第一声波换能器32和第二声波换能器41之间的声波飞渡时间的具体实现过程，可参见现有计算方案，此处不再赘述。
控制器1根据根据声波飞渡时间得到炉膛温度的过程具体如下：
1)控制器1将第一声波换能器32和第二声波换能器41之间的距离，除以声波飞渡时间，得到声波在第一声波换能器32和第二声波换能器41之间气体的传播速度；
需要说明的是，当声波发生装置3安装在炉墙侧壁上的声波发射测点，声波接收装置4安装在炉墙侧壁上的声波接收测点之后，第一声波换能器32和第二声波换能器41之间的距离固定且已知。
2)将传播速度带入公式(1)计算得到炉膛温度，公式(1)具体如下：
v＝f(γ,R,m,T) (1)；
式中，v为声波在气体中的传播速度，γ为所述气体的绝热指数，为已知量，R为所述气体的普适常数，为已知量，m为所述气体的分子量，为已知量，T为所述炉膛温度，其中，所述气体为待测炉膛内的气体。
综上可知，本发明公开的炉膛温度测量系统不仅有效解决了传统接触式测温的局限性和无法进行实时测量等问题，并且，相对于传统声波测温技术需要采用高压气动声源形成一个强声信号而言，本发明由控制器生成一个频率可调声信号，然后控制器根据发出的频率可调声信号以及从炉膛内采集的声数据得到炉膛温度。因此，本发明还有效解决了传统声波测温技术存在的高压气动声源的密封圈容易泄漏且声信号频率固定等问题，因而在实际工程应用中具有很大的优势。
需要说明的是，上述实施例中，多通道数据采集卡6具有多个输入端和多个输出端，多通道数据采集卡6的输入端和输出端的数量相等，且均等于第一声波换能器32和第二声波换能器41的数量之和，每一个输入端连接一个第一声波换能器32或一个第二声波换能器41。
为解决传统声波测温技术所重建的温度场信息缺乏校准和验证问题，在图1所示实施例的基础上，本发明还公开了另一种炉膛温度测量系统的结构示意图，声波发生装置3还包括：第一陶瓷热电偶33；声波接收装置4还包括：第二陶瓷热电偶42；
第一陶瓷热电偶33和第二陶瓷热电偶42均与信号调理器5连接，第一陶瓷热电偶33和第二陶瓷热电偶42用于测量炉膛7内炉墙向火侧的壁温，并将该壁温通过信号调理器5和多通道数据采集卡6输出至控制器1，由控制器1根据该壁温进行炉膛7内温度场重建。其中，控制器1根据壁温进行炉膛7内温度场重建的过程可参见下述对炉膛温度测量方法的叙述。
需要说明的是，本实施例中的第一陶瓷热电偶33和第二陶瓷热电偶42均为耐高温陶瓷热电偶。
其中，在实际应用中，需要在炉膛7内的每一个测点均布置一个陶瓷热电偶，比如图2中示出12个测点，则在图2中需要布置12个陶瓷热电偶，且每一个陶瓷热电偶安装在一个测点上。
从上述论述中可知，多通道数据采集卡6具有多个输入端和多个输出端，多通道数据采集卡6的输入端和输出端的数量相等，且均等于第一声波换能器32和第二声波换能器41的数量之和。当测量系统还包括：第一陶瓷热电偶33和第二陶瓷热电偶42时，多通道数据采集卡6具有多个输入端和多个输出端，多通道数据采集卡6的输入端和输出端的数量相等，且均等于第一声波换能器32、第二声波换能器41、第一陶瓷热电偶33和第二陶瓷热电偶42的数量之和，多通道数据采集卡6的每一个输入端连接第一声波换能器32、第二声波换能器41、第一陶瓷热电偶33和第二陶瓷热电偶42中的任意一种。
较优的，第一声波换能器32、第二声波换能器41、第一陶瓷热电偶33和第二陶瓷热电偶42均封装在不锈钢套管中，从而可以有效防止炉膛7内飞灰由于自身重力而产生沉积，影响传声效果。
较优的，第一声波换能器32、第二声波换能器41、第一陶瓷热电偶33和第二陶瓷热电偶42与锅炉之间通过法兰连接，以便于组装、拆卸和更换。
综上可知，本发明公开的炉膛温度测量系统不仅有效解决了传统接触式测温的局限性和无法进行实时测量等问题，并且，相对于传统声波测温技术需要采用高压气动声源形成一个强声信号而言，本发明由控制器生成一个频率可调声信号，然后控制器根据发出的频率可调声信号以及从炉膛内采集的声数据得到炉膛温度。因此，本发明还有效解决了传统声波测温技术存在的高压气动声源的密封圈容易泄漏且声信号频率固定等问题，因而在实际工程应用中具有很大的优势。
进一步，本发明安装简单方便，不需要破坏原有的设备，可提高原有的声波测温的温度场测量精度。
与上述炉膛温度测量系统相对应，本发明还公开了一种炉膛温度测量方法。
参见图4，本发明一实施例公开的一种炉膛温度测量方法的流程图，该方法应用于图1所示的炉膛温度测量系统，测量方法包括步骤：
步骤S101、控制器产生频率可调声信号；
在实际应用中，控制器1采用LabVIEW软件进行频率编码，通过自编程序可调整拟发出的声信号的频率。具体可参见系统实施例中相应叙述内容。
步骤S102、功率放大器对频率可调声信号进行放大，并将放大声信号输出至电动声源，由电动声源发射相对应的测量声波信号；
步骤S103、第一声波换能器接收测量声波信号，并将测量声波信号转换为对应的第一电压信号，第二声波换能器接收测量声波信号，并将测量声波信号转换为对应的第二电压信号；
步骤S104、信号调理器对第一电压信号和第二电压信号进行滤波和放大，并输出滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号；
步骤S105、控制器通过多通道数据采集卡采集滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号；
步骤S106、控制器对频率可调声信号以及滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号采用互相关算法，得到第一声波换能器和第二声波换能器之间的声波飞渡时间；
步骤S106采用互相关算法得到第一声波换能器和第二声波换能器之间的声波飞渡时间的过程，可参见现有相关计算过程，此处不再赘述。
步骤S107、控制器所述声波飞渡时间得到炉膛温度。
具体的，1)控制器将第一声波换能器和第二声波换能器之间的距离，除以声波飞渡时间，得到声波在第一声波换能器和第二声波换能器之间气体的传播速度；
需要说明的是，当声波发生装置安装在炉墙侧壁上的声波发射测点，声波接收装置安装在炉墙侧壁上的声波接收测点之后，第一声波换能器和第二声波换能器之间的距离固定且已知。
2)将传播速度带入公式(1)计算得到炉膛温度，公式(1)具体如下：
v＝f(γ,R,m,T) (1)；
式中，v为声波在气体中的传播速度，γ为所述气体的绝热指数，为已知量，R为所述气体的普适常数，为已知量，m为所述气体的分子量，为已知量，T为所述炉膛温度，其中，所述气体为待测炉膛内的气体。
综上可知，本发明公开的炉膛温度测量方法不仅有效解决了传统接触式测温的局限性和无法进行实时测量等问题，并且，相对于传统声波测温技术需要采用高压气动声源形成一个强声信号而言，本发明由控制器生成一个频率可调声信号，然后控制器根据发出的频率可调声信号以及从炉膛内采集的声数据得到炉膛温度。因此，本发明还有效解决了传统声波测温技术存在的高压气动声源的密封圈容易泄漏且声信号频率固定等问题，因而在实际工程应用中具有很大的优势。
本领域技术人员可以理解，炉膛7内存在背景噪声，该背景噪声会对第一声波换能器和第二声波换能器采集的测量声波信号产生干扰，从而导致控制器通过多道数据采集卡采集的电压信号存在较大误差，进而导致控制器计算得到的炉膛温度存在较大误差。为提高炉膛温度测量系统测量的炉膛温度的准确度，控制器在通过多道数据采集卡采集滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号后，首先需要对第一电压信号和第二电压信号进行背景噪声滤除，然后利用滤除背景噪声的第一电压信号和第二电压信号得到最终的炉膛温度。
首先，控制器对背景噪声的频谱进行分析，得出背景噪声的声波频段；然后，对多道数据采集卡采集的原始声波信号，也即滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号，进行滤波，滤除原始声波信号中作为干扰信号的背景噪声，最后，对滤波后得到的声波信号利用小波方法进行时频分析，将滤波后得到的声波信号分解成多层声信号，并从多层声信号中提出有效的声信号进行互相关计算。
进一步，当声波发生装置还包括：第一陶瓷热电偶，声波接收装置还包括：第二陶瓷热电偶时，控制器还用于：根据第一陶瓷热电偶和第二陶瓷热电偶测量的炉墙向火侧壁温，进行炉膛内温度场重建。
具体的，当控制器得到多条路径上的声波飞渡时间，即TOF(Time of flight，飞行时间测距法)数据后，用级数展开法重建二维温度场，级数展开法是将温度场重建问题转化为求解温度场各像素温度值和TOF数据之间关系的代数方程组。
首先，将欲重建的二维截面温度场离散化，即把整个重建区域划分为N＝n×n个非重叠的像素区域。为方便表示，令温度函数为
其中，v为声波在气体中的传播速度，m为所述气体的分子量，R为所述气体的普适常数，T为炉膛温度，γ为所述气体的绝热指数。
引入线性算子Ri，当将线性算子Ri引入温度函数f(x,y)时，得到Rif(x,y)，Rif(x,y)表示f(x,y)沿第i条射线路径的线积分，即声波传播时间ti，则：
式(2)中，v为声波在气体中的传播速度，li为两个声波换能器之间的距离，wij为权因子，在数值上等于第i条射线经过第j个像素的长度，大小反映了第j个像素对第i条测量路径的贡献，每个方程右端的ti成为第i号测量路径上的声波飞渡时间，N为重建区域划分的像素总数，M为穿过条射线温度场截面的声波测量路径总数，fj为某条路径经过第j个像素的速度的函数。
经过一个周期的声波收发测量过程，得到一个线性方程组，该线性方程组如公式(3)所示，具体如下：
式中，左端的和式
称为伪射线和，将公式(3)所示的方程组用矩阵表示，得到公式(4)，公式(4)如下：
W·x＝b (4)；
式中，W为权因子矩阵，
M×N的为权因子矩阵，x＝[f1f2 … fN]T为N维温度场向量，b＝[t1 t2 … t3]T为M维测量数据向量。
在此基础上，利用各个陶瓷热电偶所测的炉膛向火侧壁温，对声学层析成像所得温度场进行图像重建迭代，得到更为精确的炉膛二维温度场信息。
其中，图像重建迭代过程如下：
图像重建的级数展开法中，以代数重建法(Algebraic ReconstructionTechniques，ART)最具代表性，代数重建法的求解过程公式如下：
式中，k为迭代次数，λ为松弛因子，一般来讲，0＜λ＜2，Wj为权因子矩阵W的第j行(j＝mod(k,M+1))，迭代开始的初值向量x0利用陶瓷热电偶的直接测量数据，xk+1为第k+1次温度场向量，xk为k次温度场向量，bj为第j行声波飞渡时间向量。
综上可知，本发明在声波发射点和声波接收测点均设置陶瓷热电偶，以实时测量炉墙向火侧壁温；控制器将各个陶瓷热电偶测得的炉墙向火侧壁温带入声波测温所测温度场信息，进行层析成像以及迭代计算，得到更为精确的炉膛二维温度场信息，实现炉膛内温度场重建。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种炉膛温度的测量系统，其特征在于，包括：
用于安装在炉墙侧壁上声波发射测点的声波发生装置，所述声波发生装置包括：电动声源和第一声波换能器；
用于安装在所述炉墙侧壁上声波接收测点的声波接收装置，所述声波接收装置包括：第二声波换能器；
控制器，用于产生频率可调声信号；
分别与所述控制器和所述电动声源连接的功率放大器，所述功率放大器用于对所述频率可调声信号进行放大，并将放大声信号输出至所述电动声源，由所述电动声源发射相对应的测量声波信号，所述第一声波换能器接收所述测量声波信号，并将所述测量声波信号转换为对应的第一电压信号，所述第二声波换能器接收所述测量声波信号，并将所述测量声波信号转换为对应的第二电压信号；
分别与所述第一声波换能器、所述第二声波换能器连接的信号调理器，所述信号调理器用于对所述第一电压信号和所述第二电压信号进行滤波和放大，并输出滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号；
分别与所述控制器和所述信号调理器连接的多通道数据采集卡，所述多通道数据采集卡用于采集所述信号调理器输出的滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号，并输出至所述控制器；
所述控制器用于对所述频率可调声信号，以及通过所述多通道数据采集卡采集的滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号，采用互相关算法，得到所述第一声波换能器和所述第二声波换能器之间的声波飞渡时间，并根据所述声波飞渡时间得到炉膛温度；
其中，所述声波发生装置还包括：第一陶瓷热电偶，所述声波接收装置还包括：第二陶瓷热电偶；
所述第一陶瓷热电偶和所述第二陶瓷热电偶均与所述信号调理器连接，所述第一陶瓷热电偶和所述第二陶瓷热电偶用于测量炉墙向火侧的壁温，并将所述壁温通过所述信号调理器和所述多通道数据采集卡输出至所述控制器，由所述控制器将所述壁温作为迭代计算的初始值带入声波测温所测温度场信息，进行层析成像以及迭代计算，得到炉膛二维温度场信息，完成炉膛内温度场重建。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述多通道数据采集卡具有多个输入端和多个输出端，多个所述输入端和多个所述输出端的数量相等，且均等于所述第一声波换能器和所述第二声波换能器的数量之和，每一个所述输入端连接一个所述第一声波换能器或一个所述第二声波换能器。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述多通道数据采集卡具有多个输入端和多个输出端，多个所述输入端和多个所述输出端的数量相等，且均等于所述第一声波换能器、所述第二声波换能器、所述第一陶瓷热电偶以及所述第二陶瓷热电偶的数量之和，每一个所述输入端连接一个所述第一声波换能器、所述第二声波换能器、所述第一陶瓷热电偶以及所述第二陶瓷热电偶中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于，所述第一声波换能器、所述第二声波换能器、所述第一陶瓷热电偶以及所述第二陶瓷热电偶均封装在不锈钢套管中。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述声波发生装置为一个或多个，所述声波接收装置为一个或多个。
6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述第一声波换能器和所述第二声波换能器均为圆柱形声波导管。
7.一种炉膛温度的测量方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的测量系统，所述测量方法包括：
控制器产生频率可调声信号；
功率放大器对所述频率可调声信号进行放大，并将放大声信号输出至电动声源，由所述电动声源发射相对应的测量声波信号；
第一声波换能器接收所述测量声波信号，并将所述测量声波信号转换为对应的第一电压信号，第二声波换能器接收所述测量声波信号，并将所述测量声波信号转换为对应的第二电压信号；
信号调理器对所述第一电压信号和所述第二电压信号进行滤波和放大，并输出滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号；
所述控制器通过多通道数据采集卡采集滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号；
所述控制器对所述频率可调声信号以及滤波和放大后的第一电压信号和第二电压信号采用互相关算法，得到所述第一声波换能器和所述第二声波换能器之间的声波飞渡时间；
所述控制器根据所述声波飞渡时间得到炉膛温度；
当所述声波发生装置还包括：第一陶瓷热电偶，所述声波接收装置还包括：第二陶瓷热电偶时，所述控制器还用于：
将所述第一陶瓷热电偶和所述第二陶瓷热电偶测量的炉墙向火侧壁温作为迭代计算的初始值，带入声波测温所测温度场信息，进行层析成像以及迭代计算，得到炉膛二维温度场信息，完成炉膛内温度场重建。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述控制器根据所述声波飞渡时间得到炉膛温度，具体包括：
所述控制器将所述第一声波换能器和所述第二声波换能器之间的距离，除以所述声波飞渡时间，得到声波在所述第一声波换能器和所述第二声波换能器之间气体的传播速度，其中，所述第一声波换能器和所述第二声波换能器之间的距离固定且已知；
将所述传播速度带入公式（1）计算得到所述炉膛温度，公式（1）具体如下：
式中，v为声波在气体中的传播速度，
为所述气体的绝热指数，为已知量，R为所述气体的普适常数，为已知量，m为所述气体的分子量，为已知量，T为所述炉膛温度，其中，所述气体为待测炉膛内的气体。
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