CN112697297B

CN112697297B - 基于声学的仓储式颗粒堆积物在线温度监测系统及方法

Info

Publication number: CN112697297B
Application number: CN202011420081.2A
Authority: CN
Inventors: 杨庚; 李昂; 沈国清; 张世平; 李铁林
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2020-12-07
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2023-01-13
Anticipated expiration: 2040-12-07
Also published as: CN112697297A

Abstract

本发明公开了一种基于声学的仓储式颗粒堆积物在线温度监测系统及方法，该系统包括工控机和声波收发器；声波收发器安装在圆柱形仓室的外壁上，2ⁿ个声波收发器沿圆柱形仓室的同一截面的圆周均匀布置形成一个测温系统；多个测温系统布置在圆柱形仓室上；声波收发器包括声波导管，声波导管的一端安装在圆柱形仓室的外壁上，另一端安装有电动声源，传感器垂直设置在声波导管中；电动声源与传感器均分别连接工控机。本发明利用声速于温度之间的单值函数关系，通过测量声波在颗粒堆积物孔隙间的传播速度并运用相关算法最终得出仓室内的实时温度场。

Description

基于声学的仓储式颗粒堆积物在线温度监测系统及方法

技术领域

本发明属于仓储式颗粒堆积物温度测量技术领域，具体涉及一种基于声学的仓储式颗粒堆积物在线温度监测系统及方法。

背景技术

目前对于仓储式颗粒堆积物的温度测量主要包括热电偶、热敏电偶以及一些由测温电路组成的智能化测温装置，这些测量方法都属于接触式测温方式，这类温度测量方式的优点是结构简单、精度及稳定性都较好。但同时测温时需要将测温装置深入设置到仓室内部的相应位置而与被测颗粒物形成直接接触，当颗粒物粒径较小时甚至会影响装置正常运行。且为获得较准确的温度分布要同时设置许多测温位点，这样就需要将大量的传感器安装在储存的颗粒物中，造成线缆维护困难等情况。当堆积物质出现移动时也会带动测温传感器移动，导致测量结果出现偏差。

发明内容

本发明针对接触式仓室颗粒堆积物温度的测量方式存在的不足，提出一种测量稳定、使用灵活、精度高的基于声学的仓储式颗粒堆积物在线温度监测系统及方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种基于声学的仓储式颗粒堆积物在线温度监测系统，包括工控机和声波收发器；所述声波收发器安装在圆柱形仓室的外壁上，2ⁿ个所述声波收发器沿圆柱形仓室的同一截面的圆周均匀布置形成一个测温系统，n为正整数；多个所述测温系统布置在所述圆柱形仓室上；

所述声波收发器包括声波导管，所述声波导管的一端安装在圆柱形仓室的外壁上，另一端安装有电动声源，传感器垂直设置在声波导管中；电动声源与传感器均分别连接所述工控机。

优选的，所述传感器经过信号放大器、数据采集卡连接所述工控机。

优选的，所述工控机连接有警报装置。

优选的，多个所述测温系统之间的距离相等。

优选的，所述仓壁上预设有传声孔，所述声波导管设置在所述传声孔中。

本发明提供的另一个技术方案是：

一种仓储式颗粒堆积物在线温度监测方法，基于所述的仓储式颗粒堆积物在线温度监测系统，包括如下步骤：

工控机发出不同频段的模拟扫频信号至电动声源，电动声源发出声信号；

传感器接收声信号后将声信号传输到工控机中，工控机计算得到声信号的飞渡时间，建立整个圆柱形仓室的三维速度场，根据该三维速度场建立温度场。

优选的，工控机内安装有频谱分析软件，用于发出不同频段的模拟扫频信号。

优选的，不同的电动声源按顺序启闭；当一个声波收发器的电动声源发出声信号时，其自身的传感器也处于接收状态，同一截面上不相邻的传感器及相邻截面上的传感器处于接收状态，持续接收声波。

优选的，根据声波收发器的安装数量以及位置将被测区域划分为多个网格，工控机对声波发射处传感器及声波接收处传感器两路声信号进行计算得到声信号的飞渡时间，进而得到整个圆柱形仓室的三维速度场；

依据下式进行计算：

式中，n为声波路径总数，t_ki表示第k条路径声波经过第i个网格的时间，c_i表示声波在第i个网格内的传播速度，τ为颗粒堆积物的曲折度，ΔS_ki表示第k条路径声波经过第i个网格的长度，a_i为c_i的倒数，将所有路径的计算式组成线性方程组，最终算出仓室内的速度分布。

优选的，根据三维速度场运用插值法重建温度场。

本发明的有益效果为：

1、本发明利用声速于温度之间的单值函数关系，通过测量声波在颗粒堆积物孔隙间的传播速度并运用相关算法最终得出仓室内的实时温度场。在重建速度场时结合声波在颗粒堆积物中的实际传播过程，将堆积物的堆积特性以及堆积物孔隙的粘滞性综合考虑引入曲折度的概念，将堆积物的平均曲折度添加到三维速度场重建的算法之中，之后依据声速与温度的单值关系得到温度场，结果更为精确。

2、本发明采用非接触式温度测量方式相比于接触式温度测量方式理论上不存在测量滞后的情况，能够将测量参数的变化实时显示在系统界面上，且能够在高温、腐蚀、有毒等极端环境下进行测量，理论上测量温度范围没有限制。

3、本发明采用声学测温技术，具有成本低、测量稳定、安装以及维护方便等优点。声波测温可通过调整声源的频率、增强声源声压等方式调整声波的传播距离，更加适合实际的堆积物储存仓室。

4、本发明通过在仓室四周壁面上预留传声孔，可以灵活调节声源发生装置的位置，采用且声源发生装置的安装及拆解方便，从而根据实际的测量需求进行调整。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中电动声源布置图。

图2为本发明实施例中测量路径及区域划分示意图。

图3为本发明实施例中不同截面声波信号收发示意图。

图4为本发明实施例中信号处理流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

本发明的一个实施例中，提供了一种基于声学的仓储式颗粒堆积物在线温度监测系统及方法，该系统包括工控机和声波收发器；声波收发器包括声波导管，声波导管的一端安装在圆柱形仓室的外壁上，另一端安装有电动声源，传感器垂直设置在声波导管中；电动声源与传感器均分别连接工控机。使用的声波收发器具备声波发射及接收声波两种功能。声波收发器安装在等距离分布截面的四周，且每一截面安装位置间隔相等，根据对称原则任一截面上的收发器安装个数为2ⁿ个，根据测量精度不同设置不同个数的声波收发器

其中n＝1，2，…N(N为正整数)，从而形成多条传播路径。

图1为仓储式颗粒堆积物温度测量装置的电动声源和传感器布置图，图1中展示的是当n＝3时，每一个测量截面上布置8个声波收发器，图示为布置层数为2层时的测温装置布置图。

本发明的一个实施例中，利用温度监测系统进行实际测量时，不同电动声源按预先设定的顺序依次发出特定扫频信号，当一电动声源发出声波时，此声波收发器的传感器处于接收状态记录发射声信号x₁(n)，同时同一截面不相邻以及相邻截面上的声波收发器传感器处于接收状态记录接收声信号x₂(n)。

如图2所示，对于圆形截面的区域划分及相应的声波收发器安装位置，声波收发器的安装布置满足基于最小二乘法的温度场重建算法的要求，以及保证声波传感器能够不失真地接受声源信号。

图3表示的是处于不同截面上的声波收发器在运行时的示意图，处于不同测温截面的传感器接收声波以用于重建仓室内的三维温度场。

传感器接收到声信号之后通过数据采集卡将采集到的数据输入工控机内，工控机首先对采集到的声信号进行消噪处理，之后利用LabVIEW对声波发射处传感器及声波接收处传感器两路声信号进行计算和分析得到声波的飞渡时间，进而得出整个圆柱形仓室的三维速度场，运用速度于温度的关系最终得到温度场。对于预先给出的允许温度范围，当温度场中的某区域温度超出给定的温度范围时，工控机将相关信息发送警报系统，警报系统进行记录并发出相关报警信号，信号处理过程如图4所示。

声信号在堆积物孔隙中的传播视为在细管中的传播，在细管中的传播速度表示为：

式中，c₀表示处于相同压力、温度、湿度环境条件下自由声场中的声速；f为声信号的频率；d为细管的半径；F为复合热力学参数，表达式为：

其中ν为动力粘性系数、γ为介质的比热比，κ为热传导率。

声信号在孔隙中的传播看作在不同相连的细管中传播，由于细管间角度不同，故实际传播的距离应长于两传感器之间的距离，称实际传播距离与理想传播距离的比值为曲折度，记为τ。理想传播距离指一声波路径上两传感器之间距离，颗粒堆积物的细管半径d和曲折度τ在温度测量时作为已知数值。

其中，细管半径d由下式求得：

其中α为声音在堆积物中的衰减系数，其他系数均与上述相同，可通过对传感器接收声信号分析得出。

对于曲折度τ可由以下公式推导出：

其中c为声波在细圆管中传播的速度，t₀为传感器测得的飞渡时间，L为理想传播距离。

扫频信号具有较强的互相关特性，满足系统计算飞渡时间相关算法的要求。对于扫频信号频率范围的选取，根据不同颗粒堆积物的性质进行实际选择，声波在细管中传播特性的前提条件为：

其中，η为介质的切边粘性系数，ρ₀为自由场密度，ω为声场的角速度，扫频信号的频率选取满足以上条件，满足进行相关测量的条件，即：

扫频信号的时长设置应设置为0.5s，频带宽度选取在1000Hz左右。

在温度场重建时采用二维平面测温与三维区域测温结合的方法，并假设测量区域内的温度均匀等于区域中心点的温度，这样声波在任一区域内的传播速度为一定值，由于三维区域测温的区域划分可以看作二维平面测温区域在仓室高度方向的延展，这样通过结合测量的方式可以测量一个三维区域的上下表面以及三维区域中心点的温度。实际运行中先进行二维平面测温求出上下表面的温度，之后进行空间三维区域温度的测量，最后运用插值法重建温度场。

测量声波的飞渡时间运用的是一种基于二次相关的相位变换加权(PHAT-β)算法，相较于传统的PHAT算法，改进的算法在权函数Ψ的选择上做了改进，为：

其中

为两声源信号的二次相关互功率谱函数，改进的二次相关算法具有较强的抗混响与抗噪能力。

运用最小二乘法进行温度场重建，将被测区域划分为2ⁿ⁺¹个网格，由于声波是在堆积物孔隙中传播，实际计算时考虑曲折度对声波传递的影响，对于第k条声波路径，其时间计算公式为：

式中，n为声波路径总数，t_ki表示第k条路径声波经过第i个网格的时间，c_i表示声波在第i个网格内的传播速度，τ为颗粒堆积物的曲折度，ΔS_ki表示第k条路径声波经过第i个网格的长度，将所有路径的计算式组成线性方程组，a_i为c_i的倒数，最终算出仓室内的速度分布，根据声速与温度间的单值函数并运用插值计算最终得到仓室内的温度场分布。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims

1.一种仓储式颗粒堆积物在线温度监测方法，基于仓储式颗粒堆积物在线温度监测系统，其特征在于，包括如下步骤：

传感器接收声信号后将声信号传输到工控机中，工控机计算得到声信号的飞渡时间，建立整个圆柱形仓室的三维速度场，根据该三维速度场建立温度场；

不同的电动声源按顺序启闭；当一个声波收发器的电动声源发出声信号时，其自身的传感器也处于接收状态，同一截面上不相邻的传感器及相邻截面上的传感器处于接收状态，持续接收声波；

根据声波收发器的安装数量以及位置将被测区域划分为多个网格，工控机对声波发射处传感器及声波接收处传感器两路声信号进行计算得到声信号的飞渡时间，进而得到整个圆柱形仓室的三维速度场；运用最小二乘法进行温度场重建，将被测区域划分为2ⁿ⁺¹个网格；在温度场重建时采用二维平面测温与三维区域测温结合的方法，并假设被测区域内的温度均匀等于区域中心点的温度，声波在任一被测区域内的传播速度为定值；三维区域测温的区域划分看作二维平面测温区域在仓室高度方向的延展，通过二维平面测温与三维区域测温结合的方法能够测量一个三维区域的上下表面以及三维区域中心点的温度；测量时先进行二维平面测温，求出上下表面的温度，之后进行三维区域温度的测量，最后运用插值法重建温度场；依据下式进行计算：

式中，m为声波路径总数，t _ki表示第k条路径声波经过第i个网格的时间，c _i表示声波在第i个网格内的传播速度，

为颗粒堆积物的曲折度，

表示第k条路径声波经过第i个网格的长度，a _i为c _i的倒数，将所有路径的计算式组成线性方程组，最终算出仓室内的速度分布；

所述基于仓储式颗粒堆积物在线温度监测系统，包括工控机和声波收发器；所述声波收发器安装在圆柱形仓室的外壁上，2ⁿ个所述声波收发器沿圆柱形仓室的同一截面的圆周均匀布置形成一个测温系统，n为正整数；多个所述测温系统布置在所述圆柱形仓室上；

2.根据权利要求1所述的仓储式颗粒堆积物在线温度监测方法，其特征在于，所述传感器经过信号放大器、数据采集卡连接所述工控机。

3.根据权利要求1所述的仓储式颗粒堆积物在线温度监测方法，其特征在于，所述工控机连接有警报装置。

4.根据权利要求1所述的仓储式颗粒堆积物在线温度监测方法，其特征在于，多个所述测温系统之间的距离相等。

5.根据权利要求1所述的仓储式颗粒堆积物在线温度监测方法，其特征在于，所述仓壁上预设有传声孔，所述声波导管设置在所述传声孔中。

6.根据权利要求1所述的仓储式颗粒堆积物在线温度监测方法，其特征在于，工控机内安装有频谱分析软件，用于发出不同频段的模拟扫频信号。

7.根据权利要求1所述的仓储式颗粒堆积物在线温度监测方法，其特征在于，根据三维速度场运用插值法重建温度场。