CN205939231U - 大型炉膛二维温度场测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于温度检测技术领域，具体公开了一种大型炉膛二维温度场测量装置，包括多个用于安装在被测炉膛四周的具有声发生、声发射和声接收功能的声波发射接收器，所述声波发射接收器包括扬声器和传声器；每个声波发射接收器的扬声器分别与声波发射模块电连接，每个声波发射接收器的传声器分别与声波接收模块电连接；所述声波发射模块和声波接收模块分别与数据采集模块电连接，所述数据采集模块与PC机电连接。本实用新型提供的装置具有温度测量精度高，非插入式，测量范围广,测量范围空间大(可达数十米)，实时连续测量，维护方便等优点，必将在大型炉膛的温度场检测方面发挥出重要作用。

Description

大型炉膛二维温度场测量装置

技术领域

本实用新型涉及温度检测技术领域，特别涉及一种大型炉膛二维温度场测量装置。

背景技术

温度场检测在工业燃烧或加热过程中具有重要意义。例如对于电力工业中的锅炉，锅炉燃烧的基本要求在于建立和保持稳定的燃烧火焰，燃烧工况组织不合理造成的燃烧不均匀、火焰中心偏斜、火焰刷墙等是导致炉膛结焦、炉管爆炸、炉膛灭火、炉膛爆炸等运行事故的重要原因。然而由于工业燃烧过程自身具有瞬态变化，随机湍流，设备尺寸庞大，环境恶劣等特征，而且炉内为上千度的高温气体，这都给有关热物理参数的在线测量带来困难，难以获得描述实际燃烧过程的热物理量参数，特别是对温度场的测量带来困难。因此，实现温度场的实时在线测量更是使设备时刻处于最佳状态下运行的重要前提。

传统炉膛测温技术通过热电偶、光学高温计等测温方法仅能实现某一点的温度测量，无法实现整个温度场的监测；除传统炉膛测温技术外，近年来，国内外不少学者还利用热成像技术，计算机图象处理技术、光学层析技术等手段来判断工业炉内火焰的燃烧状况和温度场分布，并且取得了一定的进展，但也存在不少问题，如CCD摄像头在高温粉尘和熔渣等现场恶劣环境下长期连续工作的寿命与维护等问题，分辨率不高而产生的“偷看”问题，小视角的检测器镜头难以随时对准漂移的火焰着火区问题等。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种利用声学法来测量炉膛温度场的装置，通过在被测炉膛典型燃烧平面均匀安装8个(或12个、16个)扬声器/传声器组合模块，通过测量声波飞行时间数据来实现实时准确监测炉膛二维温度场的目的。

本实用新型的技术方案是：大型炉膛二维温度场测量装置，包括多个用于安装在被测炉膛四周的具有声发生、声发射和声接收功能的声波发射接收器，所述声波发射接收器包括扬声器和传声器；每个声波发射接收器的扬声器分别与声波发射模块电连接，每个声波发射接收器的传声器分别与声波接收模块电连接；所述声波发射模块和声波接收模块分别与数据采集模块电连接，所述数据采集模块与PC机电连接。

较佳地，所述声波发射模块包括扫频信号发生器、功率放大器以及声波发射通道切换开关；所述扫频信号发生器的输入端与数据采集模块的输出端电连接，扫频信号发生器的输出端与功率放大器的输入端电连接，功率放大器的输出端与声波发射通道切换开关电连接，所述声波发射通道切换开关与每个声波发射接收器的扬声器电连接；所述数据采集模块与声波发射模块通道切换开关电连接；所述声波接收模块包括带通滤波器、仪用放大器以及声波接收通道切换开关；所述数据采集模块与声波接收通道切换开关电连接；所述声波接收通道切换开关与每个声波发射接收器的传声器电连接；所述声波接收通道切换开关与仪用放大器的输入端电连接，仪用放大器的输出端与带通滤波器的输入端电连接，带通滤波器的输出端与数据采集模块电连接。

较佳地，所述数据采集模块包括单片机、A/D转换器、以及液晶显示器，所述单片机分别与扫频信号发生器、声波发射通道切换开关、声波接收通道切换开关、A/D转换器以及液晶显示器电连接，所述A/D转换器还分别与扫频信号发生器的输出端以及带通滤波器的输出端电连接；所述单片机与PC机电连接。

较佳地，所述单片机依次经TTL/485转换器、RS485总线以及485/232转换器与PC机电连接。

较佳地，所述单片机选用深圳宏晶科技公司的STC89C52单片机；所述液晶显示器其型号采用LCD1602；所述A/D转换器选用Maxim公司的12位串行A/D转换器ADCMAX187；所述声波发射模块的扫频信号发生器由产生500～3KHz扫频信号的ICL8038函数发生器构成；所述功率放大器采用集成芯片AMP1100；所述通道切换开关采用多路开关CD4051配合固态继电器组合而成；所述仪用放大器其型号为AD524；所述带通滤波器采用MAXIM公司的MAX274芯片构成其滤波电路。

较佳地，所述扬声器和传声器通过声波导管均匀安装在被测炉膛燃烧平面的四周；所述扬声器采用动圈式扬声器，所述传声器采用压电式传声器。

较佳地，所述声波发射接收器的数量为8个、12个或16个。

较佳地，所述扫频信号发生器采用500～3KHz的扫频信号作为声源信号，其扫频周期为0.1秒。

本实用新型的有益效果：本实用新型提供的大型炉膛二维温度场测量装置，利用声学法来测温度场，在被测炉膛典型燃烧平面均匀安装8个(或12个、16个)扬声器/传声器组合模块，通过测量声波飞行时间数据，实现实时准确监测炉膛二维温度场的目的。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)实现了大型炉膛温度的测量：声学测温基于声波飞行时间的测量，炉膛越大，优势越强。

2)测量准确：采用声学测温装置整个温度场最大相对误差不超过4％,均方根误差不超过2.6％；

3)测量快速：声学温度场测量时间取决于硬件的数据采集时间，可以实现实时在线监测。

4)非接触式测量：基于声学法的温度场测量属于非接触式，不会对被测温度场造成干扰。

5)实现了二维场的监测：以往热电偶等测温方法实现的是点测量，而本实用新型能够实现整个温度场的监测。

6)多种温度场显示方式：能够按使用要求以数据或图形方式显示断面实时二维温度分布、用户定义区域内气体的平均温度、路径上气体平均温度以及声波路径上温度的变化趋势等统计结果。从而为锅炉等加热设备的安全性及经济燃烧提供了直接依据。

综上，本实用新型提供的装置具有温度测量精度高，非插入式，测量范围广,测量范围空间大(可达数十米)，实时连续测量，维护方便等优点，必将在大型炉膛的温度场检测方面发挥出重要作用。

附图说明

图1为本实用新型的温度场测量系统图；

图2是本实用新型温度场的区域划分图；

图3是本实用新型的声波发射接收器安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1所示，本实用新型实施例提供了大型炉膛二维温度场测量装置，包括多个用于安装在被测炉膛四周的具有声发生、声发射和声接收功能的声波发射接收器，所述声波发射接收器包括扬声器和传声器；每个声波发射接收器的扬声器分别与声波发射模块电连接，每个声波发射接收器的传声器分别与声波接收模块电连接；所述声波发射模块和声波接收模块分别与数据采集模块电连接，所述数据采集模块与PC机电连接。

本实施例测量装置由上位机和下位机两部分组成，下位机实现声波飞行时间的采集，通过RS485总线传送到上位机实现温度场成像。下位机包括八个均匀布置在被测炉膛四周的扬声器/传声器组合模块、声波发射模块、声波接收模块、单片机数据采集模块组成。声波发射模块和扬声器主要用来产生和发射声波信号，包括声信号发生电路，功率放大电路，通道切换电路，扬声器；声波接收模块由传声器接收通过介质传播的声波信号并将其放大，对其中含有的环境背景噪声以及干扰信号进行滤波处理，通道切换电路用来控制声发射/接收传感器的循环开启。

进一步地，所述声波发射模块包括扫频信号发生器、功率放大器以及声波发射通道切换开关；所述扫频信号发生器的输入端与数据采集模块的输出端电连接，扫频信号发生器的输出端与功率放大器的输入端电连接，功率放大器的输出端与声波发射通道切换开关电连接，所述声波发射通道切换开关与每个声波发射接收器的扬声器电连接；所述数据采集模块与声波发射通道切换开关电连接；所述声波接收模块包括带通滤波器、仪用放大器以及声波接收通道切换开关；所述数据采集模块与声波接收通道切换开关电连接；所述声波接收通道切换开关与每个声波发射接收器的传声器电连接；所述声波接收通道切换开关与仪用放大器的输入端电连接，仪用放大器的输出端与带通滤波器的输入端电连接，带通滤波器的输出端与数据采集模块电连接。声波发射模块的功能是产生特定频段的声波信号，通过声波发射通道切换开关依次将声波信号加到扬声器上；声波接收模块通过声波接收通道切换开关依次接收传声器收到的声波信号并进行预处理；数据采集模块的功能是进行数据采集，采集结果、测量装置工作状态的显示，并向PC机发送所采集的数据；PC机的功能是完成采集数据的互相关运算、温度场成像算法及显示与保存被测温度场的测量结果。

扫频信号发生器产生500～3KHz线性扫频信号，功率放大器的作用是使扫频信号发生器输出信号有一定的输出功率，声波发射通道切换开关是将声波发射模块产生的扫频信号依次加到如图1所示的8个声波发射接收器的8个扬声器上。

声波接收通道切换开关是依次将传声器收到声波信号送到声波接收模块进行处理，仪用放大器将收到信号进行放大，同时抑制信号传输过程中的共模干扰，带通滤波器滤用于除去来自被测现场的干扰。

进一步地，所述数据采集模块包括单片机、A/D转换器、以及液晶显示器，所述单片机分别与扫频信号发生器、声波发射通道切换开关、声波接收通道切换开关、A/D转换器、TTL/485转换器以及液晶显示器电连接，所述A/D转换器还分别与扫频信号发生器的输出端以及带通滤波器的输出端电连接；所述单片机与PC机电连接。单片机是数据采集模块的核心，在单片机的控制下完成所有声波路径上的声波的发射与接收，A/D转换器完成采集信号的模数转换，液晶显示器用于实现采集路径、采集信号、测量装置的工作状态等信息的显示。

进一步地，所述单片机依次经TTL/485转换器、RS485总线以及485/232转换器与PC机电连接。TTL/485转换器实现TTL到485总线信号的转换，485/232转换器实现485总线信号到232总线信号的转换。

进一步地，所述单片机选用深圳宏晶科技公司的STC89C52单片机；所述液晶显示器其型号采用LCD1602；所述A/D转换器选用Maxim公司的12位串行A/D转换器ADCMAX187，转换时间不超过8.5微秒；所述声波发射模块的扫频信号发生器由产生500～3KHz扫频信号的ICL8038函数发生器构成；所述功率放大器采用集成芯片AMP1100，最大输出功率100W；所述通道切换开关采用多路开关CD4051配合固态继电器组合而成；所述仪用放大器其型号为AD524，AD524是一种高精度、高共模抑制比、低失调电压、低噪声的仪用放大器；所述带通滤波器采用MAXIM公司的MAX274芯片构成其滤波电路，通过调整外接电阻设计成带通滤波器。

进一步地，所述扬声器和传声器通过声波导管均匀安装在被测炉膛典型燃烧平面的四周；所述扬声器采用动圈式扬声器，所述传声器采用压电式传声器。

进一步地，所述声波发射接收器的数量为8个、12个或16个。

进一步地，所述扫频信号发生器采用500～3KHz的扫频信号作为声源信号，其扫频周期为0.1秒。在大尺寸强噪声的炉膛环境中，扫频信号的互相关函数具有尖锐的峰值特性，可以准确测量炉膛温度，而且炉膛噪声以频率为500Hz以下的低频燃烧噪声为主，因此建议采用500～3KHz的扫频信号作为声源信号，扫频周期0.1S。

如图3所示为本实用新型的声发射接收器在炉膛壁的安装示意图，声波导管由声波导管一与声波导管二组成，声波导管一伸进炉膛，前端(横截面大的一端)与炉膛内侧壁平齐，后端(横截面小的一端)通过固定法兰固定在炉膛外壁，声波导管一与炉膛墙壁空隙填充耐火材料，声波导管二在炉膛外侧，声波导管一与声波导管二之间有隔热板，声波导管一、声波导管二、隔热板通过法兰连接在一起，各法兰之间有阻热垫，声波导管二与冷却室为一体，扬声器与传声器安装于冷却室，进风口和出风口为冷风入口和出口，目的是保证扬声器和传声器工作在合适温度。

本实用新型的工作原理：从安装在炉膛一边的声发射器(扬声器)发出一个声学信号，该信号被位于同一平面上的另一声接收器(传声器)检测到，从发射到接收所经历的时间即声波的飞行时间，如果能够获得足够多的声波飞行时间数据，就可以运用最小二乘成像技术来建立二维温度场T(x,y)图像分布。

本实用新型的声波发射接收器的扬声器和传声器通过声波导管安装在被测炉膛典型燃烧层面的四周，具有声发生、发射和接收功能，通常组成一个单元设置，用来发射本单元的声信号或接收其它单元发出的声信号。可将声波发射接收器(扬声器和传声器)顺时针方向编号，分别为1-8号，每次只有一个扬声器发射声波信号，当1号位扬声器发射声波信号时，用1号位的发射声波数据与编号为3、4、5、6、7、8的传声器(去除和自己同侧炉膛壁上的传声器)采集的声波接收数据进行互相关运算，得出对应6条路径上声波飞行时间。1-8扬声器依次发射声波信号，组成一个测量周期；共获得24条路径上声波飞行时间。

由单片机产生通道切换控制信号，扫频信号发生器产生的500～3KHz的信号经功率放大器后输出声波信号与选择的扬声器相连通，驱动扬声器发出测温声波信号。

由单片机产生的通道切换控制信号将被选择的传声器收到的声波信号转换为电压信号，经仪用放大器放大、带通滤波器滤波后，被数据采集模块的AD转换器采集，1-8声波发射接收器的扬声器依次发射声波信号，组成一个测量周期；数据采集模块的液晶显示器显示下位机的工作状态、采集通道及采集数值。

单片机将AD转换器采集的声波发射和接收信号通过TTL/485转换器，经RS485总线传至上位机，完成互相关运算，求出声波飞行时间数据。

本实用新型基于所有声波路径上飞行时间，采用最小二乘成像算法，需要将整个温场划分成大小相等、均匀的16个区域，如图2所示，从左至右，从下至上依次用数字i(i＝1,2,…16)表示，每一个区域里的温度是未知的，并且被假设为均匀的。算出每个区域的平均温度，通过插值方法算出整个二维温度场的温度分布。一个周期刷新一次温度场显示图形。温度场划分区域的方法和数量直接影响测量精度。在8个传感器的情况下可分为16个区域，传感器数量增多，划分的区域数量可以增加。

综上所述，本实用新型实施例提供的大型炉膛二维温度场测量装置，利用声学法来测温度场，在被测炉膛典型燃烧平面均匀安装8个(或12个、16个)扬声器/传声器组合模块，通过测量声波飞行时间数据，实现实时准确监测炉膛二维温度场的目的。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)实现了大型炉膛温度的测量：声学测温基于声波飞行时间的测量，炉膛越大，优势越强。

2)测量准确：采用声学测温装置整个温度场最大相对误差不超过4％,均方根误差不超过2.6％；

3)测量快速：声学温度场测量时间取决于硬件的数据采集时间，可以实现实时在线监测。

4)非接触式测量：基于声学法的温度场测量属于非接触式，不会对被测温度场造成干扰。

5)实现了二维场的监测：以往热电偶等测温方法实现的是点测量，而本实用新型能够实现整个温度场的监测。

6)多种温度场显示方式：能够按使用要求以数据或图形方式显示断面实时二维温度分布、用户定义区域内气体的平均温度、路径上气体平均温度以及声波路径上温度的变化趋势等统计结果。从而为锅炉等加热设备的安全性及经济燃烧提供了直接依据。

本实用新型提供的装置具有温度测量精度高，非插入式，测量范围广,测量范围空间大(可达数十米)，实时连续测量，维护方便等优点，必将在大型炉膛的温度场检测方面发挥出重要作用。

本实用新的应用前景：

(1)各种以煤、油、天燃气等为燃料的大型工业锅炉内温度场及炉体出口处温度场。

(2)冶金工业炉中的热处理炉、均热炉及热处理炉炉内温度场。

(3)垃圾处理炉燃烧过程中的温度分布。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.大型炉膛二维温度场测量装置，其特征在于，包括多个用于安装在被测炉膛四周的具有声发生、声发射和声接收功能的声波发射接收器，所述声波发射接收器包括扬声器和传声器；每个声波发射接收器的扬声器分别与声波发射模块电连接，每个声波发射接收器的传声器分别与声波接收模块电连接；所述声波发射模块和声波接收模块分别与数据采集模块电连接，所述数据采集模块与PC机电连接。

2.如权利要求1所述的大型炉膛二维温度场测量装置，其特征在于，所述声波发射模块包括扫频信号发生器、功率放大器以及声波发射通道切换开关；所述扫频信号发生器的输入端与数据采集模块的输出端电连接，扫频信号发生器的输出端与功率放大器的输入端电连接，功率放大器的输出端与声波发射通道切换开关电连接，所述声波发射通道切换开关与每个声波发射接收器的扬声器电连接；所述数据采集模块与声波发射模块通道切换开关电连接；

所述声波接收模块包括带通滤波器、仪用放大器以及声波接收通道切换开关；所述数据采集模块与声波接收通道切换开关电连接；所述声波接收通道切换开关与每个声波发射接收器的传声器电连接；所述声波接收通道切换开关与仪用放大器的输入端电连接，仪用放大器的输出端与带通滤波器的输入端电连接，带通滤波器的输出端与数据采集模块电连接。

3.如权利要求2所述的大型炉膛二维温度场测量装置，其特征在于，所述数据采集模块包括单片机、A/D转换器、以及液晶显示器，所述单片机分别与扫频信号发生器、声波发射通道切换开关、声波接收通道切换开关、A/D转换器以及液晶显示器电连接，所述A/D转换器还分别与扫频信号发生器的输出端以及带通滤波器的输出端电连接；所述单片机与PC机电连接。

4.如权利要求3所述的大型炉膛二维温度场测量装置，其特征在于，所述单片机依次经TTL/485转换器、RS485总线以及485/232转换器与PC机电连接。

5.如权利要求3所述的大型炉膛二维温度场测量装置，其特征在于，所述单片机选用深圳宏晶科技公司的STC89C52单片机；所述液晶显示器其型号采用LCD1602；所述A/D转换器选用Maxim公司的12位串行A/D转换器ADCMAX187；所述声波发射模块的扫频信号发生器由产生500～3KHz扫频信号的ICL8038函数发生器构成；所述功率放大器采用集成芯片AMP1100；所述通道切换开关采用多路开关CD4051配合固态继电器组合而成；所述仪用放大器其型号为AD524；所述带通滤波器采用MAXIM公司的MAX274芯片构成其滤波电路。

6.如权利要求1所述的大型炉膛二维温度场测量装置，其特征在于，所述扬声器和传声器通过声波导管均匀安装在被测炉膛燃烧平面的四周；所述扬声器采用动圈式扬声器，所述传声器采用压电式传声器。

7.如权利要求1所述的大型炉膛二维温度场测量装置，其特征在于，所述声波发射接收器的数量为8个、12个或16个。

8.如权利要求2或3所述的大型炉膛二维温度场测量装置，其特征在于，所述扫频信号发生器采用500～3KHz的扫频信号作为声源信号，其扫频周期为0.1秒。