【摘要】：溫度分布測量對于大型鍋爐的在線監(jiān)測、優(yōu)化燃燒、降低污染、以及保障設(shè)備安全運行等領(lǐng)域具有重要意義。獲取準(zhǔn)確的溫度分布測量是一個有挑戰(zhàn)性的問題。傳統(tǒng)的溫度分布測量方式可分為接觸式測量與非接觸式測量兩類。接觸式測量方法具有簡單、直觀等優(yōu)勢。然而,由于測量設(shè)備與被測對象接觸,勢必對被測對象原本的溫度分布狀態(tài)造成影響,導(dǎo)致測量誤差。非接觸式測量方法不干擾被測對象溫度分布,彌補了接觸式測量的缺陷,已獲得了廣泛地關(guān)注。由于具有機械波特性,可適應(yīng)光線昏暗、粉塵濃度大、充滿有毒有害氣體、及強電磁輻射的等極端測量場合等優(yōu)勢,超聲波方法被認(rèn)為是一種極具廣闊發(fā)展前景的溫度分布測量方法。本文主要研究超聲溫度分布測量方法。主要的研究工作為：(1)基于超聲波動方程、熱力學(xué)方程,闡明了超聲測溫的原理；揭示了超聲傳播速度與介質(zhì)溫度之間的關(guān)系；明確了準(zhǔn)確獲取TOF測量數(shù)據(jù)對于超聲溫度分布測量的重要性。(2)超聲溫度分布重建問題在本質(zhì)上是一個病態(tài)問題,重建算法的精度對于實現(xiàn)超聲溫度分布測量至關(guān)重要。不同于常規(guī)超聲溫度分布重建方法,本文提出了一種同時考慮了測量誤差、模型誤差以及被測對象動態(tài)變化的新型兩階段圖像重建方法,改善溫度分布重建精度。第一階段,為緩解超聲溫度分布重建的病態(tài)本質(zhì),應(yīng)用粗網(wǎng)格離散重建區(qū)域,使得網(wǎng)格數(shù)少于獨立的測量數(shù)據(jù),確保重建模型在這一階段的超定；在此基礎(chǔ)上,采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄇ蠼獗粶y區(qū)域的溫度分布。第二階段,基于粗網(wǎng)格的溫度分布數(shù)據(jù)與徑向基函數(shù)方法,提出一種同時考慮TOF測量數(shù)據(jù)誤差、模型的不精確性與被測對象動態(tài)演化信息的新型目標(biāo)泛函,將溫度分布重建問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題的求解；應(yīng)用模擬退火方法尋求該目標(biāo)泛函的全局最優(yōu)解。仿真結(jié)果證明,本文提出的重建方法能夠顯著改善重建質(zhì)量,為超聲溫度分布重建提供了一種新的有效方法。(3)設(shè)計并制作了超聲溫度分布測量系統(tǒng)硬件,以STC12單片機為核心器件,結(jié)合放大器、多路開關(guān)、相位比較器、觸發(fā)器等外圍電路,實現(xiàn)TOF數(shù)據(jù)測量。采用理論模型與Monte Carlo數(shù)值模擬方法分析了硬件系統(tǒng)的靜態(tài)誤差,同時考慮電氣誤差與環(huán)境誤差對測量結(jié)果的影響,提出了合理的超聲波換能器誤差范圍,為實現(xiàn)高質(zhì)量的溫度分布測量,在硬件選取方面提供了重要依據(jù)。(4)采用實驗途徑驗證了相位差法、幅值相位調(diào)制法與閾值法在針對TOF測量的可行性,最終確定閾值法為本文測量硬件系統(tǒng)的最佳TOF測量方式。同時,提出一種計算完整波長數(shù)的方法與實際測量步驟,解決了超聲波單頻率相位差法難以確定完整波長數(shù)的難題,并通過實驗研究證實了該方法的有效性。(5)考慮到TOF實際測量數(shù)據(jù)的不精確性本質(zhì),進(jìn)行TOF測量動態(tài)誤差分析,提出了基于小波多尺度分析方法的TOF數(shù)據(jù)降噪方法,提高了TOF數(shù)據(jù)的質(zhì)量,為重建高精度的溫度分布奠定了基礎(chǔ)。(6)針對氣體介質(zhì)穩(wěn)定熱源,利用本文研制的超聲溫度分布測量系統(tǒng)進(jìn)行TOF測量,并實現(xiàn)溫度分布測量。實驗研究結(jié)果證實了本文設(shè)計的超聲測溫系統(tǒng)與提出的兩階段圖像重建算法的可行性與有效性,為氣體介質(zhì)溫度分布可視化測量提供了一種有效途徑。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK311;TB559

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2753475