基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温系统及方法技术方案

本发明专利技术提供基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温系统及方法，涉及声学测温技术领域。该系统包括超声波发射器、超声波接收器、超声波发射/接收模块、吹灰冷却器、高温报警保护器、STM32微处理器、LCD显示器和PC机；在炉墙的一个断面四周安装了8对超声波发射/接收器，通过在不同的断面上采用同样的方式安装等量的超声波发射/接收器，按照设定的程序，在一个检测周期内顺序启闭各个声波发射/接收器，得到一组声波传播时间值，经一次重建算法，重建出温度场断面上的温度分布。采用超声波作为信号源降低了工业炉炉膛背景噪声干扰，利用超声波更快的响应时间优势，准确的测量出声波测温信号飞渡时间，从而得到准确的工业炉内温度场。

Temperature measurement system and method of ultrasonic industrial furnace based on the arrangement of multiple sound sources

【技术实现步骤摘要】
基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温系统及方法
本专利技术涉及声学测温
，尤其涉及一种基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温系统及方法。
技术介绍
复杂温度场存在于工业中多种用于燃烧或加热的设备中。在冶金等行业的工业炉中，工业炉炉膛是一个复杂的反应场所，其中进行着复杂的化学反应和物理变化，并且伴随着温度的瞬态变化。而温度则是热力设备和热力系统最重要的参数之一，温度场的分布可以用来衡量燃烧的稳定性和经济性，它的变化直接影响着燃料的燃烧、燃尽以及工业炉的安全稳定运行。组织合理的温度场则有利于燃料的燃烧和燃尽，有利于保证工业炉的热经济性和热稳定性，提高能源的利用率，减少硫化物、氮氧化物的形成，从而降低污染物的排放。对于炉窑设备而言，准确测量炉内温度场的分布对提高大型工业炉设备的经济性和安全性显得尤为重要。随着国家对能耗和环保问题重视程度的提高，怎样提高工业炉设备运行的经济性和安全性以及减少NOx等污染物排放的问题亟待解决。这些问题都与燃烧的工况有着密切的联系，因此对燃烧温度进行实时、准确的测量成为解决这些问题的关键所在。由于工业炉设备燃烧的过程具有随机湍流、高温腐蚀、温度瞬态变化以及炉内背景噪音等特性给温度场参数的准确实时测量带来了一定的困难。而传统的炉内温度测量方法多为接触式的测量方法，这就对测量仪器的材料提出了更高的要求，并且传统的接触式测量方法在可靠性和精确性方面存在一定的问题，导致得到燃烧的参数存在着一定的误差，从而阻碍了对温度场的精确控制。因此寻找一种简便、精确的测量方法成为解决问题的关键。>
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温系统及方法，通过超声波实现工业炉温度的测量。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一方面，本专利技术提供一种基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温系统，包括多个超声波发射器、多个超声波接收器、超声波发射/接收模块、吹灰冷却器、高温报警保护器、微处理器、LCD显示器和PC机；所述超声波发射器和超声波接收器分别与超声波发射模块和超声波接收模块相连接，所述超声波发射/接收模块、吹灰冷却器、高温报警保护器、LCD显示器和PC机分别与微处理器相连接；所述超声波发射器用于发出放大之后的超声波测温信号；所述超声波接收器用于接收经过工业炉返回的超声波测温信号；所述超声波发射/接收模块用于信号的放大、滤波处理；所述超声波发射/接收模块包括放大电路和滤波电路；所述吹灰冷却器用于清洁超声波发射器和超声波接收器中的声波导管；所述高温报警保护器用于当超声波发射器和超声波接收器的温度达到设定的保护温度时，发出报警；所述微处理器用于对超声波发射器、超声波接收器、吹灰冷却器和高温报警保护器的控制；所述LCD显示器用于显示实时超声波信号波形和温度测量结果；所述PC机用于使用相关分析的算法计算超声波飞行的时间，并按照一定的算法计算出超声波路径上平均温度值，同时完成对整个系统进行设定和校淮；所述设定和校准包括对PC机内置的计算算法的设定以及微处理器和其他模块的电路连接的校准；优选地，所述多个超声波发射器和多个超声波接收器在炉墙的四周成对布置。优选地，在工业炉炉墙的一个断面上呈轴对称方式布置8对超声波发射器和超声波接收器，将断面上的温度场平均分为16个小区域，24条独立的声发射和接收路径。优选地，在工业炉不同的平行断面上分别呈轴对称方式布置相同8对超声波发射器和超声波接收器，不同平行断面上的超声波发射器和超声波接收器能够向其他断面发射和接收来自其他断面的超声波信号，在不同的断面上的一个测温周期内顺序启闭各个声波发射器和超声波接收器，得到一组超声波传播时间值。另一方面，本专利技术还提供一种基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温方法，一个周期内的测量包括以下步骤：步骤1、微处理器对其内置的所有计数器进行清零，等待测温系统开始工作；步骤2、工业炉燃烧开始瞬间，微处理器的P1.0端口产生一个频率为40KHz的脉冲信号，此信号经超声波发射模块的超声波发射驱动电路对脉冲信号进行放大后激发超声波发射器的超声波探头发射超声波脉冲信号，系统此时记录时间为t1，与此同时，微处理器的脉冲信号通过触发器启动计数器，对超声波脉冲计数进行采样；步骤3、当微处理器P1.1端口检测到高电平时，即接收到穿过固定气体媒介距离D的超声波返回信号，此时系统记录时间为t2，微处理器通过触发器关闭计数器，然后P1.1端口发出两个连续脉冲，第一个脉冲将计数器内的计数值存入储存器，第二个脉冲是用来对计数器进行清零，准备进行下一次计数，同时，通过超声波接收器接收探头所接收到的脉冲信号去触发下一个超声波发射器的发射探头发射下一个超声波脉冲信号；步骤4、超声波接收器接收到的脉冲信号，经过滤波、增益放大，送至微处理器，再通过微处理器传送至PC机，在PC机中根据系统记录的时间t1和t2计算出超声波发射器发出的超声波飞行时间为τ＝t2-t1，根据超声波的飞行时间τ和介质温度T之间的关系计算出介质温度，即在PC机中重建工业炉内温度场，其中，Z为声波传播介质常数，D为声波传播的距离，即超声波发射器到超声波接收器的距离；步骤5、在工业炉不同的断面内重复步骤1-4，建立工业炉的三维温度场。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术提供的基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温系统及方法，能够避免炉内噪音对声波信号产生的不良影响，准确的测量出声波测温信号飞行时间；能够精确的建立出超声波飞行的路径，将超声波飞行路径覆盖整个温度场；能够避免接触式测温装置对温度场带来的扰动，更加准确的测量某一区域的平均温度，建立三维温度场。附图说明图1为本专利技术实施例提供的基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的工业炉的一个断面上超声波发射器和超声波接收器布置示意图；图3为本专利技术实施例提供的基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温方法的流程图。图中：1、超声波接收器；2、炉膛；3、超声波发射器。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。本实施例以8个声源布置为例，使用本专利技术的基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温系统及方法对工业炉进行测温。基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温系统，如图1所示，包括多个超声波发射器3、多个超声波接收器1、超声波发射/接收模块、吹灰冷却器、高温报警保护器、微处理器、LCD显示器和PC机；所述超声波发射器3和超声波接收器1分别与超声波发射模块和超声波接收模块相连接，所述超声波发射/接收模块、吹灰冷却器、高温报警保护器、LCD显示器和PC机分别与微处理器相连接；所述超声波发射器3用于发出放大之后的超声波测温信号；所述超声波接收器1用于接收经过工业炉返回本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温系统，其特征在于：包括多个超声波发射器、多个超声波接收器、超声波发射/接收模块、吹灰冷却器、高温报警保护器、微处理器、LCD显示器和PC机；所述超声波发射器和超声波接收器分别与超声波发射模块和超声波接收模块相连接，所述超声波发射模块、超声波接收模块、吹灰冷却器、高温报警保护器、LCD显示器和PC机分别与微处理器相连接；/n所述超声波发射器用于发出放大之后的超声波测温信号；/n所述超声波接收器用于接收经过工业炉返回的超声波测温信号；/n所述超声波发射/接收模块用于信号的放大、滤波处理；所述超声波发射/接收模块包括放大电路和滤波电路；所述吹灰冷却器用于清洁超声波发射器和超声波接收器中的声波导管；/n所述高温报警保护器用于当超声波发射器和超声波接收器的温度达到设定的保护温度时，发出报警；/n所述微处理器用于对超声波发射器、超声波接收器、吹灰冷却器和高温报警保护器的控制；/n所述LCD显示器用于显示实时超声波信号波形和温度测量结果；/n所述PC机用于使用相关分析的算法计算超声波飞行的时间，并按照一定的算法计算出超声波路径上平均温度值，同时完成对整个系统进行设定和校淮；/n所述设定和校准包括对PC机内置的计算算法的设定以及微处理器和其他模块的电路连接的校准。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温系统，其特征在于：包括多个超声波发射器、多个超声波接收器、超声波发射/接收模块、吹灰冷却器、高温报警保护器、微处理器、LCD显示器和PC机；所述超声波发射器和超声波接收器分别与超声波发射模块和超声波接收模块相连接，所述超声波发射模块、超声波接收模块、吹灰冷却器、高温报警保护器、LCD显示器和PC机分别与微处理器相连接；
所述超声波发射器用于发出放大之后的超声波测温信号；
所述超声波接收器用于接收经过工业炉返回的超声波测温信号；
所述超声波发射/接收模块用于信号的放大、滤波处理；所述超声波发射/接收模块包括放大电路和滤波电路；所述吹灰冷却器用于清洁超声波发射器和超声波接收器中的声波导管；
所述高温报警保护器用于当超声波发射器和超声波接收器的温度达到设定的保护温度时，发出报警；
所述微处理器用于对超声波发射器、超声波接收器、吹灰冷却器和高温报警保护器的控制；
所述LCD显示器用于显示实时超声波信号波形和温度测量结果；
所述PC机用于使用相关分析的算法计算超声波飞行的时间，并按照一定的算法计算出超声波路径上平均温度值，同时完成对整个系统进行设定和校淮；
所述设定和校准包括对PC机内置的计算算法的设定以及微处理器和其他模块的电路连接的校准。


2.根据权利要求1所述的基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温系统，其特征在于：所述多个超声波发射器和多个超声波接收器在炉墙的四周成对布置。


3.根据权利要求1所述的基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温系统，其特征在于：在工业炉炉墙的一个断面上呈轴对称方式布置8对超声波发射器和超声波接收器，将断面上的温度场平均分为16个小区域，24条独立的声发射和接收路径。


4.根据权利要求1-3任一项所述的基于多个声源布置方式的超声波工业炉测温系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡贤忠，谢清华，张娟，梁容真，阎富生，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21