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1、前言摘要：温度场的检测在许多研究领域及工农业生产和日常生活等许多方面都具有十分重要的意义。然而，温度场的测量又是一个十分复杂的问题，传统的温度检测方法已经远远不能够满足生产和生活的需要。作为一种新型的测温方法，声学方法具有快速、精确、测量范围宽等特点，在工业生产、科学研究中能够满足温度场精确测量和在线控制的需要，特别是在高温和恶劣的测温环境中，此方法更具有传统方法所无法比拟的优势和特点。本文以实现超声气体温度的快速、准确测量为目的，在对国内外瞬态气体温度测量研究现状进行深入研究的基础上，提出了应用超声波进行燃烧气体温度测量的方案。首先应用空气动力学知识，依据理想气体状态方程建立超声波测温数学模
2、型。基于测温模型及设计思想和原则，进行系统总体设计。系统主要包括超声波发射接收部分、压力测量部分、数据采集部分、单片机及上位PC机控制部分。超声波发射接收部分主要完成超声探头的设计与安装，并对所使用的压电式超声波传感器的工作原理、分类和组成作了较详细的介绍。压力测量部分主要是进行多晶硅高温压力传感器的设计，主要包括传感器灵敏度分析、芯片版图设计、制造工艺设计和性能测试几个步骤；同时，为了实现系统测量快速性的需要，选用流水线型模数转换器ADS800进行压力模拟信号的数字化转换。数据采集部分主要是应用数字移相技术，基于现场可编程门阵列设计高速计数系统，对超声信号的渡越时间进行测量；同时，为了解决高
3、速数据存储的失误问题，提出了二次锁存方案。单片机及上位机，主要是完成系统的监控和数据处理，并能对测量结果进行显示、打印等。关键词：超声测温；瞬态温度；超声波传感器；温度场重建Abstract：Temperature field of research and testing in many industrial and agricultural production and daily life and many aspects have very important significance. However, the temperature field of the measurement
4、 is a very complex problem, the traditional temperature detection method is not able to meet the needs of production and life. As a kind of new method, acoustic pyrometry is a rapid, accurate, wide measuring range, etc. In industrial production, scientific research can satisfy the precision measurin
5、g temperature field and on-line control needs, especially in high temperature and poor environment, this method is more traditional methods and incomparable advantages and characteristics.Based on the realization of ultrasonic gas temperature measurement quickly and accurately, for the purpose of do
6、mestic and foreign, the transient gas temperature measurement research status on the basis of further research, puts forward the application of ultrasonic on combustion gas temperature measurement solutions.Firstly, according to the application of aerodynamics knowledge of ultrasonic establishment o
7、f the state equation of ideal gas temperature mathematical model. Based on the temperature measurement model and design ideas and principles, the overall design. The system includes ultrasound receiving part, pressure measurement, data acquisition, SCM and PC control section. Ultrasound receiving pa
8、rt of main design and installation of ultrasonic probe, and by use of the piezoelectric ultrasonic sensors, classification and the working principle of the composition of the detailed introduction. Pressure measurement part is mainly high pressure sensor polysilicon, mainly including the design of t
9、he sensor sensitivity analysis, chip layout design, manufacture, process design and performance test of several steps, At the same time, in order to realize the system of measuring speed, choose pipeline adc ADS800 pressure of the analog signal digital conversion. Data acquisition part is mainly use
10、d in digital technology, based on field programmable gates array of high-speed counting system, the design of ultrasonic signal measured the cross time, At the same time, in order to solve the problem of high speed data storage turnovers, puts forward second latch scheme. SCM and PC, mainly is the c
11、omplete system of monitoring and data processing, and the measurement results to show, printing, etc.Keywords: Ultrasound temperature measurement, The transient temperature, Ultrasonic sensors, Temperature field目录前言I第一章 绪论11.1选题背景11.2设计目的21.3 设计的意义31.4目前国内外的研究现状41.5超声波的特性及作用原理61.6 发展优势7第二章 方案论证82.1超
12、声波的定义82.2温度的超声测量92.4声学测温的典型装置介绍102.5温度场声学测量方法的工作原理112.5.1温度场重建原理及逆问题正则化解132.5.2正则化方法与迭代技术相结合的温度场重建142.6温度场声学测量方法的系统组成152.7典型产品介绍172.8温度场声学测量方法的优势182.9本章小结19第三章 系统局部硬件电路设计203.1 STC12C单片机203.1.1时钟电路213.1.2复位电路213.2超声波发射电路233.2.1 LM324AD243.2.1超声波传感器243.3超声波接收电路253.4电源电路的设计283.5 LCD液晶显示部分结构293.5.1 LCD的
13、参数和性能及引脚介绍293.5.2 STC12C5A60S2和LCD显示器模块的接口313.5.3. STC12C5A60S2和LCD显示器模块的硬件接口32第四章 系统软件设计334.1主程序设计344.2数据采集存储程序设计344.3相关分析存储程序设计34第五章 总结38主要参考文献39致谢辞41第一章 绪论1.1选题背景大型火力发电厂的燃煤锅炉中，温度场分布(不是点温度)是确定设备状态的重要参数。为了实现火焰燃烧控制系统的自动化运行，我们必须选取一个乃至数个能够表征燃烧过程的具有可操作性的物理参数，用来及时反映燃烧设备的运行工况，为运行人员提供操作依据，并为热工自动化装置准确及时地提供
14、反馈信号，以便深入研究及全面描述设备内热量及能量传递过程。炉内温度场的分布直接影响到煤粉的着火、燃尽以及锅炉的安全性，对于锅炉控制和诊断具有极为重要的意义，它是反映燃烧过程的重要参数。由于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、炉膛灭火、炉膛爆炸等运行事故的重要原因。另外，电站锅炉燃烧过程中具有瞬态变化、随机湍流、设备庞大、环境恶劣等特征，给有关热物理量场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，特别是温度分布的测量很困难，导致燃烧调整得不到可靠的数据，燃烧优化运行无法实现。此外，燃烧的好坏反映出热效率的高低以及对环境污染的影响，所以为
15、了保障锅炉安全运行、提高燃烧效率、节约能源、防止公害，需要准确有效的对炉膛温度场进行监测，并及时加以调节和控制。炉膛的温度分布能够快速反映炉内过程的变化情况。由于我国电厂用煤的不稳定性，燃料入炉量以及配风的自发扰动，通过燃料在炉内燃烧时释放出能量和热交换过程，迅速反映为温度信息。采用炉内温度场参数作为控制参量将会比目前以汽压变化作为锅炉入炉燃料的控制参量有较强的优越性。因此，在工程应用方面，寻找一种简便、快捷的方法进行温度场的测量显得尤为重要，这对提高燃烧效率及锅炉的生产效率，提高产品质量、节约能源、炉子热工过程的模化及结构设计的优化、寻求最佳热制度及最优控制策略，降低金属烧损率及减小环境污染
16、等方面都有重要意义。而实现温度场的实时在线测量更是使设备时刻都处于最佳状态下运行的重要前提。1.2设计目的当前，燃烧温度的测量方法有两大类：非接触测温法和接触式测温法。非接触测温法的特点是敏感元件和被测介质不接触，对燃烧流场不产生干扰，可测量温度场分布。接触法测温特点是测温敏感元件和被测介质直接接触，对燃烧流场有干扰，存在各种热损失，化学反应气体会发生相互作用，对敏感元件的使用寿命有较大的影响。接触法测温中最常用的方法是热电偶法。国外一些研究人员曾用微型热电偶测量过固体推进剂燃烧表面的温度，但迄今为止，还未发表过在固体火箭发动机内使用热电偶直接测量燃气温度的论文或报道。本设计正是基于此，提出了一种基于超声技术的燃烧气体温度测量的方法，希望在此研究基础上
