王月明, 高 松, 陳 波

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引 言

隨著超聲技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,超聲波測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。張興紅等人根據(jù)超聲波的反射特性,將傳感器設(shè)計(jì)成反射式結(jié)構(gòu)有效減小超聲波溫度計(jì)的尺寸,基于FPGA的硬件電路和軟件細(xì)分算法,實(shí)現(xiàn)了用于常溫和高溫的精密溫度測(cè)量[1]。蔡勇等人利用COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行了聲波傳播路徑的數(shù)值求解,考慮了聲波折射補(bǔ)償,對(duì)聲波信號(hào)傳播路徑由曲線變直線進(jìn)行補(bǔ)償,提高溫度場(chǎng)測(cè)量的精確性[2]。李言欽等人采用有限元軟件Comsol和基于聲波動(dòng)方程理論模擬了脈沖聲波在溫度場(chǎng)中的傳播過程,利用互相關(guān)函數(shù)法計(jì)算了聲波在場(chǎng)內(nèi)的傳播時(shí)間[3]。郝忠平等人采用聲吶測(cè)溫技術(shù)(即TMT-SOMA測(cè)溫系統(tǒng))對(duì)包鋼4號(hào)高爐進(jìn)行了爐喉測(cè)溫,技術(shù)具有信息量大、連續(xù)和穩(wěn)定、系統(tǒng)維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。能準(zhǔn)確判斷煤氣流的變化情況,為高爐操作提供了較好的參考依據(jù),確保了高爐長期穩(wěn)定順行[4]。王月明等人利用有限元軟件COMSOL建立了探頭外輸送管道內(nèi)的聲場(chǎng)分布,研究了超聲探頭安置于測(cè)量管道的最佳位置[5]。張燕等人推導(dǎo)了聲速的溫濕度修正公式,探討了根據(jù)工程要求是否對(duì)聲速進(jìn)行溫濕度修正及如何修正的問題[6]。

超聲波在空氣中的聲速與空氣的溫度和相對(duì)濕度有關(guān),空氣的溫度和相對(duì)濕度的改變就會(huì)相應(yīng)改變超聲波聲速,如果不對(duì)溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行測(cè)量或補(bǔ)償,超聲波傳播速度的變化最終會(huì)造成測(cè)量結(jié)果精度存在誤差。

本文進(jìn)行了理論分析,搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)不同熱濕環(huán)境對(duì)超聲波測(cè)量的影響進(jìn)行研究,探索了不同溫濕度對(duì)聲速影響的規(guī)律。

1 聲速基礎(chǔ)理論

空氣中的聲速跟空氣溫度有關(guān)系,也依賴于空氣中的相對(duì)濕度,基本理論公式如式(1)所示[7]

(1)

xw=0.01RHFPsv/P

(2)

式中γ為比熱比,T為空氣溫度,℃；P為大氣壓(本文設(shè)定1.013 251 05 Pa),Pa；Ma為干空氣摩爾質(zhì)量,kg/mol；W為水蒸汽摩爾質(zhì)量,kg/mol；xw為水蒸汽摩爾分?jǐn)?shù)；Z為壓縮性因子；R為通用氣體常數(shù),其數(shù)值為8.314 459 8 J/(mol·K)；RH為相對(duì)濕度(相對(duì)濕度為0 %～100 %RH),水蒸汽強(qiáng)化因子F在0～100 ℃下的計(jì)算可以參考文獻(xiàn)[8]的工作。比熱比γ以及飽和蒸汽壓Psv在0～100 ℃溫度范圍內(nèi)可以通過文獻(xiàn)[9]提出的公式計(jì)算。Z由文獻(xiàn)[8,9]提出的公式計(jì)算。Ma和MW的值亦可參考國標(biāo)ISO—2533—1975(文獻(xiàn)[10])。設(shè)定空氣成分和標(biāo)準(zhǔn)空氣的一致,根據(jù)式(1)可以得出空氣的聲速的平方與空氣中的溫度成正比,空氣的聲速的平方與濕度成正比。

2 實(shí)驗(yàn)方案

為了研究不同熱濕環(huán)境對(duì)超聲波測(cè)量影響研究,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建架構(gòu)圖如圖1所示,圖1中濕度計(jì)是獲取測(cè)量區(qū)域中的濕度值,電子溫度計(jì)是獲取測(cè)量區(qū)域的溫度,溫度調(diào)整裝置、濕度調(diào)整裝置是調(diào)整測(cè)量區(qū)域的溫度、相對(duì)濕度范圍,信號(hào)發(fā)生器是給超聲波發(fā)射探頭發(fā)送信號(hào),數(shù)據(jù)采集獲取超聲波接收探頭接收信號(hào)對(duì)比信號(hào)發(fā)射時(shí)間計(jì)算出聲波的速度。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下進(jìn)行了兩類實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)1設(shè)定在21,24,27 ℃三組恒定溫度情況下,在濕度范圍30 %～95 %RH內(nèi)每隔5 %RH的相對(duì)濕度記錄分析超聲波接收信號(hào)的變化情況；實(shí)驗(yàn)2分別在16,19,21,24,27 ℃五組恒定溫度情況下,在濕度范圍40 %～90 %RH內(nèi)分別每隔10 %RH的空氣相對(duì)濕度記錄分析超聲波聲速的變化情況。在不同實(shí)驗(yàn)的熱濕環(huán)境下記錄溫度、空氣相對(duì)濕度以及超聲波實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),最后得出不同熱濕環(huán)境對(duì)聲速的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建架構(gòu)

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 相對(duì)濕度對(duì)超聲波接收信號(hào)影響結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中設(shè)定不同溫度和相對(duì)濕度環(huán)境下,對(duì)超聲波發(fā)射信號(hào)的影響情況。如圖2(a)所示為恒定溫度下濕度不同超聲波接收信號(hào)(振幅)變化。其中,x軸為相對(duì)濕度,y軸為超聲波振幅。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖分析可以看出：在空氣溫度恒定時(shí),空氣相對(duì)濕度的增加會(huì)對(duì)超聲波接收信號(hào)產(chǎn)生影響,相對(duì)濕度越大,超聲波接收信號(hào)(振幅)就越好。在相對(duì)濕度為同一值時(shí),溫度越大,超聲波接收信號(hào)就越好。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)空氣中的溫度越高,濕度對(duì)超聲波接收信號(hào)影響就越大。

3.2 恒定溫度下濕度與超聲波聲速的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)設(shè)定不同溫度、不同濕度環(huán)境下,對(duì)超聲波聲速的影響情況。如圖2(b)所示為不同溫度、濕度超聲波聲速變化關(guān)系圖。其中,x軸為相對(duì)濕度,y軸為超聲波聲速,圖例中五條曲線分別為在16,19,21,24,27 ℃5組溫度下測(cè)量的超聲波聲速數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)圖分析可以看出：在空氣溫度恒定時(shí),空氣相對(duì)濕度的增加會(huì)對(duì)超聲波聲速產(chǎn)生影響,相對(duì)濕度的增加會(huì)使超聲波聲速增大；在空氣相對(duì)濕度恒定時(shí),溫度的增加會(huì)超聲波聲速產(chǎn)生影響,溫度越大超聲波聲速增大。實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)溫度越高,超聲波傳播速度會(huì)隨之變大,相對(duì)濕度越高,超聲波傳播速度也會(huì)隨之增大,且空氣中的濕度對(duì)超聲波聲速的影響比溫度的影響小。

4 結(jié) 論

1)空氣中的溫濕度對(duì)超聲波的測(cè)量接收信號(hào)有一定影響。在空氣溫度恒定時(shí),空氣相對(duì)濕度的增加會(huì)使超聲波接收信號(hào)增大；在空氣中相對(duì)濕度一定時(shí),溫度越大,超聲波的接收信號(hào)就越大；且測(cè)量區(qū)域內(nèi)空氣中的溫度越高,濕度對(duì)超聲波接收信號(hào)影響就越大。

2)空氣中的溫濕度對(duì)超聲波的聲速測(cè)量有一定影響,且在一定范圍內(nèi),溫度對(duì)超聲波聲速的影響比濕度對(duì)超聲波聲速的影響大。在空氣溫度恒定時(shí),相對(duì)濕度的增加會(huì)使超聲波聲速增大。在空氣相對(duì)濕度恒定時(shí),溫度的增加會(huì)使超聲波聲速增大。溫度越高,超聲波傳播速度會(huì)隨之變大；相對(duì)濕度越高,超聲波傳播速度也會(huì)隨之增大,且空氣中的濕度對(duì)超聲波聲速的影響比溫度對(duì)超聲波聲速的影響小。

實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)量空氣中的溫度或濕度儀器提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與參考依據(jù)。