杜玫玫

（晉中市綜合檢驗(yàn)檢測中心 山西晉中 030600）

1 前言

火焰溫度及其分布的定性或定量測定對觀察和理解燃燒過程、燃燒流場和燃燒產(chǎn)物的固有特性及建立合理的燃燒模型具有重要的指導(dǎo)作用[1-4]。隨著測溫技術(shù)的發(fā)展，超聲測溫技術(shù)顯示出其他測試技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，尤其可以適應(yīng)惡劣的測試環(huán)境。

火焰溫度是燃燒過程中重要的熱力學(xué)參數(shù)之一，特別對于各種戰(zhàn)略武器發(fā)射平臺(tái)的設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饬鞯幕鹧鏈囟葘⒅苯佑绊懺O(shè)計(jì)指標(biāo)和實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)的途徑。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的溫度對喉襯材料的選擇和比沖量的增加具有重要意義[5]。在高能推進(jìn)劑發(fā)射系統(tǒng)中，發(fā)射平臺(tái)的高溫?zé)g將比介質(zhì)推進(jìn)劑系統(tǒng)更為突出。在各種導(dǎo)彈武器的矢量控制技術(shù)中，應(yīng)考慮火箭羽流溫度對各部件的影響?；鸺蛯?dǎo)彈在大氣中飛行會(huì)產(chǎn)生1 500℃以上的表面高溫，局部區(qū)域甚至達(dá)到2 600℃，由于需進(jìn)行長時(shí)間的高馬赫數(shù)飛行，其熱防護(hù)系統(tǒng)極端重要。傳統(tǒng)的分層溫度測量方式可為理論外推提供關(guān)鍵源頭參數(shù)，但目前使用的鎢錸熱電偶具有熱偶材料氧化和結(jié)構(gòu)熱退化問題，難以進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此，目前仍缺乏長時(shí)間連續(xù)超高溫的直接測量技術(shù)，急需可以在高于1 500℃的超高環(huán)境中進(jìn)行直接實(shí)時(shí)溫度測試的技術(shù)手段。

超聲波測溫是通過測量介質(zhì)在一定溫度下的聲速來獲得介質(zhì)溫度的一種方法。1992 年，美國S.C.威爾金斯使用單晶鎢作超聲溫度計(jì)，可以測量高達(dá)3 000℃的溫度。D.W Varela 使用超聲溫度計(jì)提高了工業(yè)及實(shí)驗(yàn)室加熱爐溫度的準(zhǔn)確性，其測量范圍可從室溫達(dá)到3 000℃。21 世紀(jì)初，美國SEI 公司將研制的Biolerwatch 系列聲學(xué)溫度計(jì)用于測量大型火力發(fā)電廠中鍋爐內(nèi)部溫度場的分布情況[6]，測量范圍 300℃～2 700℃，1 200℃以上的誤差不大于 2℃，超聲溫度計(jì)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室逐步走入產(chǎn)品化階段。中國對其研究較少，從整體上看，它的溫度測量水平不高，因此，研究超聲波測溫是非常必要的，其具有測溫范圍廣、精確度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性能優(yōu)越、能進(jìn)行連續(xù)測量等優(yōu)點(diǎn)。隨著測溫技術(shù)的發(fā)展，超聲測溫技術(shù)顯示出其他測試技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，完全可以滿足各種惡劣的測試環(huán)境的測試要求，有望應(yīng)用于軍事領(lǐng)域中侵入式高溫測試中?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種雙節(jié)距的超聲波傳感器，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，證明該方案的可行性，為后續(xù)設(shè)計(jì)多節(jié)距的分布式傳感器提供基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)部分

2.1 儀器原理

在固體桿中超聲波的傳播速度詳見式（1）：

其中，E—彈性模量；ρ—材料的密度。

它們都與溫度T 有著確定的關(guān)系式。例如，藍(lán)寶石材料的楊氏模量E 與密度ρ 隨溫度的變化為：

根據(jù)式（2），聲波傳播的速度可寫為：

超聲波在特定不變的介質(zhì)中的傳播速度只與溫度高低有關(guān)，試驗(yàn)中常用固體作為介質(zhì)標(biāo)定超聲波速度與溫度的關(guān)系。超聲波沿著固體桿傳播的溫度與時(shí)間關(guān)系詳見式（4）：

實(shí)驗(yàn)原理：脈沖發(fā)生器可以發(fā)射和回收電信號(hào)，發(fā)射的電信號(hào)通過壓電換能器轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)，超聲波沿著被測導(dǎo)桿傳播遇到導(dǎo)桿上所刻凹槽會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象產(chǎn)生反射波，反射波通過壓電換能器再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)被壓電換能器接收并傳入信號(hào)采集器完成整個(gè)過程。最初，脈沖收發(fā)器發(fā)射出一個(gè)電脈沖信號(hào)，沿著敏感元件傳播，并在敏感元件的凹槽間產(chǎn)生反射。壓電換能器再起到反向轉(zhuǎn)換的作用，也就是將超聲信號(hào)重新轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

在整個(gè)過程中，超聲波的速度按式（5）計(jì)算：

其中，v（T）—超聲波的速度；ΔL—2 個(gè)凹槽的間距；Δt—2 個(gè)反射信號(hào)的時(shí)間差。

最后再根據(jù)公式（3）敏感元件中材料的聲速與溫度對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算得到高溫區(qū)溫度的確切數(shù)值，并在不斷升溫中記錄多組數(shù)值從而達(dá)到標(biāo)定的效果。設(shè)計(jì)超聲測溫傳感器的基本結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 超聲測溫傳感器結(jié)構(gòu)

2.2 傳感器設(shè)計(jì)

藍(lán)寶石的熔點(diǎn)為2 050℃，熱傳導(dǎo)性較好，且耐磨、抗風(fēng)蝕，在超高溫測溫的情況下，藍(lán)寶石的測溫范圍相對于熔點(diǎn)低的材料更具有優(yōu)勢，具有0℃～2 050℃的寬泛測溫范圍，且在高溫狀態(tài)下的溫度校準(zhǔn)曲線較穩(wěn)定，因此，常被作為敏感元件。

結(jié)合目前的制造工藝，選擇直徑較小的敏感元件的比較合適，這是由于小直徑的敏感元件藍(lán)寶石桿相對大直徑的敏感元件藍(lán)寶石桿在高溫爐中更容易達(dá)到熱平衡，可以最大程度上降低儀器本身對實(shí)驗(yàn)的影響。因此，選擇藍(lán)寶石桿的直徑為1 mm。

如何確定2 個(gè)凹槽之間的間距ΔL 及后一個(gè)凹槽與藍(lán)寶石桿末端的長度使得超聲波的反射信號(hào)變得更加明顯，主要取決于凹槽間距ΔL 及超聲波傳播時(shí)間t 的關(guān)系，它們之間的關(guān)系詳見式（6）：

其中，v（T）—超聲波在藍(lán)寶石桿中的傳播速度；t1—壓電換能器激勵(lì)發(fā)出超聲波信號(hào)的時(shí)間間隔。

當(dāng)凹槽間距△L 滿足公式（6）時(shí)，可以保證2 個(gè)反射信號(hào)的時(shí)間間隔大于超聲波的發(fā)射時(shí)間間隔，從而使反射回來的超聲波信號(hào)不會(huì)由于疊加而使波峰互相重疊，避免波峰重疊而導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析出現(xiàn)問題。由使用的壓電換能器種類，當(dāng)凹槽間距△L 分別為25.4 mm 和28.4 mm 時(shí)，最適合超聲波信號(hào)的透射與反射效果，且方便控制藍(lán)寶石桿的總體長度，詳見表1 和圖2。

2.3 試驗(yàn)方法

選用藍(lán)寶石作為敏感元件時(shí)測溫范圍可達(dá)0℃～2 050℃，但是由于實(shí)驗(yàn)室所用的高溫爐自身的限制，最高加熱溫度只能達(dá)到1 600℃，不能達(dá)到藍(lán)寶石的熔點(diǎn)，所以本試驗(yàn)所測溫的范圍是0℃～1 600℃，熱電偶加熱溫度升高的速度約為100℃/5 min，所以，可以從0℃開始，以100℃為單位取得多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 敏感元件結(jié)構(gòu)

測溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總設(shè)計(jì)詳見圖3。主要由6 部分組成：計(jì)算機(jī)、100 MHz 的數(shù)據(jù)采集卡、脈沖收發(fā)儀、壓電換能器、藍(lán)寶石桿和一臺(tái)可加熱到1 600℃的高溫爐。頻散越小且頻率越低的反射信號(hào)衰減幅度越小，但是當(dāng)頻率過低時(shí)，又會(huì)發(fā)生反射信號(hào)重疊的現(xiàn)象，導(dǎo)致過度的干擾，從而增大誤差，因此，本試驗(yàn)選擇晶振為500 kHz 的壓電換能器。

圖3 測溫試驗(yàn)系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中，首先連接好試驗(yàn)裝置，再將藍(lán)寶石桿帶有2 個(gè)凹槽的一端插入到高溫爐中，打開高溫爐，最初記錄一個(gè)波形數(shù)據(jù)，然后每升高100℃時(shí)，利用計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡采集一次數(shù)據(jù)所有測試結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，詳見表2。

3 結(jié)果與討論

試驗(yàn)過程中總體反射信號(hào)趨勢較為穩(wěn)定，即隨著溫度的升高，反射信號(hào)所需要的傳播時(shí)間不斷增加。表2 所測的數(shù)據(jù)中2 個(gè)區(qū)截的溫度和傳輸時(shí)差的關(guān)系詳見圖4。

圖4 2 個(gè)區(qū)截的溫度和傳輸時(shí)差的關(guān)系

由圖4 可知，2 個(gè)區(qū)截在相同的溫度情況下都表現(xiàn)出很好的線性分布，滿足測溫的需求，后續(xù)試驗(yàn)需要測定2 個(gè)區(qū)截在不同溫度時(shí)傳感器所測值的準(zhǔn)確性，以及當(dāng)2 個(gè)區(qū)截溫度不同時(shí)，一個(gè)區(qū)截的溫度對另一個(gè)區(qū)截溫度的影響。

4 結(jié)論

（1）本次測試采用的藍(lán)寶石桿可以在常溫至1 600℃的區(qū)間內(nèi)正常工作。由于高溫爐自身性能影響，試驗(yàn)中最高溫只能達(dá)到1 600℃，并不能測量藍(lán)寶石熔點(diǎn)的2 050℃，只能初步對超聲波與溫度的關(guān)系進(jìn)行研究，并未進(jìn)行深入試驗(yàn)以求設(shè)計(jì)的溫度分布傳感器可以生產(chǎn)并投入使用。

（2）本試驗(yàn)證明了雙節(jié)距的超聲波傳感器測溫方案的可行性，可為后續(xù)設(shè)計(jì)多節(jié)距的分布式傳感器提供基礎(chǔ)。

（3）本傳感器后續(xù)試驗(yàn)還需要測定2 個(gè)區(qū)截在不同溫度時(shí)傳感器所測得的數(shù)值的準(zhǔn)確性，以及當(dāng)2個(gè)區(qū)截溫度不同時(shí)，一個(gè)區(qū)截的溫度對另一個(gè)區(qū)截溫度的影響。只有這樣，才可以進(jìn)行火焰溫度及其分布的定性或定量測定，便于觀察和理解燃燒過程、燃燒流場和燃燒產(chǎn)物的固有特性。