田苗，王高，劉爭(zhēng)光，魏艷龍，方煒，桂志國(guó)，程麗鵬

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超聲脈沖測(cè)溫技術(shù)初步研究

田苗1，王高1，劉爭(zhēng)光2，魏艷龍1，方煒3，桂志國(guó)1，程麗鵬1

(1. 中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原030051； 2.中北大學(xué)理學(xué)院，山西太原 030051；3. 中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西太原 030051)

目前基于脈沖技術(shù)的超聲測(cè)溫研究主要側(cè)重于超聲換能器和系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，而對(duì)高溫敏感元件的研究較少。通過選取合適的敏感元件材料，以及對(duì)超聲導(dǎo)波在桿中的頻散特性和反射、透射分析，最終選用了一根長(zhǎng)為1 m、直徑1 mm左右的帶反射凹槽的釷鎢桿作為敏感元件，并在一個(gè)超聲測(cè)溫平臺(tái)進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用釷鎢合金桿作為敏感元件，可有效測(cè)量12 ℃～1 600 ℃聲速與溫度的關(guān)系，所測(cè)得的高溫下的聲速與參考值相比誤差不超過0.68%。

超聲測(cè)溫；釷鎢合金；溫度；聲速

0 引言

溫度的測(cè)量及控制在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需求迫切[1]，尤其是近十幾年，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的快速發(fā)展，特別是航空航天和核工業(yè)領(lǐng)域，急需一種能在高溫或者超高溫環(huán)境下可靠、有效的溫度測(cè)量手段[2]。

目前比較成熟的溫度測(cè)量技術(shù)有熱電偶、紅外輻射測(cè)溫。熱電偶是目前工業(yè)測(cè)溫的主要手段。但是因?yàn)槠洳牧霞敖Y(jié)構(gòu)限制，在2 000℃以上的超高溫環(huán)境下很難得到應(yīng)用[3]。紅外輻射測(cè)溫由于其非接觸和響應(yīng)速度快等特性，常應(yīng)用于爆炸、發(fā)動(dòng)機(jī)噴口等特殊環(huán)境。但其測(cè)量精度受背景環(huán)境折射率、霧氣等因素影響較大，很難實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量[4]。

超聲測(cè)溫技術(shù)起步較晚，但由于其測(cè)溫范圍寬、響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，在一些傳統(tǒng)測(cè)溫手段無法滿足要求的環(huán)境中，已成為國(guó)內(nèi)外科研人員主要的研究方向[5-7]。超聲測(cè)溫技術(shù)在我國(guó)發(fā)展緩慢，主要還處于高校實(shí)驗(yàn)室研究階段，未有成熟的商業(yè)化應(yīng)用，所以很有必要對(duì)超聲測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。

1 超聲測(cè)溫原理

超聲測(cè)溫是近50年發(fā)展起來的一種新型的測(cè)溫技術(shù)，其理論基礎(chǔ)是超聲波在氣體、液體、固體中的傳播速度與介質(zhì)溫度有確定的函數(shù)關(guān)系[8]。在理想氣體中，聲速與絕對(duì)溫度的平方根成正比，而在大多數(shù)固體和液體中，當(dāng)溫度升高時(shí)，聲波的傳播速度會(huì)減小。超聲測(cè)溫依據(jù)于聲波傳輸與介質(zhì)的單值函數(shù)關(guān)系，通過率先標(biāo)定介質(zhì)中的聲速，從而可以測(cè)定介質(zhì)的溫度[9]。

超聲波在固體桿中的傳播速度存在如下公式[10]：

由此聲波傳播的速度可寫為[12]

結(jié)合式(2)、(3)可以計(jì)算得到不同溫度下的鎢釷桿中的聲速作為理論參考值。

2 超聲脈沖測(cè)溫系統(tǒng)

圖1 超聲脈沖測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)由式(4)得到的敏感元件中難熔材料的聲速與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系值，就可以計(jì)算得到高溫區(qū)的溫度。

3 敏感元件

隨著科技的進(jìn)步，換能器和電子學(xué)的技術(shù)水平已相當(dāng)先進(jìn)。在超聲脈沖測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用中，傳感器敏感元件的聲傳輸特性研究反而更為重要。尤其是敏感元件的材料性能，幾乎已成為制約超聲測(cè)溫技術(shù)發(fā)展的主要因素。因此，本文主要介紹敏感元件材料的選擇及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 材料的選擇

超聲溫度傳感器敏感元件的材料選擇方面有三個(gè)準(zhǔn)則需要考慮：(1) 材料的化學(xué)和物理性質(zhì)在測(cè)量的環(huán)境和溫度內(nèi)必須是穩(wěn)定的；(2) 材料要有良好的溫度敏感度；(3) 材料必須要有很好的傳聲特性。因此，常用一些難熔金屬如鉭、鎢、錸等以及他們的合金作為敏感元件的候選材料。

鉭在高溫環(huán)境非常易氧化且不穩(wěn)定。錸有很好的溫度敏感度但是其傳聲特性不是很好。釷鎢合金(鎢中參雜2%的二氧化釷)在這些材料中表現(xiàn)最好，其熔點(diǎn)接近3 410℃，并且有很好的導(dǎo)聲特性，選用其作為敏感元件，有很寬的測(cè)溫范圍[13]。雖然與其他材料相比釷鎢合金的溫度敏感度不是很好，但是其在一定的熱處理后有一個(gè)非常穩(wěn)定的溫度校準(zhǔn)曲線。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 敏感元件尺寸

超聲導(dǎo)波的群速度和相速度如式(6)所示[15]：

(a) 群速度

(b) 相速度

圖2 超聲波在釷鎢桿中的頻散曲線

Fig.2 The dispersion of ultrasound in thoriated tungsten

3.2.2 反射凹槽尺寸

超聲波在變截面或者不同物質(zhì)界面處傳播，都會(huì)發(fā)生反射、透射，反射系數(shù)與透射系數(shù)與聲波阻抗有關(guān)聯(lián)，如圖3所示，圖3(a)為反射前的情況，圖3(b)為反射后的情況。

(a) 反射前 (b) 反射后

由傳感器的反射系數(shù)可以獲得細(xì)桿直徑的比值：

結(jié)合目前的研究，當(dāng)反射系數(shù)為0.2、凹槽直徑為0.8 mm、寬1 mm時(shí)，可以獲得較為明顯的反射信號(hào)。在釷鎢桿不會(huì)由于直徑過細(xì)而造成結(jié)構(gòu)損壞的同時(shí)，可有效提高反射信號(hào)的分析和提取，從而提高測(cè)量的精度。

3.2.3 反射間距

結(jié)合3.2.1、3.2.2、3.2.3，敏感元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 敏感元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 超聲測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

圖4 超聲測(cè)溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中，連接好實(shí)驗(yàn)裝置后，將釷鎢桿置于一個(gè)剛玉保護(hù)管里，并把含有反射凹槽的一端深入到高溫爐中心，另一端通入氬氣防止氧化。每當(dāng)溫度升高100 ℃時(shí)，計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡采集一次數(shù)據(jù)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)一共進(jìn)行了5次，圖5(a)與5(b)所示為數(shù)據(jù)采集卡第1次獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以較為清楚地看到超聲波在兩個(gè)凹槽和端面處的反射波形。在常溫(12℃)時(shí)，兩個(gè)凹槽間回波信號(hào)的時(shí)間差為2.236×10-5s。當(dāng)溫度到1 600℃時(shí)，兩個(gè)凹槽間回波信號(hào)的時(shí)間差變?yōu)?.436×10-5s。

(a) 12 ℃

(b) 1600 ℃

圖5 不同溫度下的反射信號(hào)波形圖

Fig.5 The waveform of reflection signal at different temperatures

圖6 時(shí)間差與溫度的關(guān)系曲線

實(shí)驗(yàn)中的高溫爐經(jīng)過B型熱電偶校準(zhǔn)，同一溫度下，其與B型熱電偶最大數(shù)值相差不超過5 ℃。整個(gè)高溫爐內(nèi)的溫度梯度分布不超過10 ℃，敏感元件區(qū)域的溫度梯度分布不超過2 ℃。因此，可忽略環(huán)境噪聲對(duì)時(shí)間差的影響，直接計(jì)算得釷鎢桿中的聲速與溫度的關(guān)系曲線如圖7所示，并與理論參考值作比較?？梢?，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值與理論值基本吻合，隨著溫度的升高，超聲波在釷鎢桿中的傳播速度逐漸減小，而且溫度越高，聲速減小得越快。在常溫時(shí)，測(cè)量誤差約為0.68%，在1 600 ℃時(shí)，測(cè)量誤差約為0.25%。

圖7 不同溫度下的聲速實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比

6 結(jié)論

(1) 使用釷鎢合金作為敏感元件所搭建的超聲測(cè)溫系統(tǒng)，能在1 600℃下穩(wěn)定工作，所測(cè)得的高溫下的聲速與理論參考值相比誤差不超過0.68%。

(2) 由于釷鎢桿在高溫下易氧化而損壞，而通入氬氣保護(hù)又影響了測(cè)量精度，因此，更加合適的敏感元件材料選取仍是今后超聲測(cè)溫技術(shù)研究的重點(diǎn)。

(3) 整個(gè)超聲測(cè)溫系統(tǒng)受限于高溫爐的性能，最高只能測(cè)到1 600℃ 的聲速與溫度的關(guān)系。1 600 ℃時(shí)超聲測(cè)溫系統(tǒng)仍有明顯的反射信號(hào)，如果條件允許，整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)能測(cè)量更高溫度下的聲速與溫度關(guān)系，理論上可以到達(dá)釷鎢合金的熔點(diǎn)3 410℃。

(4) 本實(shí)驗(yàn)只是初步研究了聲速與溫度之間的關(guān)系，沒有對(duì)超聲測(cè)溫傳感器進(jìn)行標(biāo)定之后用來直接測(cè)量溫度，需要以后進(jìn)一步的研究。

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A preliminary study of pulse-echo ultrasonic thermometry

TIAN Miao1,WANG Gao1,LIU Zheng-guang2, WEI Yan-long1,FANG Wei3, GUI Zhi-guo1,CHENG Li-peng1

(1. School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China;2. School of Science, North University of China,Taiyuan 030051, Shanxi, China;3.School of Instrument and Electronics, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China)

At present, the study of ultrasonic thermometry based on pulse-echo technology mainly focuses on the design of ultrasonic transducer and hardware circuit system, but the study of sensitive element at high temperature is less. In this paper, several appropriate sensor materials are evaluated, through the analysis of the dispersion characteristics and reflection of ultrasound in the rod. A 1 m long and 1 mm diameter of the thoriated tungsten rod with reflection groove is used as the sensor, and a preliminary experiment is carried out on an ultrasonic thermometry platform. The results show that the use of thoriated tungsten rod as the sensor, can effectively measure the relationship between velocity and temperature at 12℃ to 1 600℃, and the error of ultrasound measured at high temperature compared with the reference value is not more than 0.68%.

ultrasonic thermometry; thoriated tungsten; temperature; acoustic velocity

TH811

A

1000-3630(2017)-01-0027-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.01.006

2016-04-19;

2016-06-02

國(guó)家安全重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(6132******)資助。

田苗(1991－), 男, 山西忻州人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)槌暅y(cè)溫技術(shù)。

田苗, E-mail: 397920239@qq.com