基于超声测温原理的温度分布传感器设计

杜玫玫

（晋中市综合检验检测中心 山西晋中 030600）

1 前言

火焰温度及其分布的定性或定量测定对观察和理解燃烧过程、燃烧流场和燃烧产物的固有特性及建立合理的燃烧模型具有重要的指导作用[1-4]。随着测温技术的发展，超声测温技术显示出其他测试技术无法比拟的优势，尤其可以适应恶劣的测试环境。

火焰温度是燃烧过程中重要的热力学参数之一，特别对于各种战略武器发射平台的设计，发动机燃气流的火焰温度将直接影响设计指标和实现设计指标的途径。火箭发动机喷管的温度对喉衬材料的选择和比冲量的增加具有重要意义[5]。在高能推进剂发射系统中，发射平台的高温烧蚀将比介质推进剂系统更为突出。在各种导弹武器的矢量控制技术中，应考虑火箭羽流温度对各部件的影响。火箭和导弹在大气中飞行会产生1 500℃以上的表面高温，局部区域甚至达到2 600℃，由于需进行长时间的高马赫数飞行，其热防护系统极端重要。传统的分层温度测量方式可为理论外推提供关键源头参数，但目前使用的钨铼热电偶具有热偶材料氧化和结构热退化问题，难以进行长时间连续的实时监控。因此，目前仍缺乏长时间连续超高温的直接测量技术，急需可以在高于1 500℃的超高环境中进行直接实时温度测试的技术手段。

超声波测温是通过测量介质在一定温度下的声速来获得介质温度的一种方法。1992 年，美国S.C.威尔金斯使用单晶钨作超声温度计，可以测量高达3 000℃的温度。D.W Varela 使用超声温度计提高了工业及实验室加热炉温度的准确性，其测量范围可从室温达到3 000℃。21 世纪初，美国SEI 公司将研制的Biolerwatch 系列声学温度计用于测量大型火力发电厂中锅炉内部温度场的分布情况[6]，测量范围 300℃～2 700℃，1 200℃以上的误差不大于 2℃，超声温度计已经从实验室逐步走入产品化阶段。中国对其研究较少，从整体上看，它的温度测量水平不高，因此，研究超声波测温是非常必要的，其具有测温范围广、精确度高、稳定性好、抗干扰性能优越、能进行连续测量等优点。随着测温技术的发展，超声测温技术显示出其他测试技术无法比拟的优势，完全可以满足各种恶劣的测试环境的测试要求，有望应用于军事领域中侵入式高温测试中。基于此，本文设计了一种双节距的超声波传感器，并进行相关试验，证明该方案的可行性，为后续设计多节距的分布式传感器提供基础。

2 试验部分

2.1 仪器原理

在固体杆中超声波的传播速度详见式（1）：

其中，E—弹性模量；ρ—材料的密度。

它们都与温度T 有着确定的关系式。例如，蓝宝石材料的杨氏模量E 与密度ρ 随温度的变化为：

根据式（2），声波传播的速度可写为：

超声波在特定不变的介质中的传播速度只与温度高低有关，试验中常用固体作为介质标定超声波速度与温度的关系。超声波沿着固体杆传播的温度与时间关系详见式（4）：

实验原理：脉冲发生器可以发射和回收电信号，发射的电信号通过压电换能器转换为超声波信号，超声波沿着被测导杆传播遇到导杆上所刻凹槽会发生反射现象产生反射波，反射波通过压电换能器再转换为电信号被压电换能器接收并传入信号采集器完成整个过程。最初，脉冲收发器发射出一个电脉冲信号，沿着敏感元件传播，并在敏感元件的凹槽间产生反射。压电换能器再起到反向转换的作用，也就是将超声信号重新转化为电信号。

在整个过程中，超声波的速度按式（5）计算：

其中，v（T）—超声波的速度；ΔL—2 个凹槽的间距；Δt—2 个反射信号的时间差。

最后再根据公式（3）敏感元件中材料的声速与温度对应关系，计算得到高温区温度的确切数值，并在不断升温中记录多组数值从而达到标定的效果。设计超声测温传感器的基本结构详见图1。

图1 超声测温传感器结构

2.2 传感器设计

蓝宝石的熔点为2 050℃，热传导性较好，且耐磨、抗风蚀，在超高温测温的情况下，蓝宝石的测温范围相对于熔点低的材料更具有优势，具有0℃～2 050℃的宽泛测温范围，且在高温状态下的温度校准曲线较稳定，因此，常被作为敏感元件。

结合目前的制造工艺，选择直径较小的敏感元件的比较合适，这是由于小直径的敏感元件蓝宝石杆相对大直径的敏感元件蓝宝石杆在高温炉中更容易达到热平衡，可以最大程度上降低仪器本身对实验的影响。因此，选择蓝宝石杆的直径为1 mm。

如何确定2 个凹槽之间的间距ΔL 及后一个凹槽与蓝宝石杆末端的长度使得超声波的反射信号变得更加明显，主要取决于凹槽间距ΔL 及超声波传播时间t 的关系，它们之间的关系详见式（6）：

其中，v（T）—超声波在蓝宝石杆中的传播速度；t1—压电换能器激励发出超声波信号的时间间隔。

当凹槽间距△L 满足公式（6）时，可以保证2 个反射信号的时间间隔大于超声波的发射时间间隔，从而使反射回来的超声波信号不会由于叠加而使波峰互相重叠，避免波峰重叠而导致数据分析出现问题。由使用的压电换能器种类，当凹槽间距△L 分别为25.4 mm 和28.4 mm 时，最适合超声波信号的透射与反射效果，且方便控制蓝宝石杆的总体长度，详见表1 和图2。

2.3 试验方法

选用蓝宝石作为敏感元件时测温范围可达0℃～2 050℃，但是由于实验室所用的高温炉自身的限制，最高加热温度只能达到1 600℃，不能达到蓝宝石的熔点，所以本试验所测温的范围是0℃～1 600℃，热电偶加热温度升高的速度约为100℃/5 min，所以，可以从0℃开始，以100℃为单位取得多组实验数据。

表1 敏感元件结构

测温实验系统总设计详见图3。主要由6 部分组成：计算机、100 MHz 的数据采集卡、脉冲收发仪、压电换能器、蓝宝石杆和一台可加热到1 600℃的高温炉。频散越小且频率越低的反射信号衰减幅度越小，但是当频率过低时，又会发生反射信号重叠的现象，导致过度的干扰，从而增大误差，因此，本试验选择晶振为500 kHz 的压电换能器。

图3 测温试验系统总设计

试验中，首先连接好试验装置，再将蓝宝石杆带有2 个凹槽的一端插入到高温炉中，打开高温炉，最初记录一个波形数据，然后每升高100℃时，利用计算机控制数据采集卡采集一次数据所有测试结果的数据统计，详见表2。

3 结果与讨论

试验过程中总体反射信号趋势较为稳定，即随着温度的升高，反射信号所需要的传播时间不断增加。表2 所测的数据中2 个区截的温度和传输时差的关系详见图4。

图4 2 个区截的温度和传输时差的关系

由图4 可知，2 个区截在相同的温度情况下都表现出很好的线性分布，满足测温的需求，后续试验需要测定2 个区截在不同温度时传感器所测值的准确性，以及当2 个区截温度不同时，一个区截的温度对另一个区截温度的影响。

4 结论

（1）本次测试采用的蓝宝石杆可以在常温至1 600℃的区间内正常工作。由于高温炉自身性能影响，试验中最高温只能达到1 600℃，并不能测量蓝宝石熔点的2 050℃，只能初步对超声波与温度的关系进行研究，并未进行深入试验以求设计的温度分布传感器可以生产并投入使用。

（2）本试验证明了双节距的超声波传感器测温方案的可行性，可为后续设计多节距的分布式传感器提供基础。

（3）本传感器后续试验还需要测定2 个区截在不同温度时传感器所测得的数值的准确性，以及当2个区截温度不同时，一个区截的温度对另一个区截温度的影响。只有这样，才可以进行火焰温度及其分布的定性或定量测定，便于观察和理解燃烧过程、燃烧流场和燃烧产物的固有特性。