两类声速测温方法的研究与比较

1　引　言

    气体介质中的温度检测具有十分重要的经济意义和社会价值,已经成为工业生产和科学研究的重要组成部分。与传统的温度测量方法相比,声学测温方法具有快速、精确、测量范围更宽等特点,在工业生产、科学研究中能够满足温度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。在声学测温的各种方法中,基于声波传播时间(Acoustic travel time)的声速测温方法又是一种比较好的、应用更广泛的方法。

    基于声波传播时间的温度测量方法的基本原理是依据声波传播速度与介质温度的单值函数关系[1]。即:c=(γRT/M)1/2。式中,c为声波在气体介质中的传播速度;γ为比热比;R为气体常数；T为气体的绝对温度;M为气体分子量。

    声速测温方法可以分为两大类:一类是声波直接在被测介质中传播,测出声波速度即可知道被测介质的温度,即直接传播测量方法;另一类是间接传播测量,即声波在放入被测介质中的另外一种材料中传播,这种材料必须与被测介质达到热平衡,各种超声温度计就是基于这种测温方法。

    本文将对气体介质中声速测温的这两类方法的原理与应用进行分析比较,并对其性能进行评价。

2　声速测温的间接传播测量方法

2.1　工作原理及系统组成

    在这类方法中,声波要在放入被测介质中的另外一种材料中传播,这种材料是一种敏感材料,可以是另外一种气体,也可以是石英晶体或者金属丝等。使用这种方法,可以获得某点处的温度值。

    一种以另一种气体介质为敏感材料的声学测温装置的原理图如图1所示[2]。以气体介质作为敏感材料时,将其装进一个导热良好的薄壁管中,该气体能很快地与被测气体达到热平衡。在管的一端安装一只扬声器,另一端装一只接收器,测出声脉冲在管中的传播速度,便可求出被测气体介质的温度。在这种方法中,为使测量误差尽可能小,应采用分子量大的稀有气体作为测量气体,目前多选用氩。

    另一种常见的是用金属丝作敏感元件,主要由传感器、缓冲器、敏感元件和电子设备等四部分组成[3]。美国新墨西哥州阿尔布开克市的圣迪亚国立实验室就研制的一种由焊接敷钍钨导线的磁限制铁钴元件组成的超声波温度计,就是这样的一种温度计[4]。

2.2　声速测温的间接传播测量方法的应用及其存在的主要问题

    声速测温的间接传播测量方法可以用来测量气温、熔化温度乃至火箭发动机中的气体温度等,测量精度高、响应迅速、测量温度范围大,具有一定的实用价值。根据测试介质、环境条件以及测温范围的不同,目前已开发出多种声学温度计,如用于测量高温的超声气温计,测量低温的电声气体温度计,以及石英温度计等。