燃燒室內(nèi)壁瞬態(tài)溫度場的超聲波非侵入式測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及瞬態(tài)溫度場的檢測領(lǐng)域，具體而言涉及一種燃燒室內(nèi)壁瞬態(tài)溫度場的 超聲波非侵入式測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高溫高壓封閉空間內(nèi)的燃燒、爆炸和等離子體放電等現(xiàn)象始終是國防科技相關(guān)研 究的熱點問題之一。通過直接測試獲取送些發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)的高壓容器內(nèi)部瞬態(tài)溫度場 變化規(guī)律，對促進相關(guān)現(xiàn)象的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究具有重要理論意義和實用價值。例如火 炮藥室、火箭發(fā)動機燃燒室、電磁軌道炮導(dǎo)軌和巧克馬克等裝置的瞬態(tài)熱力學(xué)過程，或內(nèi)燃 機、航空發(fā)動機和核反應(yīng)堆的工作狀態(tài)，在容器的內(nèi)部或者內(nèi)壁面上存在著條件極為苛刻 的光學(xué)不可視瞬態(tài)溫度場，傳統(tǒng)的接觸式和非接觸式測量方法往往不能滿足要求。接觸式 測溫法將溫度敏感探頭直接接觸被測對象，一方面溫度探頭的置入會不可避免地對被測溫 度場造成干擾，另一方面溫度探頭的時間響應(yīng)特性也影響瞬態(tài)溫度場的測量結(jié)果。例如，目 前火炮內(nèi)膛溫度測試所采用的盲孔法，利用熱電偶測量距離身管內(nèi)壁面一定距離上盲孔底 部的溫度來推算內(nèi)壁面的溫度，由于盲孔破壞了原有溫度場結(jié)構(gòu)，W及熱電偶的熱慣性的 影響，其測試結(jié)果往往不能真實反映燃燒室內(nèi)壁面的溫度。非接觸式測溫法主要包括各種 光學(xué)測溫法，通過分析被測對象的光譜福射特性來確定對象的溫度，送種方法在實驗室和 工程上都得到了應(yīng)用，由于光學(xué)測溫法要求被測對象必須是光學(xué)可視的，因此對于前述光 學(xué)不可視裝置內(nèi)部溫度場的測試無能為力。
[0003] 利用超聲波在不同聲阻抗材料中傳播特性不同的特點，超聲波檢測技術(shù)在機械電 子工程中的無損探傷、食品和醫(yī)學(xué)工程上的溫度檢測W及新型功能材料的物理特性的測試 中具有廣泛的應(yīng)用。眾所周知，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度取決于材料的彈性模量，而大多 數(shù)材料的彈性模量是溫度的函數(shù)，因此當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時，其速度可W表示成溫度 的函數(shù)。脈沖超聲波穿越時差（Time-of-fli曲t)測溫法就是通過測量脈沖超聲波穿越某 種材料的時間差來完成對象溫度的測量：在已知超聲波發(fā)射和接收所經(jīng)歷的路徑長度、材 料的溫度和彈性模量之間關(guān)系的條件下，就可W利用測量得到的時間差計算出超聲波路徑 上材料溫度的平均值?；谒头N原理，國內(nèi)外已經(jīng)研究開發(fā)出各種利用超聲波測量氣體、 液體或固體的平均溫度的儀器設(shè)備，并在工業(yè)生產(chǎn)和國民生活中得到應(yīng)用。超聲波測溫大 多數(shù)的應(yīng)用是醫(yī)學(xué)工程上的人體內(nèi)部溫度非侵入式測量，要求定位精確，溫度分辨率和測 溫精度高，但是送類研究通常W穩(wěn)態(tài)溫度場為研究對象，對超聲波的頻率、數(shù)據(jù)采集和處理 速率要求較低，并且測溫范圍較小。孟立凡等根據(jù)氣體的溫度與聲波在氣體中傳播速度之 間的關(guān)系，初步設(shè)計了用于測量高溫氣體瞬態(tài)溫度場的超聲波傳感器，其測溫范圍可達(dá)到 220(TC，可用于火炸藥燃燒、爆炸火焰、發(fā)動機燃?xì)獾葴囟葓龅乃矐B(tài)測試，但是，有關(guān)實驗研 究結(jié)果和應(yīng)用情況未見后續(xù)報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提供一種燃燒室內(nèi)壁瞬態(tài)溫度場的超聲波非侵入式測量方法。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的目的，一種燃燒室內(nèi)壁瞬態(tài)溫度場的超聲波非侵入式測量方法的實 現(xiàn)包括W下步驟：
[0006] 步驟1、檢測燃燒室外壁非加熱端的溫度；
[0007] 步驟2、利用超聲探頭采集非加熱端在其另一端受到加熱情況下的超聲波時延波 形；
[0008] 步驟3、根據(jù)超聲波傳播速率與步驟1測得的外壁溫度間函數(shù)關(guān)系，推算燃燒室壁 面的溫度；W及
[0009] 步驟4、重復(fù)上述步驟1-3 W實現(xiàn)檢測燃燒室內(nèi)壁面溫度場的變化。
[0010] 進一步的實施例中，前述方法中，更包含：
[0011] 通過一溫度測試儀測量被測對象的溫度。
[0012] 進一步的實施例中，前述方法中，前述超聲探頭采用2. 5MHz W及5MHz高頻脈沖單 晶直探頭，并通過一超聲波脈沖發(fā)生器為超聲探頭提供激勵信號，然后通過示波器記錄超 聲波脈沖及回波信號。
[0013] 進一步的實施例中，前述方法中，更包含：
[0014] 根據(jù)超聲波時延波形計算出超聲波的傳播速率，結(jié)合步驟1采集的回波信號，利 用計算機計算得到該時刻下時延波形對應(yīng)超聲波的傳播速率。
[0015] 由W上本發(fā)明的技術(shù)方案可知，本發(fā)明所提出的燃燒室內(nèi)壁瞬態(tài)溫度場的超聲波 非侵入式測量方法，在燃燒室外壁安裝超聲波發(fā)射和接收傳感器（超聲探頭），設(shè)計合理的 高頻脈沖發(fā)生器和換能器及相應(yīng)的信號檢測裝置，通過對測量超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的縱波入 射到內(nèi)壁面后反射到超聲波接收器的時間差，結(jié)合容器壁面的瞬態(tài)傳熱過程的數(shù)值計算得 到燃燒室壁內(nèi)的溫度變化規(guī)律。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明較優(yōu)實施例的燃燒室內(nèi)壁瞬態(tài)溫度場的超聲波非侵入式測量方法 的流程圖。
[0017] 圖2為溫度和超聲檢測的原理示意圖。
[0018] 圖3為穩(wěn)態(tài)工況下實驗示意圖。
[0019] 圖4為非穩(wěn)態(tài)工況下實驗示意圖。
[0020] 圖5為13. 5°C下鉛合金超聲波回波波形延時曲線。
[0021] 圖6為穩(wěn)態(tài)條件下合金鉛溫度與超聲聲速關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0022] 為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明如下。
[0023] 本發(fā)明所提出的燃燒室內(nèi)壁（例如火炸藥燃燒、爆炸為背景的高壓容器壁面）瞬 態(tài)溫度場的超聲波非侵入式測量方法，由超聲波在介質(zhì)中的傳播特性可知，當(dāng)超聲波縱波 從聲阻抗特性大的介質(zhì)（鋼、合金材料等）傳播到聲阻抗特性小的介質(zhì)（空氣、燃?xì)猓r， 其聲強反射系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于透射系數(shù)。因此在燃燒室外壁安裝超聲波發(fā)射和接收傳感器，設(shè) 計合理的高頻脈沖發(fā)生器和換能器及相應(yīng)的信號檢測裝置，通過對測量超聲波發(fā)生器產(chǎn)生 的縱波入射到內(nèi)壁面后反射到超聲波接收器的時間差，結(jié)合容器壁面的瞬態(tài)傳熱過程的數(shù) 值計算得到燃燒室壁內(nèi)的溫度變化規(guī)律。
[0024] 如圖1所示的燃燒室內(nèi)壁瞬態(tài)溫度場的超聲波非侵入式測量方法的實現(xiàn)流程，一 種燃燒室內(nèi)壁瞬態(tài)溫度場的超聲波非侵入式測量方法的實現(xiàn)包括W下步驟：
[00巧]步驟1、檢測燃燒室外壁非加熱端的溫度；
[0026] 步驟2、利用超聲探頭采集非加熱端在其另一端受到加熱情況下的超聲波時延波 形；
[0027] 步驟3、根據(jù)超聲波傳播速率與步驟1測得的外壁溫度間函數(shù)關(guān)系，推算燃燒室壁 面的溫度；W及
[0028] 步驟4、重復(fù)上述步驟1-3 W實現(xiàn)檢測燃燒室內(nèi)壁面溫度場的變化。
[002引如圖2所示為溫度和超聲檢測的原理示意，其中，超聲探頭采用2. 5MHz W及5MHz 高頻脈沖單晶直探頭，并通過一超聲波脈沖發(fā)生器（例如CTS-8077PR)為超聲探頭提供激 勵信號，然后通過示波器（例如數(shù)字示波器GDS-2102)記錄超聲波脈沖及回波信號。
[0030] 如圖2所示，前述方法中，更包含：
[0031] 通過一溫度測試儀（即熱電偶溫度監(jiān)視器）測量被測對象的溫度。
[0032] 前述方法中，在步驟3中，更包含：
[0033] 根據(jù)超聲波時延波形計算出超聲波的傳播速率，結(jié)合步驟1采集的回波信號，利 用計算機計算得到該時刻下時延波形對應(yīng)超聲波的傳播速率。
[0034] 如圖3、4所示，為兩個階段，兩種狀況下的試驗示意圖。
[00對一、兩個階段：
[0036] (1)穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)工況下測定波速
[0037] 實驗開始，通過監(jiān)視試件兩端溫度，記錄時間點，并采集初始超聲波檢測初始回波 圖，實驗如圖3所示。對整段采樣試件進行均勻加熱，為保證受熱均勻，實驗采用電熱帶纏 繞或水浴加熱整段采樣試件進行模擬，當(dāng)溫度通過測試儀反應(yīng)到顯示屏上時，記錄該溫度 對應(yīng)時刻的波形傳播圖。
[0038] 為了方便取樣，保證實驗數(shù)據(jù)充足可用，每隔1(TC進行一次波形采集，直至實驗可 用最高溫度。
[0039] (2)非穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)工況下測定波速
[0040] 對比穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)工況，非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)下，將采樣試件置于固定臺上，兩端分別WA、 B來區(qū)分，如