【摘要】：作為一種新型的加熱方式,微波加熱廣泛應用于冶金、化工等領域。相比于傳統(tǒng)加熱方式,微波加熱利用了微波穿透性強、高聚能的特性,使得微波在短時間內(nèi)穿透被加熱介質(zhì),在與其相互作用后直接產(chǎn)成體積熱,減少了加熱時間,同時具有節(jié)能和環(huán)保特性。但是在微波加熱過程中,受大功率微波作用,被加熱介質(zhì)的介電特性隨時間變化而變化,使得介質(zhì)所受外加交變電磁場分布不均勻,其內(nèi)部形成熱點;同時被加熱介質(zhì)溫度與其微波吸收能力呈正反饋,導致介質(zhì)溫度驟增,產(chǎn)生熱失控現(xiàn)象。熱點和熱失控一旦發(fā)生,極易引發(fā)火災、爆炸等安全事故,嚴重制約了微波加熱的高效和安全應用。因此,研究適用于微波工業(yè)電磁場環(huán)境下的溫度分布檢測技術成為微波加熱領域一項重要研究課題,而傳統(tǒng)溫度檢測技術難以應用于微波加熱環(huán)境中。本文在國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)課題三“基于負載特性的微波源實時智能控制理論與關鍵技術”的支撐下,圍繞微波加熱過程中被加熱介質(zhì)內(nèi)部溫度感知關鍵性問題展開研究,提出利用基于超聲波溫度檢測的溫度場重建算法重建被加熱介質(zhì)內(nèi)部溫度場,采用“單路徑溫度檢測-二維平面溫度場重建-三維空間溫度場重建”的研究思路,在仿真與實驗環(huán)境中驗證溫度場重建算法的有效性,以期為微波加熱過程中被加熱介質(zhì)溫度控制策略的制定,提供實時、準確的溫度感知信息,防止熱點、熱失控的發(fā)生,實現(xiàn)對微波源的安全控制。針對二維平面與三維空間溫度場重建問題,本文提出了兩種二維平面溫度場重建算法和一種三維空間溫度場重建算法;在溫度場重建實驗研究中,提出了一種超聲波飛行時間測量方法;本文研究內(nèi)容主要包括以下五個方面:(1)介紹了本文的研究背景及研究意義;綜述了溫度檢測技術、溫度場重建算法以及超聲波溫度檢測技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀;詳細推導了聲學類溫度檢測原理。(2)研究了最小二乘溫度場重建算法原理,該算法通過最小二乘法獲取待測區(qū)域有限個點的溫度值,然后通過對溫度值進行插值重建出待測區(qū)域溫度場,然而無法得到待測區(qū)域邊界處超聲波換能器所在位置的溫度信息。同時在對溫度值進行插值時插值范圍受限,故在重建結果中,待測區(qū)域邊界處的溫度信息丟失,無法反映整個待測區(qū)域的溫度分布特征。針對上述問題,提出了基于徑向基函數(shù)的二維平面溫度場重建算法,詳細闡述了溫度場重建算法流程。仿真結果表明,所提出的基于徑向基函數(shù)的溫度場重建算法解決了最小二乘溫度場重建算法重建結果中溫度信息缺失的問題,重建誤差較小,重建精度較高,提升了溫度場重建算法的重建性能。(3)分析了最小二乘法和徑向基函數(shù)的特點,結合最小二乘法和徑向基函數(shù)的優(yōu)勢,提出了改進的溫度場重建算法:融合最小二乘法和徑向基函數(shù)的二維平面溫度場重建算法。首先利用最小二乘法獲取待測區(qū)域每一個劃分子區(qū)域的中心點溫度值,然后將這些中心點溫度值作為未知溫度場函數(shù)的采樣點信息,通過徑向基函數(shù)對采樣點溫度值進行逼近,間接重建出了待測區(qū)域溫度場。對比最小二乘溫度場重建算法和基于徑向基函數(shù)的溫度場重建算法,仿真結果表明,所提出的溫度場重建算法既兼顧了徑向基函數(shù)在函數(shù)逼近方面的優(yōu)勢,又利用了最小二乘法的精確性特點,較為準確地重建出了了待測區(qū)域溫度場。對于邊界溫度分布情況的反映更為準確,重建誤差進一步減小,重建精度進一步改善,重建性能得到了進一步提高。(4)基于二維平面溫度場重建算法研究基礎,開展了三維空間溫度場重建研究工作,提出了一種直接三維溫度場重建算法:基于徑向基函數(shù)的三維空間溫度場重建算法。在仿真環(huán)境中構建四種不同復雜程度的三維空間溫度場模型,在方形腔體待測三維空間中通過重建算法對模型溫度場進行了重建。重建結果表明,所提出的重建算法能夠較為全面、準確的重建出待測三維空間溫度分布,重建性能優(yōu)良,有望為未來相關研究領域提供理論支撐。(5)在溫度場重建算法研究基礎上,進行了溫度場重建實驗研究,構建了基于信號發(fā)生器、分體式超聲波發(fā)射/接收換能器、信號調(diào)理電路、存儲模塊、上位機、多路選通模塊和PC機的超聲波溫度檢測系統(tǒng),提出了一種基于雙激勵與雙回波的超聲波飛行時間測量方法。在1m?1m的正方形待測區(qū)域周圍,安裝9個分體式超聲波換能器。當待測區(qū)域由熱源加熱時(模擬單熱源對稱加熱和單熱源偏斜加熱),結合基于徑向基函數(shù)的二維平面溫度場重建算法和所提出的超聲波飛行時間測量方法,重建出待測區(qū)域溫度分布。重建結果表明,所構建的超聲波溫度檢測系統(tǒng)能夠充分利用分體式超聲波發(fā)射/接收換能器的實用性,較為準確地重建出待測區(qū)域二維平面溫度場,間接反映了重建算法具有一定的可行性以及所提出的超聲波飛行時間測量方法的有效性。
【圖文】：

Industries、Electric Power Research Institute、Fossil Energy Research Corp、CentrElectricity Generating Board、Babcock and Wilcox Company，，印度的 NationResearch Council。美國Scientific Engineering Instruments Company生產(chǎn)的 BOILERWATCH MM系列聲波溫度測量系統(tǒng)(圖 1.6)，由 DPU 控制器、前置放大器、硬件處理器和成。該系統(tǒng)同時配置 8 個雙向聲波發(fā)射/接收傳感器，采集 2-16 個通道聲波信號最多形成24 條聲波飛行路徑。在所設定的運行控制周期中(系統(tǒng)管理程序設定)硬件處理器按一定順序開啟和關閉聲波發(fā)射/接收傳感器，前置放大器對聲波號進行放大后由 DPU 控制器采集信號并進行存儲、處理，最終獲得聲波飛行間。該溫度測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)爐膛平面溫度分布的重建(燃燒溫度場重建)，較有效地在線監(jiān)測不同工況下爐內(nèi)溫度分布及燃燒狀態(tài)，進而預防爐內(nèi)溫度場中燃燒峰值偏移造成的燃燒不均、燃燒效率降低、二次燃燒等事故，使火焰燃燒度得到控制、煤粉在爐內(nèi)得到充分燃燒、燃燒能量得到合理分配。國外應用數(shù)表明，將該系統(tǒng)應用于鍋爐運行工況中之后，鍋爐運行時間延長 36%，能耗約 1%-3%。

(b)圖 1.7 PyroMetrix 測溫系統(tǒng): (a) 聲波接收器; (b) 現(xiàn)場安裝Fig.1.7 PyroMetrix System: (a) Sound receiver; (b) Field installation.度場重建算法綜述場重建算法可以看作是多個超聲波換能器在特定區(qū)域或者環(huán)境的網(wǎng)絡，其內(nèi)部超聲波換能器進行 “相互交流”的過程，而超的載體。該網(wǎng)絡如同一個小型物聯(lián)網(wǎng)，使得超聲波換能器之間通橋梁，每個換能器之間不再相對獨立，而是變成了可以進行小二乘溫度場重建算法二乘法通過已知解集和微分運算尋求未知解集，使未知解集與平方和最小；其原理簡單、重建速度較快，在溫度場重建中具基礎，應用較為廣泛。其特點主要為：從多維、復雜的數(shù)據(jù)中關聯(lián)性，并將這種規(guī)律性以函數(shù)或者曲線形式表達出來。對于
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN015;TB559

【參考文獻】

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本文編號：2664339