[發(fā)明專利]一種基于低頻聲波的空氣溫度測量裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710971935.8
• 申請日: 2017-10-18
• 公開（公告）號: CN107917768B
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭淼;閆勇;盧鋼;胡永輝
• 申請（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)
• 主分類號: G01K11/24
• 分類號: G01K11/24
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

1.一種基于低頻聲波的空氣溫度測量裝置的空氣溫度測量方法，所述基于低頻聲波的空氣溫度測量裝置的傳感器模塊(1)由揚(yáng)聲器(2)、上游傳聲器(3)、下游傳聲器(4)、濕度計(5)和固定裝置(6)組成；其中，固定裝置(6)為倒п字形，揚(yáng)聲器(2)固定在倒п字形左邊，上游傳聲器(3)、下游傳聲器(4)和濕度計(5)依次間隔固定在固定裝置(6)的底板上，聲源信號生成模塊(7)、功率放大器(8)和揚(yáng)聲器(2)串聯(lián)；上游傳聲器(3)、下游傳聲器(4)分別連接數(shù)據(jù)采集模塊(9)，數(shù)據(jù)采集模塊(9)、互相關(guān)分析模塊(10)、聲速計算模塊(12)和空氣溫度計算模塊(14)串聯(lián)；空氣溫度計算模塊(14)再分別連接濕度計(5)與氣壓計(13)；校準(zhǔn)模塊(11)分別連接互相關(guān)分析模塊(10)和聲速計算模塊(12)；空氣溫度計算模塊(14)輸出溫度信號；所述揚(yáng)聲器(2)的中心和上游傳聲器(3)、下游傳聲器(4)的感應(yīng)元件處于同一高度，揚(yáng)聲器(2)、上游傳聲器(3)、下游傳聲器(4)和濕度計(5)位于同一直線上；所述空氣溫度測量包括如下步驟：

1)首先傳感器模塊根據(jù)上游傳聲器(3)、下游傳聲器(4)間的距離對揚(yáng)聲器(2)的發(fā)射功率進(jìn)行設(shè)定，以保證下游傳聲器(4)接收的聲波沒有完全衰減，并且具有高的信噪比；

2)聲源信號生成模塊(7)，生成0.1秒的200-1500Hz線性掃頻信號，經(jīng)過功率放大器(8)驅(qū)動揚(yáng)聲器(2)以發(fā)出低頻聲波；

3)傳聲器接收揚(yáng)聲器發(fā)出的低頻聲波，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊、互相關(guān)分析模塊計算出聲波傳播時間；

4)將傳感器模塊置于恒溫室中，測得不同溫度下的聲波傳播時間，由校準(zhǔn)模塊計算出等效聲波路徑長度和系統(tǒng)時延；

5)經(jīng)校準(zhǔn)模塊、聲速計算模塊準(zhǔn)確計算出聲速；

6)最后空氣溫度計算模塊根據(jù)空氣中聲速和溫度的關(guān)系，結(jié)合聲速計算模塊求得的聲速、濕度計測量的濕度和氣壓計提供的大氣壓值準(zhǔn)確計算出空氣溫度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于低頻聲波的空氣溫度測量裝置的空氣溫度測量方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集模塊對兩路聲信號進(jìn)行高速同步采集，采樣頻率大于1Msps，保證溫度引起的微小的聲波傳播時間變化能夠檢測出。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于低頻聲波的空氣溫度測量裝置的空氣溫度測量方法，其特征在于，所述互相關(guān)分析模塊只使用傳聲器采集的聲信號的直達(dá)聲部分，避免聲波反射引起的聲波傳播時間計算誤差。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于低頻聲波的空氣溫度測量裝置的空氣溫度測量方法，其特征在于，所述步驟5)中聲速計算模塊準(zhǔn)確計算出聲速需要校準(zhǔn)模塊提供兩個傳聲器間的等效聲波路徑長度和系統(tǒng)時延，如果傳聲器位置發(fā)生變化或者測量地點(diǎn)發(fā)生變化，系統(tǒng)需要重新校準(zhǔn)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于低頻聲波的空氣溫度測量裝置的空氣溫度測量方法，其特征在于，所述空氣溫度計算模塊根據(jù)測得的聲速計算溫度時，需要輸入濕度計同步測量的濕度信息以及氣壓計提供的實(shí)時大氣壓值。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于低頻聲波的空氣溫度測量裝置的空氣溫度測量方法，其特征在于，聲源信號生成模塊(7)，生成0.1秒的200-1500Hz線性掃頻信號，經(jīng)過功率放大器(8)驅(qū)動揚(yáng)聲器(2)以發(fā)出低頻聲波；上游傳聲器(3)和下游傳聲器(4)采集空氣中的聲波并由數(shù)據(jù)采集模塊(9)同步采集轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，使用互相關(guān)分析模塊(10)對兩路傳聲器接收的聲信號的直達(dá)聲部分進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，測得聲波在上游傳聲器(3)和下游傳聲器(4)間的傳播時間t；將傳感器模塊(1)置于恒溫室中并測得不同空氣溫度下的聲波傳播時間，經(jīng)過校準(zhǔn)模塊(11)得到實(shí)際聲波路徑長度L和系統(tǒng)時延τ；聲速計算模塊(12)根據(jù)互相關(guān)分析模塊(10)計算的聲波傳播時間t、校準(zhǔn)模塊(11)提供的實(shí)際聲波路徑長度L和系統(tǒng)時間τ可準(zhǔn)確得到空氣中聲速c；空氣溫度計算模塊(14)根據(jù)聲速c、濕度計(5)同步測量的空氣濕度信息以及氣壓計提供的大氣壓值來計算出空氣溫度T。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于低頻聲波的空氣溫度測量裝置的空氣溫度測量方法，其特征在于，所述基于低頻聲波的空氣溫度測量方法是根據(jù)空氣中聲速c和空氣溫度T的物理關(guān)系：

其中，γ為比熱比，Z為壓縮性因子，R為通用氣體常數(shù)，M_a為干空氣摩爾質(zhì)量，M_w為水蒸汽摩爾質(zhì)量，x_w為水蒸汽摩爾分?jǐn)?shù)，R_H為相對濕度，f為水蒸汽強(qiáng)化因子，p_sv為飽和蒸汽壓，p為大氣壓；當(dāng)空氣溫度T升高時，聲速c增加，兩個傳聲器間的聲波傳播時間降低，反之聲波傳播時間升高；實(shí)際聲波路徑長度L和系統(tǒng)時間τ可準(zhǔn)確得到空氣中聲速c；

空氣溫度計算模塊(14)根據(jù)式(3)聲速c、濕度計(5)同步測量的空氣濕度信息以及氣壓計提供的大氣壓值，以式(1)(2)來計算出空氣溫度T。