一种基于低频声波的空气温度测量装置及方法

摘要

本发明公开了属于空气温度测量技术范围的一种基于低频声波的空气温度测量装置及方法。所述温度测量装置具有由扬声器、一对传声器、湿度计和固定装置组成的传感器模块；传声器接收扬声器发出的低频声波，经过数据采集模块、互相关分析模块计算出声波传播时间；然后经校准模块、声速计算模块准确计算出声速，最后空气温度计算模块根据空气中声速和温度的关系结合声速计算模块求得的声速、湿度计测量的湿度和气压计提供的大气压值准确计算出空气温度，本发明相比于现有的接触式温度测量，可以非侵入式的测量环境温度，所提供的空气温度测量装置结构简单、成本低廉、易于安装和维护，适用于空气温度的快速、准确、非接触式测量，具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于环境温度测量技术领域，特别涉及一种基于低频声波的空气温度测量装置及方法。

背景技术

环境温度是工业过程中的一个重要测量参数，很多工业过程需要对空气温度进行严格监控，以保障生产顺利进行，保证产品质量。例如，仓库内的空气温度测量可以帮助保证产品储存质量、发现潜在的热源；温室内的空气温度信息可以帮助控制温室内环境稳定，促进植物生长，减少能源消耗；建筑室内的空气温度信息可以帮助设计建筑内气流组织、空调和采暖，有效节约能源，提高生活质量。

目前空气温度的测量主要通过接触式测量仪表和非接触式仪表实现。接触式测温仪表如热电偶、热电阻等只能提供点测温结果并且需要与被测介质接触。非接触式测温仪表如红外测温仪等受物体表面发射率、测量距离、烟尘和水汽等外界因素的影响，测量误差较大。声波在空气中传播时，声波的速度主要由空气温度决定，通过测量空气中声波的速度可推断空气温度。本发明提出了一种基于低频声波的空气温度测量装置及方法，通过声源发出低频声波，然后对两个传声器接收到的声波信号进行分析处理得到声速信息，最后根据空气中声速和温度、湿度、大气压的物理关系获得空气温度信息。此方法是一种非侵入式的测温技术，可以快速、准确地测量空气温度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于低频声波的空气温度测量装置及方法，其特征在于：所述基于低频声波的空气温度测量装置的传感器模块1由扬声器2、上游传声器3、下游传声器4、湿度计5和固定装置6组成；固定装置6为倒п字形，扬声器2固定在п字形左边，上游传声器3、下游传声器4和湿度计5依次间隔固定在固定装置6的底板上，声源信号生成模块7、功率放大器8和扬声器2串联；上游传声器3、下游传声器4分别连接数据采集模块9，数据采集模块9、互相关分析模块10、声速计算模块12和空气温度计算模块14串联；空气温度计算模块14再分别连接湿度计5与气压计13；校准模块11分别连接互相关分析模块10和声速计算模块12；空气温度计算模块14输出温度信号。

所述扬声器2的中心和上游传声器3、下游传声器4的感应元件处于同一高度，扬声器2、上游传声器3、下游传声器4和湿度计5位于同一直线上。

所述基于低频声波的空气温度测量装置的空气温度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)首先传感器模块根据上游传声器3、下游传声器4间的距离对扬声器2的发射功率进行设定，以保证下游传声器4接收的声波没有完全衰减，并且具有高的信噪比；

2)声源信号生成模块7，生成0.1秒的200-1500Hz线性扫频信号，经过功率放大器8驱动扬声器2以发出低频声波；

3)传声器接收扬声器发出的低频声波，经过数据采集模块、互相关分析模块计算出声波传播时间；

4)将传感器模块置于恒温室中，测得不同温度下的声波传播时间，由校准模块计算出等效声波路径长度和系统时延；

5)经校准模块、声速计算模块准确计算出声速；

6)最后空气温度计算模块根据空气中声速和温度的关系，结合声速计算模块求得的声速、湿度计测量的湿度和气压计提供的大气压值准确计算出空气温度。

所述数据采集模块对两路声信号进行高速同步采集，采样频率大于1Msps，保证温度引起的微小的声波传播时间变化能够检测出。

所述互相关分析模块只使用传声器采集的声信号的直达声部分，避免声波反射引起的声波传播时间计算误差。

所述步骤5)中声速计算模块准确计算出声速需要校准模块提供两个传声器间的等效声波路径长度和系统时延，如果传声器位置发生变化或者测量地点发生变化，系统需要重新校准。

所述空气温度计算模块根据测得的声速计算温度时，需要输入湿度计同步测量的湿度信息以及气压计提供的实时大气压值。

声源信号生成模块7，生成0.1秒的200-1500Hz线性扫频信号，经过功率放大器8驱动扬声器2以发出低频声波；上游传声器3和下游传声器4采集空气中的声波并由数据采集模块9同步采集转化为数字信号，使用互相关分析模块10对两路传声器接收的声信号的直达声部分进行互相关运算，测得声波在上游传声器3和下游传声器4间的传播时间t；将传感器模块1置于恒温室中并测得不同空气温度下的声波传播时间，经过校准模块11得到实际声波路径长度L和系统时延τ；声速计算模块12根据互相关分析模块10计算的声波传播时间t、校准模块11提供的实际声波路径长度L和系统时间τ可准确得到空气中声速c；空气温度计算模块14根据声速c、湿度计5同步测量的空气湿度信息以及气压计提供的大气压值来计算出空气温度T

所述基于低频声波的空气温度测量方法是根据空气中声速c和空气温度T的物理关系：

其中，γ为比热比，Z为压缩性因子，R为通用气体常数，M_a为干空气摩尔质量，M_w为水蒸汽摩尔质量，x_w为水蒸汽摩尔分数，R_H为相对湿度，f为水蒸汽强化因子，p_sv为饱和蒸汽压，p为大气压；当空气温度T升高时，声速c增加，两个传声器间的声波传播时间降低，反之声波传播时间升高；实际声波路径长度L和系统时间τ可准确得到空气中声速c；

空气温度计算模块14根据式(3)声速c、湿度计5同步测量的空气湿度信息以及气压计提供的大气压值，以式(1)(2)来计算出空气温度T。

本发明的有益效果是：本发明通过扬声器发出低频扫频声波，对两个传声器接收的声波进行互相关测得声波传播时间，通过校准获得实际声波路径长度和系统时间进而提高声速测量精度。将测量的声速、湿度计同步测量的空气湿度以及大气压信息提供给空气温度计算模块，即可计算出空气温度T。

所提供的空气温度测量装置结构简单、成本低廉、易于安装和维护，适用于空气温度的快速、准确、非接触式测量，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为基于低频声波的空气温度测量装置原理结构示意图。

图中：1.传感器模块；2.扬声器；3.上游传声器；4.下游传声器；5.湿度计；6.固定装置；7.声源信号生成模块；8.功率放大器；9.数据采集模块；10.互相关分析模块；11.校准模块；12.声速计算模块；13.气压计；14.空气温度计算模块。

具体实施方式

本发明提供一种基于低频声波的空气温度测量装置及方法。下面结合附图和实施例对本发明予以说明。

图1所示为基于低频声波的空气温度测量装置原理结构示意图。图中所示的基于低频声波的空气温度测量装置，其传感器模块1由扬声器2、上游传声器3、下游传声器4、湿度计5和固定装置6组成；固定装置6为倒п字形，扬声器2固定在п字形左边，上游传声器3、下游传声器4和湿度计5依次间隔固定在固定装置6的底板上，声源信号生成模块7、功率放大器8和扬声器2串联；上游传声器3、下游传声器4分别连接数据采集模块9，数据采集模块9、互相关分析模块10、声速计算模块12和空气温度计算模块14串联；空气温度计算模块14再分别连接湿度计5与气压计13；校准模块11分别连接互相关分析模块10和声速计算模块12；空气温度计算模块14输出温度信号。其中扬声器2的中心和上游传声器3、下游传声器4的感应元件处于同一高度，扬声器2、上游传声器3、下游传声器4和湿度计5位于同一直线上。

传感器模块1放置在测温环境中，声源信号生成模块7生成0.1秒的200-1500Hz线性扫频信号，经过功率放大器8驱动扬声器2以发出低频声波；其扬声器2的发射功率根据上游传声器3、下游传声器4间的距离进行设定，以保证下游传声器4接收的声波没有完全衰减并且具有较高的信噪比。

上游传声器3和下游传声器4采集空气中的声波并由数据采集模块9同步采集转化为数字信号，使用互相关分析模块10对两路传声器接收的声信号的直达声部分进行互相关运算，测得声波在上游传声器3和下游传声器4间的传播时间t；将传感器模块1置于恒温室中并测得不同空气温度下的声波传播时间，经过校准模块11得到实际声波路径长度L和系统时延τ；声速计算模块12根据互相关分析模块10计算的声波传播时间t、校准模块11提供的实际声波路径长度L和系统时间τ可准确得到空气中声速c；空气温度计算模块14根据声速c、湿度计5同步测量的空气湿度信息以及气压计提供的大气压值来计算出空气温度T。

数据采集模块9的采样频率大于1Msps。声速计算模块12需要校准模块11提供上游传声器3、下游传声器4间的等效声波路径长度L和系统时间τ，如果上游传声器3、下游传声器4位置发生变化或者测量地点发生变化，系统需要重新校准。

本发明基于低频声波的空气温度测量方法是根据空气中声速c和空气温度T的物理关系：

其中，γ为比热比，Z为压缩性因子，R为通用气体常数，M_a为干空气摩尔质量，M_w为水蒸汽摩尔质量，x_w为水蒸汽摩尔分数，R_H为相对湿度，f为水蒸汽强化因子，p_sv为饱和蒸汽压，p为大气压。

当空气温度T升高时，声速c增加，上游传声器3、下游传声器4间的声波传播时间t降低，反之声波传播时间t升高。本发明通过扬声器2发出低频扫频声波，对上游传声器3、下游传声器4接收的声波进行互相关测得声波传播时间t，通过校准获得实际声波路径长度L和系统时间τ，声速c可计算为：

利用声速c、湿度计5同步测量的空气湿度信息R_H以及气压计提供的大气压值p可根据式(1)、(2)计算出空气温度T。