Systemdesign und Fehlerabschätzung der radio–akustischen Temperaturmessung

Abstract

Zusammenfassung Berührungslose Temperatur- und Strömungsgeschwindigkeitsmessung ist von enormer Wichtigkeit, sowohl in der Klimaforschung aber auch bei industriellen Anwendungen. Dabei ist es für die Optimierung der Systeme entscheidend, die zu erwartenden Messfehler abschätzen zu können. In diesem Beitrag wird eine dieser Methoden basierend auf dem radio-akustischen Prinzip (RASS) umfassend untersucht. Messsysteme nach dieser Methode nützen die akustisch-elektromagnetische Wechselwirkung um aus der lokal ermittelten Schallgeschwindigkeit auf die vorherrschende Gastemperatur, aber gegebenenfalls auch auf eine lokale wirkende Komponente der Strömungsgeschwindigkeit in Messrichtung zu schließen. Um das Ziel zu erreichen, das Messsystem in seiner Gesamtheit zu analysieren, wird zunächst die sogenannte RASS-Gleichung sowie die notwendige Kollokation der Quellen diskutiert. Anhand des Ausdrucks der Empfangsleistung wird gezeigt, welche Faktoren maßgeblich das Systemverhalten beeinflussen. Eine entsprechende Abstimmung der Schall- bzw. Radar–Wellenlängen und eine perfekte Kollokation deren Quellen sind essentiell für eine ausreichend genaue Schätzung der von der Temperatur abhängigen Doppler-Frequenz. Anschließend wird, nach Wissen der Autoren erstmalig anhand der Cramér-Rao Schranke ein optimales Systemdesign abgeleitet. Dabei zeigt sich, dass sich die Varianz der Temperaturschätzung verkehrt proportional zur 4. Potenz der Anzahl der wechselwirkenden Schallzyklen verhält. Weiters wird demonstriert, dass die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit nicht unabhängig voneinander geschätzt werden können. Es wird in diesem Beitrag ein Aufbau präsentiert, der es erlaubt die Temperaturen mit einer Standardabweichung von etwa 0 , 2 ° C 0,2\hspace{0.1667em}^\circ \text{C} zu messen. Zur Demonstration wird eine Temperaturprofilmessung vorgestellt.

Early Detection of Coal Spontaneous Combustion by Complex Acoustic Waves in a Concealed Fire Source

“…The principle of acoustic temperature sensing mechanism is based on multipath time-of-flight (TOF) to solve the multidimensional temperature field distribution. Following the acquisition of the TOF and the discretization of the temperature field for each path, an algebraic equation representing the relationship between temperature and TOF in the discrete grid is established, transforming the temperature field reconstruction problem into a problem of solving a system of equations. , The propagation velocity of sound waves in a gas medium is a function of the gas temperature. Assuming that gas composition and content are known, the relationship between the propagation velocity of sound waves and the temperature is as follows: − v = γ R T m = Z T where v is the speed of acoustic wave propagation in m/s ; γ is the ratio of constant pressure specific heat capacity to constant volume specific heat capacity of the gas medium and is related to gas composition; R is the gas constant, which is 8.314 J / (mol·K); T is the thermodynamic temperature in K ; m is the molecular weight of the gas in kg/mol; and Z is derived as follows: Z = γ R m where Z is a constant Z of 20.03 for the given gas.…”

“…Following the acquisition of the TOF and the discretization of the temperature field for each path, an algebraic equation representing the relationship between temperature and TOF in the discrete grid is established, transforming the temperature field reconstruction problem into a problem of solving a system of equations. 61,62 The propagation velocity of sound waves in a gas medium is a function of the gas temperature. Assuming that gas composition and content are known, the relationship between the propagation velocity of sound waves and the temperature is as follows:…”