一種簡易校驗(yàn)系統(tǒng)在氣固兩相流流速測量設(shè)備的應(yīng)用

陳立軍 楊以光 宮永立 任 娟 姜其峰

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

一種簡易校驗(yàn)系統(tǒng)在氣固兩相流流速測量設(shè)備的應(yīng)用

陳立軍 楊以光 宮永立 任 娟 姜其峰

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

針對氣固兩相流流速測量設(shè)備在開發(fā)和應(yīng)用時(shí)會出現(xiàn)各種問題的情況，利用電腦聲卡、Matlab軟件和研制的信號接入板設(shè)計(jì)了電廠風(fēng)粉兩相流流速校驗(yàn)系統(tǒng)，并在某電廠微波法測流量的實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行了應(yīng)用。結(jié)果表明：校驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、便捷、簡單可行，能夠滿足電廠風(fēng)粉兩相流流速校驗(yàn)和故障檢測要求。同時(shí)校驗(yàn)系統(tǒng)對氣固兩相流測量設(shè)備的檢測、維護(hù)、校驗(yàn)有廣泛的工程實(shí)用價(jià)值。

兩相流流速 校驗(yàn)系統(tǒng) 聲卡 Matlab

在工業(yè)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，越來越多的儀器設(shè)備需要進(jìn)行檢測校驗(yàn)，尤其在工業(yè)檢測技術(shù)方面。功能卓越、性能良好、準(zhǔn)確性高、簡單實(shí)用的采集校驗(yàn)系統(tǒng)會給技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品應(yīng)用及設(shè)備的檢修等帶來事半功倍的效果。電廠風(fēng)粉管道的煤粉流速一直是鍋爐有效燃燒的重要技術(shù)參數(shù)，目前對電廠風(fēng)粉管道參數(shù)測量的方法有很多種，如光脈動(dòng)法、超聲波法及微波法等，這些方法對于風(fēng)粉速度的測量大多采用互相關(guān)法進(jìn)行檢測。互相關(guān)法需要采集處理的信號實(shí)質(zhì)上是噪聲信號，這為開發(fā)應(yīng)用電廠風(fēng)粉兩相流流速校驗(yàn)系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)[1,2]。針對這一背景，筆者開發(fā)了電廠風(fēng)粉兩相流流速采集校驗(yàn)系統(tǒng)，并在某電廠的微波法一次風(fēng)管道風(fēng)粉速度濃度的檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)測試平臺進(jìn)行了應(yīng)用測試。

1 流速采集校驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到校驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)該具有經(jīng)濟(jì)、便捷及簡單可行等特點(diǎn)，系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)內(nèi)置獨(dú)立聲卡、Matlab軟件和研制的信號接入板共同構(gòu)成電廠風(fēng)粉兩相流流速校驗(yàn)系統(tǒng)。

1.1計(jì)算機(jī)聲卡

聲卡作為計(jì)算機(jī)多媒體的必備軟件被廣泛使用，其基本工作原理是在聲音處理軟件的控制下，采集來自話筒或音響設(shè)備的音頻信號，將模擬量的音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將信號處理、加工，壓縮后存儲[3]，其工作原理如圖1所示。聲卡由A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器及音頻信號處理模塊等組成。聲卡處理的音頻信號范圍在0.02～20kHz，最高可達(dá)22kHz，這是聲卡能應(yīng)用在互相關(guān)法流速測量校驗(yàn)的前提。

圖1 聲卡工作原理框圖

聲卡輸入接口根據(jù)使用功能的不同可分為MIC IN麥克風(fēng)輸入端口、LINE IN線性輸入接口、MIDI電子樂器及其他控制器端口。系統(tǒng)采用LINE IN線性輸入接口輸入，因?yàn)樾盘柌杉枰ㄟ^立體聲進(jìn)行兩路同步采集且LINE IN接口動(dòng)態(tài)性能良好。

聲卡的主要技術(shù)參數(shù)有采樣位數(shù)和采樣頻率，采樣位數(shù)反映了數(shù)字聲音信號對輸入聲音信號的準(zhǔn)確程度，有8、16、32位，本系統(tǒng)采用16位；采樣頻率有固定頻率級，常見的采樣頻率有44.1、48.0kHz，此外還有96kHz，本系統(tǒng)采用96kHz。

1.2Matlab軟件采集系統(tǒng)

Matlab是一款用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析和數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境。軟件提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集工具箱(Data Acquisition Toolbox)。數(shù)據(jù)采集工具箱使實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析和可視化操作更容易，并且Matlab數(shù)據(jù)采集箱接口對于多媒體聲卡等硬件內(nèi)部特性透明，因而通過調(diào)用Matlab命令和函數(shù)可對聲卡等兼容硬件進(jìn)行訪問和控制。被測量的數(shù)據(jù)不需經(jīng)過轉(zhuǎn)換可直接進(jìn)入Matlab進(jìn)行分析[4,5]。

數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)保存采用工具箱中的wavrecord(N,FS,CH,DTYPE)，其中N為采樣點(diǎn)數(shù)，由采樣頻率與采樣時(shí)間決定；FS為采樣頻率；CH為采樣通道數(shù)，系統(tǒng)采用立體聲道，因此其值為2；DTYPE為得到數(shù)字化的語音數(shù)據(jù)串位數(shù)，設(shè)置為double，即16位。

為了便于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，對數(shù)據(jù)采集進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。界面設(shè)計(jì)使計(jì)算可視化，將雜亂的數(shù)據(jù)通過圖形表示，便于數(shù)據(jù)分析。Matlab軟件的圖形用戶界面GUI(Graphical User Interface)功能可對采集界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。它的圖形命令格式簡單，方便設(shè)計(jì)和人機(jī)交互[6]。

1.3信號接入板

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是從實(shí)驗(yàn)設(shè)備接入聲卡的，因此在兩個(gè)裝置中間需要加入信號接入板。本系統(tǒng)的信號接入板由芯片LF442ACN、隔直電容和電源電壓濾波電路組成。加入LF442ACN的目的是保護(hù)現(xiàn)場檢測設(shè)備的信號不受來自聲卡方面的干擾。而隔直電容的目的是去除信號中直流成分的干擾。電源電壓濾波電路也是為了給芯片提供穩(wěn)定電壓從而避免造成對信號的干擾。接入板中還加入了精密可調(diào)電位器，目的是在傳輸線路中進(jìn)行阻抗匹配，減少信號在傳輸過程中的損失。

2 流速采集校驗(yàn)系統(tǒng)的測試

2.1測量結(jié)構(gòu)和原理

將筆者設(shè)計(jì)的流速采集校驗(yàn)系統(tǒng)在某電廠的微波檢測設(shè)備上進(jìn)行測試，在電廠現(xiàn)場搭建的微波測量實(shí)驗(yàn)臺如圖2所示。實(shí)驗(yàn)臺有4對微波探頭傳感器，它們采用微波法進(jìn)行測量，其中的A、B探頭用來測風(fēng)粉流速。數(shù)據(jù)采集時(shí)由微波激勵(lì)源發(fā)出微波信號，傳輸給探頭A，在煤粉管道中信號由探頭A發(fā)射，通過充滿風(fēng)粉混合物管段后由探頭B接收，然后送入信號處理模塊進(jìn)行處理。

圖2 微波測試實(shí)驗(yàn)臺框圖

微波測量設(shè)備由微波激勵(lì)源、前端信號處理模塊、探頭傳感器、中央處理單元和上位機(jī)5部分組成，其組成框圖如圖3所示。微波設(shè)備檢測是在距離為L的直管段上的A、B兩個(gè)位置分別嵌入微波發(fā)射探頭和接收探頭。煤粉隨風(fēng)經(jīng)過A、B兩個(gè)位置時(shí)產(chǎn)生兩組信號，將這兩組信號送入中央處理單元處理，將處理結(jié)果傳輸給上位機(jī)顯示。測量中，取一定距離的L值，使這兩組信號有較好的相關(guān)性效果，利用互相關(guān)算法計(jì)算得出流速。所謂互相關(guān)算法是描述隨機(jī)信號x(t)、y(t)在任意兩個(gè)不同時(shí)刻t1、t2間的相關(guān)程度，通過互相關(guān)計(jì)算可得到一個(gè)信號延時(shí)時(shí)間，在工程上被稱為渡越時(shí)間，利用公式v=L/Δt便可得到風(fēng)粉兩相流流速[7]。本校驗(yàn)系統(tǒng)在軟件部分開發(fā)中將互相關(guān)算法進(jìn)行編程并整合在GUI系統(tǒng)中，硬件部分接入在微波測量設(shè)備上的前端信號處理模塊和中央處理單元之間(圖3)，這樣可以對中央處理單元和之后的設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)和故障檢測。

圖3 微波測量設(shè)備的組成框圖

2.2數(shù)據(jù)采集與結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，將信號接入板一端與前端信號處理模塊相連，上電后對頻率約為20kHz的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集長度為3s。采集時(shí)為避免信號被干擾造成數(shù)據(jù)差錯(cuò)，進(jìn)行了多組數(shù)據(jù)采集，每次采集都將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。數(shù)據(jù)采集和分析界面如圖4所示。

從圖4不難發(fā)現(xiàn)左聲道和右聲道采集的數(shù)據(jù)圖形高度相似，驗(yàn)證了它們是同一信號在不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，這與互相關(guān)信號特點(diǎn)吻合。同時(shí)說明了在信號接入板之前的設(shè)備功能良好。點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)分析”可以看到對采集數(shù)據(jù)運(yùn)用互相關(guān)算法處理后的圖形，峰值明顯，沒有其他較高峰值的影響，再次印證了兩個(gè)信號相關(guān)性好。同時(shí)對于參數(shù)分析欄分析，該欄的最大值即最大的相關(guān)系數(shù)，這組數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)最大值為0.815 54，大于0.8為高度相關(guān)。此時(shí)的渡越時(shí)間0.021 5s，由此得出速度v=23.2883m/s。與微波測量設(shè)備同一時(shí)間的測量值吻合。

圖4 數(shù)據(jù)采集和分析界面

考慮現(xiàn)場流速實(shí)時(shí)性的要求，現(xiàn)在在一定長度的數(shù)據(jù)上，每8 192個(gè)數(shù)據(jù)為一組，連續(xù)取多組進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，并與微波設(shè)備在同一時(shí)間測得的流速值進(jìn)行對比，所得結(jié)果如圖5所示。

圖5 微波設(shè)備與本系統(tǒng)測量流速對比

從圖5中可以看出，校驗(yàn)系統(tǒng)和微波設(shè)備測得的流速在趨勢上基本相同，在數(shù)值上相差不大。

3 結(jié)束語

利用計(jì)算機(jī)多媒體聲卡技術(shù)、Matlab軟件和信號接入板開發(fā)了一種簡易的氣固兩相流流速校驗(yàn)系統(tǒng)，并對其在已有的微波設(shè)備測試實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場測試，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠正確采集數(shù)據(jù)并利用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算。本系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：首先采用成熟的聲卡技術(shù)，在數(shù)據(jù)采集時(shí)方便、快捷、可靠，在其采集允許頻率范圍內(nèi)可以替代數(shù)據(jù)采集卡，避免了采集卡制作帶來的煩擾；其次采用強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件Matlab，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，也能夠針對不同的測量方法靈活改變，還可以提供人機(jī)界面設(shè)計(jì)；最后，對于整個(gè)系統(tǒng)而言，只要一臺裝有Matlab軟件的計(jì)算機(jī)和一塊研制簡單的信號接入板即可進(jìn)行測試校驗(yàn)工作，這為研發(fā)人員提供極大便利?？傊?，隨著氣固兩相流基于互相關(guān)法測量技術(shù)的普及，筆者設(shè)計(jì)的校驗(yàn)系統(tǒng)對氣固兩相流測量設(shè)備的檢測維護(hù)校驗(yàn)有日益廣闊的工程實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

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SimpleCalibrationSystemforGas-SolidFlowVelocityMeasurementEquipment

CHEN Li-jun, YANG Yi-guang, GONG Yong-li, REN Juan, JIANG Qi-feng

(SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

TH814

B

1000-3932(2016)05-0471-04

2016-04-01(修改稿)