爐膛聲學(xué)測溫中聲波飛渡時(shí)間測量的實(shí)驗(yàn)研究

吳莉，陳勵(lì)軍

?

爐膛聲學(xué)測溫中聲波飛渡時(shí)間測量的實(shí)驗(yàn)研究

吳莉，陳勵(lì)軍

(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210096)

爐膛內(nèi)溫度分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測對(duì)大型燃煤鍋爐的控制和診斷具有重要意義。聲波飛渡時(shí)間作為聲學(xué)測溫方法中的重要參數(shù)，因爐膛內(nèi)復(fù)雜的燃燒環(huán)境而很難精確測量。以國內(nèi)機(jī)組容量為50 MW的燃煤鍋爐為研究對(duì)象，分析了爐膛內(nèi)背景噪聲以及不同頻率的單頻信號(hào)在爐膛內(nèi)的衰減特性，從而確定測溫中的聲波信號(hào)頻段。并提出采用互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法結(jié)合希爾伯特變換取包絡(luò)的方法獲得聲波飛渡時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用取包絡(luò)的方法相比未取包絡(luò)具有更高的精度和更好的穩(wěn)定性。

聲學(xué)測溫；聲波飛渡時(shí)間；衰減特性；互相關(guān)時(shí)延估計(jì)；希爾伯特變換

0 引言

在電站鍋爐中，爐內(nèi)溫度場分布是其穩(wěn)定運(yùn)行和高效燃燒的重要指標(biāo)之一。聲學(xué)測溫方法因具有非接觸式測溫、實(shí)時(shí)性好且能工作在惡劣的環(huán)境之下等優(yōu)點(diǎn)[1]，近20年來，備受國內(nèi)外研究者的青睞。目前在國外已經(jīng)有成型的產(chǎn)品并且已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用[2]，而國內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)尚處于基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)室研究階段[3-4]。

聲波在爐膛內(nèi)飛渡時(shí)間的測量是聲學(xué)測溫方法的關(guān)鍵，但爐膛內(nèi)復(fù)雜的燃燒環(huán)境(包括變化的煙氣成分、微粒物質(zhì)、傳播路徑、煙氣速率等)給這一關(guān)鍵量的精確測量帶來很大的難度。因此，爐膛內(nèi)背景噪聲的研究以及聲波飛渡時(shí)間精確測量方法的選擇尤為重要[5]。文中通過研究國內(nèi)機(jī)組容量為50 MW的鍋爐運(yùn)行時(shí)的背景噪聲和不同頻率單頻信號(hào)在爐膛內(nèi)的衰減特性，從而確定測溫的聲波信號(hào)頻段。此外，提出采用互相關(guān)時(shí)延估計(jì)與希爾伯特變換取包絡(luò)相結(jié)合的方式獲得聲波飛渡時(shí)間，最后分別對(duì)取包絡(luò)和未取包絡(luò)的情況下獲得的聲波飛度時(shí)間進(jìn)行了精度分析。

1 聲學(xué)測溫原理

聲學(xué)測溫是基于聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的溫度有關(guān)這一原理。根據(jù)平面波的運(yùn)動(dòng)方程、波動(dòng)方程和氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)出聲學(xué)測溫的原理方程如下[6]：

圖1 聲波測溫原理示意圖

2 聲波飛渡時(shí)間測量基本理論

2.1 互相關(guān)時(shí)延估計(jì)原理

互相關(guān)時(shí)延估計(jì)是利用兩個(gè)空間上相互獨(dú)立的信號(hào)的相關(guān)函數(shù)來估計(jì)時(shí)間延遲。

根據(jù)自相關(guān)函數(shù)性質(zhì)可知：

2.2 互相關(guān)時(shí)延估計(jì)精度分析

任何時(shí)延估計(jì)方法得到的時(shí)延估計(jì)精度都受到克拉美-羅下界的限制，當(dāng)輸入信噪比較小時(shí)，互相關(guān)時(shí)延估計(jì)精度的最優(yōu)下界表達(dá)式為[7]

2.3 希爾伯特變化原理

3 測溫聲波信號(hào)的頻段選擇

爐膛內(nèi)的高強(qiáng)度噪聲給聲波飛渡時(shí)間的測量帶來很大難度，由于聲波信號(hào)的選擇顯得尤為重要。由于掃頻信號(hào)的相關(guān)函數(shù)具有明顯峰值，且可以對(duì)最大旁瓣值產(chǎn)生抑制，能提高飛渡時(shí)間測量的準(zhǔn)確性[9]，所以本文采用掃頻信號(hào)作為測溫信號(hào)。此外，為了保證接收端可以接收到發(fā)射信號(hào)，需要對(duì)爐膛的背景噪聲以及聲波信號(hào)在爐膛傳播過程中的衰減特性進(jìn)行研究。

3.1 機(jī)組容量為50 MW的鍋爐現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)裝置

在國內(nèi)某電廠機(jī)組容量為50 MW的鍋爐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鍋爐觀火孔位置分布和實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。在發(fā)射端，工控機(jī)控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生指定頻率的發(fā)射信號(hào)，經(jīng)過功率放大器放大后輸出至固定在爐膛觀火口處的揚(yáng)聲器，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲波信號(hào)。在接收端，傳聲器接收爐膛內(nèi)各種聲波信號(hào)，并把信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至多通道數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡由工控機(jī)控制，其采樣頻率為50 kHz，采樣時(shí)間根據(jù)發(fā)射信號(hào)形式而改變。

圖2 現(xiàn)場鍋爐觀火孔位置分布和實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3.2 爐膛背景噪聲研究

當(dāng)鍋爐運(yùn)行時(shí)，爐膛內(nèi)的背景噪聲主要包括：燃料的燃燒噪聲、吹灰器吹灰的噪聲、煙氣橫列管束的風(fēng)吹聲以及其他機(jī)械噪聲[10]。為確定測溫信號(hào)的頻帶，需要先對(duì)爐膛背景噪聲進(jìn)行采樣分析。在鍋爐的某個(gè)看火口處采集噪聲信號(hào)，對(duì)其分析后發(fā)現(xiàn)，其聲壓級(jí)不超過110 dB，而且頻譜主要集中在1 000 Hz以下，如圖3所示。此外，爐膛背景噪聲的概率密度函數(shù)具有對(duì)稱性，且近似為高斯分布。

3.3 聲波信號(hào)在現(xiàn)場爐膛內(nèi)的衰減特性研究

聲波信號(hào)在傳播的過程中，會(huì)有一定的衰減，而且頻率越高，衰減越大，有效傳播路徑越短。通過對(duì)不同頻率單頻信號(hào)在爐膛中傳播衰減特性的研究，結(jié)合背景噪聲的特性，從而確定掃頻信號(hào)的掃頻區(qū)間。

在現(xiàn)場鍋爐實(shí)驗(yàn)中，以鍋爐的1號(hào)和3號(hào)觀火孔為測點(diǎn)，其中一端為聲波發(fā)射端，一端為聲波接收端。發(fā)射端信號(hào)為1～10 kHz的單頻信號(hào)，信號(hào)周期個(gè)數(shù)為300。其中，單頻信號(hào)的幅度、發(fā)射端功率放大器檔位保持一致。聲波信號(hào)通過爐膛，在接收端采集信號(hào)。采集到的信號(hào)為發(fā)射信號(hào)衰減后信號(hào)與爐膛背景噪聲信號(hào)的疊加。

圖3 爐膛背景噪聲聲壓譜級(jí)圖

當(dāng)單頻信號(hào)的頻率為1 kHz時(shí)，采集到的背景噪聲和接收信號(hào)的聲壓譜級(jí)(參考聲壓為20μPa)如圖4所示。由圖4可知，接收信號(hào)在頻率為1 kHz處有很明顯的信號(hào)，其聲壓級(jí)為88.01 dB，信噪比約為20 dB。

圖4 單頻信號(hào)為1 kHz時(shí)接收信號(hào)和背景噪聲聲壓譜級(jí)圖

當(dāng)單頻信號(hào)的頻率為2 kHz時(shí)，采集到的背景噪聲和接收信號(hào)的聲壓譜級(jí)(參考聲壓為20μPa)如圖5所示。由圖5可知，接收信號(hào)在頻率為2 kHz處的信號(hào)聲壓級(jí)為75.57 dB，信噪比也約為20 dB。

當(dāng)單頻信號(hào)的頻率為3 kHz時(shí)，采集到的背景噪聲和接收信號(hào)的聲壓譜級(jí)如圖6(a)所示。由圖6(a)可知，接收信號(hào)在頻率為3 kHz處的信號(hào)相比圖4、圖5有所減弱，對(duì)其局部放大后得圖6(b)，此時(shí)3 kHz處的信號(hào)的聲壓級(jí)為53.32 dB，信噪比約為15 dB。

當(dāng)單頻信號(hào)的頻率分別為4 kHz、5 kHz時(shí)，其對(duì)應(yīng)的背景噪聲和接收信號(hào)的聲壓譜級(jí)圖的局部放大圖如圖7、8所示。由圖7和圖8可知，此時(shí)接收信號(hào)中單頻信號(hào)強(qiáng)度較小，信噪比也比較低。當(dāng)單頻信號(hào)的頻率為5 kHz時(shí)，接收信號(hào)在5 kHz處的信噪比最大約為3 dB。

圖5 單頻信號(hào)為2 kHz時(shí)接收信號(hào)和背景噪聲聲壓譜級(jí)圖

圖6 單頻信號(hào)為3 kHz時(shí)接收信號(hào)和背景噪聲聲壓譜級(jí)圖及局部 放大圖

當(dāng)單頻信號(hào)頻率大于5 kHz時(shí)，接收信號(hào)中正弦信號(hào)幾乎完全淹沒在噪聲中，圖9為單頻信號(hào)頻率為6 kHz時(shí)，接收信號(hào)和背景噪聲聲壓譜級(jí)局部放大圖。

圖7 單頻信號(hào)為4 kHz時(shí)接收信號(hào)和背景噪聲聲壓譜級(jí)局部放大圖

圖8 單頻信號(hào)為5 kHz時(shí)接收信號(hào)和背景噪聲聲壓譜級(jí)局部放大圖

圖9 單頻信號(hào)為6 kHz時(shí)接收信號(hào)和背景噪聲聲壓譜級(jí)局部放大圖

根據(jù)現(xiàn)場的試驗(yàn)測量，爐膛內(nèi)溫度為1 200 ℃，聲波飛渡時(shí)間為10 ms。若采用互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法測量聲波飛渡時(shí)間，在理論上只會(huì)產(chǎn)生0.03 ℃的溫度誤差。由此可見，采用互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法來估計(jì)聲波飛渡時(shí)間，理論上可以得到非常高的估計(jì)精度。

4 數(shù)據(jù)處理和分析

首先根據(jù)發(fā)射信號(hào)的頻率間隔，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理。帶通濾波器的濾波區(qū)間為950～3 050 Hz，階數(shù)為1 024階。此時(shí)，濾波后產(chǎn)生的群時(shí)延為

為得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果，在計(jì)算聲波飛渡時(shí)間時(shí)，需要剔除濾波器帶來的群時(shí)延。

對(duì)濾波后的接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)做互相關(guān)運(yùn)算，圖10和圖11分別為2號(hào)觀火孔處的120幀信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的互相關(guān)函數(shù)歷程圖和互相關(guān)函數(shù)包絡(luò)歷程圖及局部放大圖。

從圖11(a)可以看出，互相關(guān)函數(shù)包絡(luò)歷程圖中存在一個(gè)由直達(dá)波形成的清晰且穩(wěn)定的互相關(guān)峰和一個(gè)由爐墻反射產(chǎn)生的多條傳播路徑形成的較微弱的互相關(guān)峰。

由圖10(b)可知，未取包絡(luò)的互相關(guān)函數(shù)歷程圖中存在兩個(gè)清晰且穩(wěn)定的峰值和一個(gè)清晰的負(fù)峰值。為進(jìn)一步驗(yàn)證多峰確實(shí)存在，取圖10(b)中某一幀信號(hào)得到圖12。從圖12中可以看出，此時(shí)互相關(guān)函數(shù)中確實(shí)存在多個(gè)峰值點(diǎn)。相比之下，取包絡(luò)后的互相關(guān)函數(shù)歷程圖的峰值點(diǎn)較為單一和穩(wěn)定。

圖13為互相關(guān)函數(shù)取包絡(luò)和未取包絡(luò)時(shí)得到的時(shí)延估計(jì)分布圖。統(tǒng)計(jì)得到兩種情況下的時(shí)延估計(jì)均值均為12.1 ms。但是，從圖中可以看出，互相關(guān)函數(shù)未取包絡(luò)時(shí)，時(shí)延估計(jì)值在兩個(gè)時(shí)延點(diǎn)處均勻地跳變。而互相關(guān)函數(shù)取包絡(luò)時(shí)，時(shí)延估計(jì)值則相對(duì)穩(wěn)定。統(tǒng)計(jì)得到互相關(guān)函數(shù)未取包絡(luò)時(shí)的時(shí)延估計(jì)均方差為3.300 5×10-4s，而互相關(guān)函數(shù)取包絡(luò)時(shí)的時(shí)延估計(jì)均方差僅為1.732 0×10-4s。令爐膛內(nèi)的溫度為1 200 ℃，互相關(guān)函數(shù)未取包絡(luò)時(shí)，時(shí)延估計(jì)均方差對(duì)應(yīng)的溫度均方差為32.7 ℃，而互相關(guān)函數(shù)取包絡(luò)時(shí)，時(shí)延估計(jì)均方差對(duì)應(yīng)的溫度均方差僅為17.18 ℃?？梢?，互相關(guān)函數(shù)取包絡(luò)后時(shí)延估計(jì)值較為穩(wěn)定，這對(duì)實(shí)時(shí)測量爐膛內(nèi)的溫度場分布具有重要意義。

圖10 互相關(guān)函數(shù)歷程圖及其部放大圖

圖11 互相關(guān)函數(shù)包絡(luò)歷程圖及其局部放大圖

Fig.12 互相關(guān)歷程圖中一幀信號(hào)圖

圖13 互相關(guān)函數(shù)取包絡(luò)和未取包絡(luò)時(shí)延分布圖

5 結(jié)論

(1) 機(jī)組容量為50 MW的鍋爐爐膛的背景噪聲聲壓級(jí)在110 dB以下，頻譜主要集中在 1 kHz以下。噪聲概率密度函數(shù)具有對(duì)稱性，近似為高斯分布。

(2) 爐膛聲波衰減特性測試實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明：當(dāng)信號(hào)頻率小于3 kHz時(shí)，衰減較小；當(dāng)信號(hào)頻率大于3 kHz時(shí)，衰減急劇增大；當(dāng)頻率大于5 kHz時(shí)，聲波信號(hào)幾乎全部淹沒在背景噪聲中。本文采用掃頻區(qū)間為1～3 kHz的線性掃頻信號(hào)作為聲波發(fā)射信號(hào)。

(3) 爐膛聲波飛渡時(shí)間的測量結(jié)果表明，接收與發(fā)射信號(hào)互相關(guān)函數(shù)歷程圖中有多個(gè)峰值點(diǎn)。為減小多峰帶來的誤差，本文提出采用互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法與希爾伯特變換取包絡(luò)相結(jié)合的方法計(jì)算爐膛內(nèi)聲波的傳播時(shí)間，即聲波飛渡時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，互相關(guān)函數(shù)取包絡(luò)相比互相關(guān)函數(shù)未取包絡(luò)可以獲得更加穩(wěn)定且準(zhǔn)確的聲波飛渡時(shí)間，這對(duì)聲學(xué)法測量鍋爐爐膛內(nèi)的溫度場分布具有重大意義。

[1] SHEN Guoqing, ZHANG Shiping, AN Liansuo. Study on Sound Source in Acoustic Pyrometry of Boiler Furnace[J]. Electric Power Science and Engineering, 2013, 29(2): 49-55.

[2] KLEPPER J A, RENO N V. Method and apparatus formeasuring acoustic wave velocity using impulse response[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1994, 98(1): 27-28.

[3] 田豐, 邵富群, 王福利. 基于聲波的工業(yè)爐溫度場測量技術(shù)[J]. 沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2001, 18(3): 10-11.

TIAN Feng, GUO Fuqun, WANG Fuli. Industrial furnace temperature field measurement technology based on sound waves[J]. Journal of Shenyang Institute of Aeronautical Engineering, 2001, 18(3): 10-11.

[4] 姜根山, 安連鎖, 楊昆. 溫度梯度場中聲線傳播路徑數(shù)值研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24(10): 210-214.

JIANG Genshan, AN Liansuo, YANG Kun. Numerical study on the propagation path of sound ray through the temperature grandient field[J]. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(10): 210-214.

[5] 安連鎖, 張世平, 李庚生, 等. 電站鍋爐聲學(xué)監(jiān)測中互相關(guān)時(shí)延估計(jì)影響因素研究[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2012, 32(2): 112-117.

AN Liansuo, ZHANG Shiping, LI Gengsheng, et al. Factors influencing cross-correlation time delay estimation of acoustic measurement for power boilers[J]. Journal of Chinese of Power Engineering, 2012, 32(2): 112-117.

[6] KLEPPE J A. The application of digital signal processing to acoustic pytometry[J]. IEEE, 1996, 520-422.

[7] 苗錦, 劉志強(qiáng), 張跟鵬. 基于互相關(guān)時(shí)延估計(jì)方法及其精度分析[J]. 艦船電子工程, 2008, 28(6): 98-100.

MIAO Jin, LIU Zhiqiang, ZHANG Genpeng. Cross correlation method and precision analysis of time-delay estimation[J]. Ship Electonic Engineering, 2008, 28(6): 98-100.

[8] 管致中, 夏恭恪, 孟橋. 信號(hào)與線性系統(tǒng)上冊(cè)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2008.

GUAN Zhizhong, XIA Gongke, MENG Qiao. Signals and linear systems[M]. Beijing: Higher Education Press, 2008.

[9] 張波, 安連鎖, 沈國清. 互相關(guān)函數(shù)在聲學(xué)測溫系統(tǒng)中的誤差分析[J]. 電子科學(xué)與工程, 2006(1): 45-47.

ZHANG Bo, AN Liansuo, SHENG Guoqing. Error analysis of acoustic pyrometer based on cross-correlation method[J]. Electric power science and engineering, 2006(1): 45-47.

[10] 張世平, 安連鎖, 沈國清. 電站鍋爐聲學(xué)測溫中爐膛聲場及熱態(tài)背景噪聲特性研究[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 38(6): 68-74.

ZHANG Shiping, AN Liansuo, SHEN Guoqing. Study on characteristic of sound field and hot-state background acoustic noise in boiler furnace of acoustic pyrometry[J]. Journal of North China Electric Power University, 2011, 38(6): 68-74.

Experimental research on ‘time of flight’ measurement inacoustic pyrometry for furnace

WU Li,CHEN Li-jun

(School of Information Science & Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, China)

Real-time monitoring of the temperature distribution is of great significance to the control and diagnosis of large coal-fired boilers. Time of flight (TOF) as an important parameter of acoustic pyrometry is difficult to measure in the complex combustion furnace environment. In this paper, the coal-fired boiler of 50 MW unit capacity is taken as the research object. The background noise and the attenuation characteristics of the single-frequency signals with different frequencies in the furnace are analyzed to determine the frequency band of the acoustic signal in the temperature measurement. And, the cross-correlation time delay estimation method combined with the Hilbert transform for envelope extraction is used to obtain the time of flight (TOF). The experimental results show that the proposed method has better accuracy and stability over the non-envelope extraction method.

acoustic pyrometry; time of flight; atenuation characteristics; Hilbert transform

TB533

A

1000-3630(2018)-03-0211-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.03.003

2017-05-04;

2017-07-18

吳莉(1990－), 女, 江西撫州人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

吳莉, E-mail: wuli199909@163.com