CN102818853A - 基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电力设备状态监测领域的一种基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量装置及方法。一种基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量装置，其技术方案是，所述装置包括信号发生模块、超声波传感器阵列、相位差分析模块、开关模块、图像分析模块、数据采集模块、成像模块、警报模块和声速分析模块；所述信号发生模块包括直接数字式频率合成器DDS和PCI数据采集卡；所述相位差分析模块包括运放芯片和增益/相位检测器。本发明用超声波能够全面测量燃气通道某一截面的温度场，并且采用非介入式方法，避免了热电偶对气体流动的干扰，并且可以进一步得到温度分布的图像，为燃气管道内的温度场提供准确的依据。
Description
技术领域
本发明属于电力设备状态监测领域，尤其涉及一种基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量装置及方法。
背景技术
对于燃气轮机，由于近年来燃机的发展，目前燃机透平进口温度已超过1200°C，高温高压气体是通过燃气通道与透平相连接，直接对透平入口温度进行测量并实施监控还无法实现。现在普遍采用在燃气导管的一些较低温度区域，安装若干热电偶，测量该处的温度，并通过该测量温度与燃机透平进口温度的关系，间接监测控制燃机透平进口温度。这种对高温高压气体温度逐点测量的方法，在获取实际温度场数据时，受热材料元件高温性能限制，只能做短时间测量，同时热电偶的介入，或多或少的影响到高温高压气体的流动均匀性，并且现场就地操作量大，实时性差。近年来，国内外不少学者利用计算机图像处理技术、光学层析技术等手段来测量温度分布，取得了一定进展，但始终未取得令人满意的结果。
燃气轮机的透平入口温度对机组的性能影响较大, 提高入口温度,可提高机组的效率。温度控制基准的准确性, 将影响到机组入口温度的控制, 从而影响到机组的性能, 同时，高温高压气体在通道中容易发生温度分布不均的状况，高温高压气体的温度分布是否均匀，直接关系着燃气轮机的转子及叶片所受的应力、应变。因此, 为保证机组安全、稳定运行，提高机组使用寿命和提高机组效率，对于透平入口温度需要一种更加完善的测量系统。
发明内容
针对上述背景技术中提到的目前采用的测量方法，在测量的便捷性和实施性方面存在的限制，本发明提出了一种基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量装置及方法。
一种基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量装置，其特征在于，所述装置包括信号发生模块、超声波传感器阵列、相位差分析模块、开关模块、图像分析模块、数据采集模块、成像模块、警报模块和声速分析模块；所述信号发生模块包括直接数字式频率合成器DDS和PCI数据采集卡；所述相位差分析模块包括运放芯片和增益/相位检测器；
其中，所述直接数字式频率合成器DDS分别与所述超声波传感器阵列和运放芯片连接，用于产生正弦激励信号，并将其分别传输给超声波传感器阵列和运放芯片；
所述超声波传感器阵列、开关模块、增益/相位检测器、运放芯片、数据采集模块、声速分析模块、成像模块和图像分析模块顺次连接；所述超声波传感器阵列用于接收正弦激励信号，并将超声波信号通过开关模块传输至增益/相位检测器；所述增益/相位检测器用于得到超声波信号与参考波的相位差信息；所述运放芯片用于将直接数字式频率合成器DDS传来的正弦激励信号进行处理，并将处理后的正弦激励信号传给增益/相位检测器作为参考波；所述数据采集模块用于采集相位差信息，并传给声速分析模块；所述声速分析模块根据相位差信息，得出平均声速数据；所述成像模块用于得到温度分布图像；
所述图像分析模块分别与所述PCI数据采集卡、成像模块和警报模块连接；用于得到温度分布状况。
所述超声波传感器阵列包括若干个超声波传感器；所述超声波传感器既作为超声波发射器或超声波接收器。
一种基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量装置的测量方法，其特征包括以下步骤：
步骤1：将隔热材料贴在燃气通道的外围，将超声波传感器阵列紧贴在隔热材料上；
步骤2：信号发生模块产生正弦激励信号，分为两路；将一路传输给超声波传感器阵列，并选择超声波传感器阵列中的一个超声波传感器作为超声波发射器，其余的超声波传感器作为超声波接收器；另一路传输给运放芯片，并将正弦激励信号缩小设定倍数作为参考波输入给增益/相位检测器；
步骤3：当超声波接收器接收到超声波信号后，开关打开，增益/相位检测器将所有超声波接收器传来的信号与参考波比较，得到一组相位差信息，并将这组相位差信息传输至数据采集模块；
步骤4：数据采集模块将所有相位差信息传输给声速分析模块，根据该组相位差信息，得出平均声速数据，并存储至图像处理模块；作为超声换能器阵列的其中一组数据；
步骤5：根据超声发生器的时钟信号，依次选择传超声感器阵列的每一个超声波传感器作为发射器，遍历整个超声波传感器阵列，循环执行步骤2～步骤4，建立超声换能器阵列数据组，传输至成像模块；
步骤6：成像模块制作出图像后输入至图像分析模块，利用数据进行成像分析，得出温度分布状态结果；若温度场正常，则返回信号发生模块继续循环监测，若温度场异常，则通过警报模块通知工作人员检查燃气轮机导管工作状态。
本发明的有益效果是，本发明用超声波能够全面测量燃气管道某一截面的温度，并且采用非介入式方法，避免了热电偶对气体流动的干扰，并且可以进一步得到温度分布的图像，为燃气通道内的温度场提供准确的依据。
附图说明
图１是本发明提供的一种基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量装置的系统框图；
图２是本发明提供的一种基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量装置的超声波传感器阵列分布图；
图３是本发明提供的一种基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量装置的超声波传感器布置方式示意图；
其中，1-燃气通道外壁；2-隔热材料层 ；3-超声波传感器； 4-信号发生模块/相位差分析模块连接端 ；5-地线。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图１是本发明提供的一种基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量装置的系统框图。图１中，一种基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量装置，所述装置包括信号发生模块、超声波传感器阵列、相位差分析模块、开关模块、图像分析模块、数据采集模块、成像模块、警报模块和声速分析模块；所述信号发生模块包括直接数字式频率合成器DDS和PCI数据采集卡；所述相位差分析模块包括运放芯片和增益/相位检测器；所述超声波传感器阵列包括若干个超声波传感器；
其中，所述直接数字式频率合成器DDS分别与所述超声波传感器阵列和运放芯片连接，用于产生正弦激励信号，并将其分别传输给超声波传感器阵列和运放芯片；
所述超声波传感器阵列、开关模块、增益/相位检测器、运放芯片、数据采集模块、声速分析模块、成像模块和图像分析模块顺次连接；所述超声波传感器阵列用于接收正弦激励信号，并将其中一个超声波传感器作为超声波发生器产生超声波信号，其余的超声波传感器作为超声波接收器接收超声波信号，并将超声波信号通过开关模块传输至增益/相位检测器；所述增益/相位检测器用于得到超声波信号与参考波的相位差信息；所述运放芯片用于将直接数字式频率合成器DDS传来的正弦激励信号进行处理，并将处理后的正弦激励信号传给增益/相位检测器作为参考波；所述数据采集模块用于采集相位差信息，并传给声速分析模块；所述声速分析模块根据相位差信息，得出平均声速数据；所述成像模块用于得到温度分布图像；所述图像分析模块分别与所述PCI数据采集卡、成像模块和警报模块连接；用于得到具体温度分布状况。
图２是本发明提供的一种基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量装置的超声波传感器阵列分布图。图2中，1为燃气入口通道外壁，隔热材料2贴在燃气通道的外围，超声波传感器超3紧贴在隔热材料2上，减少超声波在空气中传播的损耗。由于加入了隔热材料，避免了超声换能器由于温度过高而发生损坏。
图３是本发明提供的一种基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量装置的超声波传感器布置方式示意图。图3中，燃气通道外壁1，包裹着整个待测区域，隔热材料2，一侧紧贴在通道壁面另一侧与超声换能器紧密接触，为避免超声换能器收到高温损坏，超声波传感器3收发超声波信号，获取超声波信号数据 ，通过信号发生模块/相位分析模块连接端4，为超声波传感器提供发射指令和接收指令，被选作超声波发射器的超声波传感器通过信号发生模块/相位分析模块连接端4连接信号发生模块 ，其余作为超声波接收器的超声波传感器通过4连接相位差分析模块。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量装置，其特征在于，所述装置包括信号发生模块、超声波传感器阵列、相位差分析模块、开关模块、图像分析模块、数据采集模块、成像模块、警报模块和声速分析模块；所述信号发生模块包括直接数字式频率合成器DDS和PCI数据采集卡；所述相位差分析模块包括运放芯片和增益/相位检测器；
其中，所述直接数字式频率合成器DDS分别与所述超声波传感器阵列和运放芯片连接，用于产生正弦激励信号，并将其分别传输给超声波传感器阵列和运放芯片；
所述超声波传感器阵列、开关模块、增益/相位检测器、运放芯片、数据采集模块、声速分析模块、成像模块和图像分析模块顺次连接；所述超声波传感器阵列用于接收正弦激励信号，并将超声波信号通过开关模块传输至增益/相位检测器；所述增益/相位检测器用于得到超声波信号与参考波的相位差信息；所述运放芯片用于将直接数字式频率合成器DDS传来的正弦激励信号进行处理，并将处理后的正弦激励信号传给增益/相位检测器作为参考波；所述数据采集模块用于采集相位差信息，并传给声速分析模块；所述声速分析模块根据相位差信息，得出平均声速数据；所述成像模块用于得到温度分布图像；
所述图像分析模块分别与所述PCI数据采集卡、成像模块和警报模块连接；用于得到具体温度分布状况。
2.根据权利要求1所述的一种基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量装置，其特征在于，所述超声波传感器阵列包括若干个超声波传感器；所述超声波传感器作为超声波发射器或超声波接收器。
3.一种基于声学法的燃气轮机入口通道温度场测量方法，其特征包括以下步骤：
步骤1：将隔热材料贴在燃气通道的外围，将超声波传感器阵列紧贴在隔热材料上；
步骤2：信号发生模块产生正弦激励信号，分为两路；将一路传输给超声波传感器阵列，并选择超声波传感器阵列中的一个超声波传感器作为超声波发射器，其余的超声波传感器作为超声波接收器；另一路传输给运放芯片，并将正弦激励信号缩小设定倍数作为参考波输入给增益/相位检测器；
步骤3：当超声波接收器接收到超声波信号后，开关打开，增益/相位检测器将所有超声波接收器传来的信号与参考波比较，得到一组相位差信息，并将这组相位差信息传输至数据采集模块；
步骤4：数据采集模块将所有相位差信息传输给声速分析模块，根据该组相位差信息，得出平均声速数据，并存储至图像处理模块；作为超声换能器阵列的其中一组数据；
步骤5：根据超声发生器的时钟信号，依次选择传超声感器阵列的每一个超声波传感器作为发射器，遍历整个超声波传感器阵列，循环执行步骤2～步骤4，建立超声换能器阵列数据组，传输至成像模块；
步骤6：成像模块制作出图像后输入至图像分析模块，将数据进行成像分析，得出温度分布状态结果；若温度场正常，则返回信号发生模块继续循环监测，若温度场异常，则通过警报模块通知工作人员检查燃气轮机高温高压燃气入口通道工作状态。
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