CN106404214B - 基于伪随机序列的声波锅炉温度场测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于伪随机序列的声波锅炉温度场测量装置及方法，属于锅炉燃烧工艺评估以及燃烧安全可靠运行监测的装置技术领域。其解决了现有技术存在的实时性差和效率低等问题。本发明所发射的声波是伪随机序列，该序列规避了炉膛内本底噪声频谱，该序列根据电致发声单元和传感器的频响以及声波传播衰减特性做过预加重；伪随机序列经DAC电路变成模拟量并通过整定电路进行滤波和放大，经功率放大单元输出，最后电致发声单元将电信号还原成声音。本地传感器采集到的声波与本地伪随机码进行相关，判定发声质量；不同工位的伪随机码不相关；对声波传播路径两端的传感器信号做相关，得到该路径的声波飞渡时间，进一步得到该路径平均温度。

Description

基于伪随机序列的声波锅炉温度场测量装置及方法

技术领域

本发明涉及基于伪随机序列的声波锅炉温度场测量装置及方法，属于锅炉燃烧工艺评估以及燃烧安全可靠运行监测技术领域。

背景技术

锅炉是火力发电企业重要的生产设备，其运行的经济性和稳定性，关系到发电企业的竞争力和安全性，同时也涉及重要的环保问题。据报道，在火电成本中，燃料费用一般占70％以上，因此，如果锅炉燃烧得到优化，就可以降低煤耗，提高发电效率。锅炉燃烧参数测量、监测仪表也就成为必须，其中炉膛温度测量则是评估锅炉燃烧充分与否以及防止燃烧偏斜等安全监控的重要依据。如图1所示，声波测温原理是：锅炉腔体两侧设置有左侧工位和右侧工位，两个工位均设置有电致发声单元和传感器，从左侧工位电致发声单元发出的信号通过已知锅炉空腔长度，经过飞渡时间,如图2所示，达到右侧工位传感器。飞渡时间可以通过左侧、右侧工位的传感器信号离散化并做相关得到。根据下面的公式,则可以得到该温度下声波传输的平均速度。而气体中声音的传播速度与温度具有函数关系，进而得到声源到传感器的不同路径的当前平均温度T。

式中：v为可计算得到的声波传播路径的平均速度(m/s)；s为可实测得到的声波传播路径的距离(m)；t为声波传播路径的飞渡时间(s)；r为气体比热，在常压下气体的比热是一个常数；R为摩尔气体常数(8.314J/mol)；T为绝对温度(K)；M为气体摩尔重量(kg/mol)。

如图3所示，现有技术中锅炉腔体内每一层设置有8个工位，每个工位设置电致发声单元和传感器，其传输路径如图4所示。原理如下：其中一个工位作为声源向四周发出声波信号，周围六个工位则开始接收信号。根据图1和图2中的相同原理，已经知道路径长度，根据声波的传输时间，就可以知道当前温度下的平均速度。得到各个路径的平均温度后，物理上将炉膛空间分块，进而构建出准确的锅炉温度场。

但是，现有技术中，每次只是一个工位作为声源，其余作为接收单元，轮询一次要很长时间，尤其工位较多的情况下，效率非常低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有锅炉温度场测量装置存在的上述缺陷，提出了一种基于伪随机序列的声波锅炉温度场测量装置及方法，快速、实时、可靠地对炉膛内部空腔燃烧气体的温度进行测量。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于伪随机序列的声波锅炉温度场测量装置，包括数字信号处理单元、多路同步ADC采集单元、n个信号整定放大单元、n个传感器、多路同步DAC输出单元、n个信号整定单元，n个功率放大单元和n个电致发声单元，其中，n≥2；

传感器检测到的信号依次通过相应的信号整定放大单元、多路同步ADC采集单元变成离散数字信号并传递给数字信号处理单元，数字信号处理单元对离散数字信号进行时域分析并产生的伪随机序列依次通过多路同步DAC输出单元、信号整定单元、功率放大单元传递给电致发声单元发出。

进一步地，锅炉的炉壁上设置有传感器，各传感器构成平面或立体结构。

进一步地，每层传感器包括至少八个传感器，每个传感器等高且均匀分布于炉壁的边上。

进一步地，电致发声单元和传感器固定于共鸣腔上，共鸣腔位于锅炉的炉壁内侧。

一种基于伪随机序列的声波锅炉温度场测量方法，包括如下步骤：

步骤一：数字信号处理单元实时采集各工位的本底噪声，并分析工位的本底噪声频谱；

步骤二：数字信号处理单元为各工位产生一段原始伪随机序列，原始伪随机序列各不相同且避开当前的本底噪声频谱；

步骤三：数字信号处理单元在设备投入使用前预先得到工位的电致发声单元和传感器的频响特性以及声波传播衰减特性，数字信号处理单元根据此特性对原始伪随机序列进行预加重，使得最终输出的信号相对于原始伪随机序列失真度最小；

步骤四：经过多路同步DAC输出单元同时输出n个伪随机序列，产生n个模拟信号；

步骤五：产生的模拟信号经过信号整定单元进行滤波和增益放大；

步骤六：产生的模拟信号进一步经过功率放大单元放大并输出给电致发声单元；

步骤七：电致发声单元产生声音振动并传播给对应的传感器；

步骤八：数字信号处理单元采集多路同步ADC采集单元输出的数据，本地传感器ADC数据序列与本地伪随机序列进行相关运算，获得本次信号输出质量的评估；

步骤九：同时，数字信号处理单元对有效声波传播路径两端的两个ADC数据序列进行相关运算，计算出该路径的平均温度。

进一步地，步骤四中，伪随机序列经多路同步DAC输出单元变成模拟信号序列，该伪随机序列在送到多路同步DAC输出单元输出之前，根据预先得到的电致发声单元频响特性与传感器频响特性以及声波传播衰减特性得到的合成频响曲线进行数字预加重的校正处理，使输出的信号失真度最小。

进一步地，步骤七中，处理单元对异常信号评估并决定处理通常是延时一段时间，然后重新测量。

进一步地，步骤八中，多路同步ADC采集单元测量范围极宽，保证大信号不会过载且小信号信噪比较好。

进一步地，步骤八中，本底的传感器的采集到的信号首先与本底原始伪随机序列进行相关运算，相关结果作为本底发声质量的判定；有效路径上的异地传感器信号再与其作相关运算得到声波传播的飞渡时间。

进一步地，步骤九中，所有路径的ADC数据序列均为一次性获得，一次发声就可以得到所有有效路径的平均温度。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所述的基于伪随机序列的声波锅炉温度场测量装置及方法，发射的是数字信号处理单元预先计算好的伪随机序列，该序列在发射之前测量炉膛内本底噪声频率分析后得到的，用以避开干扰频段，该措施使得一次成功率提高；

(2)本发明所述的基于伪随机序列的声波锅炉温度场测量装置及方法，伪随机序列经DAC电路变成模拟信号序列，该伪随机序列在送到DAC转换成模拟信号之前，根据电致发声单元频响与传感器频响以及声波传播衰减特性得到的合成频响曲线进行数字化的预加重的校正处理，使本底输出的振动信号清晰完整，提高了信号输出质量，保证了成功率；

(3)本发明所述的基于伪随机序列的声波锅炉温度场测量装置及方法，本地传感器的采集到的信号首先与本底原始伪随机码进行相关，相关结果作为本底发声质量的判定；异地的传感器信号再与其作相关运算得到飞渡时间，这样的措施减少了误判；

(4)本发明所述的基于伪随机序列的声波锅炉温度场测量装置及方法，不同的工位发射的承载伪随机码序列的声波不同，所以多个工位可以同时工作，不会彼此干扰，系统可以在很短时间内完成测量，提高了实时性。

附图说明

图1是声波测温装置基本原理图。

图2是传感器采集到的声波在空气中传播延时示意图。

图3是现有技术的结构示意图。

图4是现有技术的声音传播有效路径图。

图5是本发明的原理流程框图。

图中：1、电磁阀或者扬声器激励信号源；2、炉膛。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例一：

如图5所示，本发明所述的基于伪随机序列的声波锅炉温度场测量装置，包括数字信号处理单元、多路同步ADC采集单元、n个信号整定放大单元、n个传感器、多路同步DAC输出单元、n个信号整定单元，n个功率放大单元和n个电致发声单元，其中，n≥2；

传感器检测到的信号依次通过相应的信号整定放大单元、多路同步ADC采集单元变成离散数字信号并传递给数字信号处理单元，数字信号处理单元对离散数字信号进行时域分析并产生的伪随机序列依次通过多路同步DAC输出单元、信号整定单元、功率放大单元传递给电致发声单元发出。

锅炉的炉壁上设置有传感器，各传感器构成平面或立体结构。

每层传感器包括至少八个传感器，每个传感器等高设置且均匀分布于炉壁的边上。

电致发声单元和传感器固定于共鸣腔上，共鸣腔位于锅炉的炉壁内侧。

一种基于伪随机序列的声波锅炉温度场测量方法，包括如下步骤：

步骤一：数字信号处理单元实时采集各工位的本底噪声，并分析工位的本底噪声频谱；

步骤二：数字信号处理单元为各工位产生一段原始伪随机序列，原始伪随机序列各不相同且避开当前的本底噪声频谱；

步骤三：数字信号处理单元在设备投入使用前预先得到工位的电致发声单元和传感器的频响特性以及声波传播衰减特性，数字信号处理单元根据此特性对原始伪随机序列进行预加重，使得最终输出的信号相对于原始伪随机序列失真度最小；

步骤四：经过多路同步DAC输出单元同时输出n个伪随机序列，产生n个模拟信号；

步骤五：产生的模拟信号经过信号整定单元进行滤波和增益放大；

步骤六：产生的模拟信号进一步经过功率放大单元放大并输出给电致发声单元；

步骤七：电致发声单元产生声音振动并传播给对应的传感器；

步骤八：数字信号处理单元采集多路同步ADC采集单元输出的数据，本地传感器ADC数据序列与本地伪随机序列进行相关运算，获得本次信号输出质量的评估；

步骤九：同时，数字信号处理单元对有效声波传播路径两端的两个ADC数据序列进行相关运算，计算出该路径的平均温度。

步骤四中，伪随机序列经多路同步DAC输出单元变成模拟信号序列，该伪随机序列在送到多路同步DAC输出单元输出之前，根据预先得到的电致发声单元频响特性与传感器频响特性以及声波传播衰减特性得到的合成频响曲线进行数字预加重的校正处理，使输出的信号失真度最小。

步骤七中，处理单元对异常信号评估并决定处理通常是延时一段时间，然后重新测量。

步骤八中，多路同步ADC采集单元测量范围极宽，保证大信号不会过载且小信号信噪比较好。

步骤八中，本底的传感器的采集到的信号首先与本底原始伪随机序列进行相关运算，相关结果作为本底发声质量的判定；有效路径上的异地传感器信号再与其作相关运算得到声波传播的飞渡时间。

步骤九中，所有路径的ADC数据序列均为一次性获得，一次发声就可以得到所有有效路径的平均温度。

实施例二：

本发明所述的基于伪随机序列的声波锅炉温度场测量装置，由数字信号处理单元，多路同步ADC采集单元、信号整定放大单元、传感器组、多路同步DAC输出单元、信号整定单元、功率放大单元、电致发声单元构成。每个工位安装振动传感器和电致发声单元。传感器将接收到的机械振动信号转换为电信号。电致发声单元将功率放大单元的电信号变成机械振动。

需要说明的是，由于电致发声单元是电压驱动，可以发送需要的信号，在这里发射的是一种伪随机码序列。传统的声波温度测量装置时压缩空气驱动空气炮，完全是一种没有任何规律的噪声信号。这种噪声信号不可控，与锅炉炉膛2内的燃烧噪声无法区分。而本发明发射的声音信号是可控的，而且根据发声装置、传感器的频响以及声波传播衰减特性进行矫正，也就是预加重，使得输出的声音振动平坦。

实施例三：

本发明可以预先跟踪炉膛2内的本底噪声，据此对产生的伪随机码序列进行控制，避开高幅值的干扰频谱。本发明发射的声音信号是可控的，且可以对每个工位输出不同的伪随机码序列。这样做的好处是各个工位甚至可以同时工作，而不是轮询，这大大提高了测试速度。

实施例四：

本发明同时针对锅炉的高背景噪声场景，在大动态范围内，如何从淹没在噪声环境中提取伪随机序列，本发明采用的传感器信号调理电路和多通道同步ADC具有高信噪比、大动态范围等特点，这保证了测量的一次成功率。

实施例五：

图1中锅炉的炉膛2两侧各安放有电磁阀或者扬声器激励信号源1，两者之间的炉膛2距离已知。图2中，通过传感器采集到的声波在空气中传播延时示意图，可以明显的看出左右两侧的电磁阀或者扬声器激励信号源1幅值有相差时间t的延迟。图3和图4中，假设炉膛2为方形，每个边长上设置有两组电磁阀或者扬声器激励信号源1，当其中一个电磁阀或者扬声器激励信号源1发射信号时，另外的电磁阀或者扬声器激励信号源1将作为接收端开始接收信号。

当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。

Claims (2)

1.一种基于伪随机序列的声波锅炉温度场测量装置，其特征在于：包括数字信号处理单元、多路同步ADC采集单元、n个信号整定放大单元、n个传感器、多路同步DAC输出单元、n个信号整定单元，n个功率放大单元和n个电致发声单元，其中，n≥2；

传感器检测到的信号依次通过相应的信号整定放大单元、多路同步ADC采集单元变成离散数字信号并传递给数字信号处理单元，数字信号处理单元对离散数字信号进行时域分析并产生的伪随机序列依次通过多路同步DAC输出单元、信号整定单元、功率放大单元传递给电致发声单元发出；

锅炉的炉壁上设置有传感器，各传感器构成立体结构；

每层传感器包括至少八个传感器，每个传感器等高且均匀分布于炉壁的边上；

电致发声单元和传感器固定于共鸣腔上，共鸣腔位于锅炉的炉壁内侧。

2.一种基于伪随机序列的声波锅炉温度场测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：数字信号处理单元实时采集各工位的本底噪声，并分析工位的本底噪声频谱；

步骤二：数字信号处理单元为各工位产生一段原始伪随机序列，原始伪随机序列各不相同且避开当前的本底噪声频谱；

步骤三：数字信号处理单元在设备投入使用前预先得到工位的电致发声单元和传感器的频响特性以及声波传播衰减特性，数字信号处理单元根据此特性对原始伪随机序列进行预加重，使得最终输出的信号相对于原始伪随机序列失真度最小；

步骤四：经过多路同步DAC输出单元同时输出n个伪随机序列，产生n个模拟信号；

步骤五：产生的模拟信号经过信号整定单元进行滤波和增益放大；

步骤六：产生的模拟信号进一步经过功率放大单元放大并输出给电致发声单元；

步骤七：电致发声单元产生声音振动并传播给对应的传感器；

步骤八：数字信号处理单元采集多路同步ADC采集单元输出的数据，本地传感器ADC数据序列与本地伪随机序列进行相关运算，获得本次信号输出质量的评估；

步骤九：同时，数字信号处理单元对有效声波传播路径两端的两个ADC数据序列进行相关运算，计算出该路径的平均温度；

步骤四中，伪随机序列经多路同步DAC输出单元变成模拟信号序列，该伪随机序列在送到多路同步DAC输出单元输出之前，根据预先得到的电致发声单元频响特性与传感器频响特性以及声波传播衰减特性得到的合成频响曲线进行数字预加重的校正处理，使输出的信号失真度最小；

步骤七中，处理单元对异常信号评估并决定处理通常是延时一段时间，然后重新测量；

步骤八中，多路同步ADC采集单元测量范围极宽，保证大信号不会过载且小信号信噪比较好；

步骤八中，本地的传感器的采集到的信号首先与本底原始伪随机序列进行相关运算，相关结果作为本底发声质量的判定；有效路径上的异地传感器信号再与其作相关运算得到声波传播的飞渡时间；

步骤九中，所有路径的ADC数据序列均为一次性获得，一次发声就可以得到所有有效路径的平均温度。