CN110006550B - 一种声波传播路径自适应组网的温度场重建系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及温度场重建领域，是一种声波传播路径自适应组网的温度场重建系统及其方法，解决了现有技术中无法对需要重点关注部分出现路径稀疏造成的测量不准确的问题。本发明设置于待测场，包括两组声波换能器组；控制装置，通过设置声波换能器；二次重建温度场；声波换能器规划、重新规划后重建温度场。本发明通过设置可分别调用的默认启动组和自适应启动组声波换能器，在对待测场的温度场进行重建的基础上，对需要重点重建的子区域进行温度场的重建，且通过两组声波换能器组进行子区域的线路规划，解决了现有技术中因路径稀疏造成的测量不准确的问题。
Description
技术领域
本发明涉及温度场重建领域，特别是指一种声波传播路径自适应组网的温度场重建系统及其方法。
背景技术
在现有火力发电站的燃煤锅炉中，炉内温度场的测量对研究炉内的燃烧状况具有重要意义，温度场的瞬态变化直接反应了炉内燃烧状况。由于电站锅炉尺寸大，工作环境恶劣，炉内火焰温度高等特征，传统的接触式测量方案受元件材料耐高温性能的限制，只能做到短时间测量，无法进行在线监测。
声学测温的原理是在测量得到声波飞行时间的基础上，利用相应的重建算法进行数值求解，反推出被测区域的温度分布信息，其中某区域温度重建精度与经过该区域的声波传播路径的数目与精度直接相关。由于炉膛可开孔位置有限，且目前声波飞渡时间测量一般采用互相关法，采样速度较慢，过多的路径必然拖慢系统的运行速度，因此一般声波测量路径不能过多。
传统的声学温度场重建方法中，超声波路径一般是固定的，有限的路径数难以保证被测区域各处路径数都足够密集。当炉膛温度梯度变化剧烈的区域出现在路径数较为稀疏的区域时，重建精度必然不高，温度场测量的不准确直接影响到运行人员的操作，进而影响锅炉运行的经济性和安全性。
针对炉膛内部温度场重建中，传统的声学温度场重建方法中声波传输路径固定，对于需要重点关注部分出现在路径稀疏区域时导致测量不准确的问题。
发明内容
本发明提出一种声波传播路径自适应组网的温度场重建系统及其方法，解决了现有技术中无法对需要重点关注部分出现路径稀疏造成的测量不准确的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种声波传播路径自适应组网的温度场重建系统，设置于待测场，包括两组可分别调用的声波换能器组；控制装置，所述控制装置包括用于对温度场进行重建的温度场重建模块，用于对重建后的温度场进行计算、分析的运算模块，用于控制声波换能器调用的线路规划模块；对温度场进行实时显示的显示模块。
进一步地，所述声波换能器组包括默认启动组和自适应启动组；所述默认启动组和自适应启动组设置于待测场的同一个截面内，分别以中心对称布置。
进一步地，所述控制装置为微处理器，所述显示模块为液晶显示屏。
本发明还公开了一种声波传播路径自适应组网的温度场重建方法，包括以下步骤：A设置声波换能器：设置两组分别连接控制装置的声波换能器，两组声波换能器设置于同一截面，分别已中心对称布置；B二次重建温度场：将待测温度场划分为有限个数子区域，先通过相应算法得到各子区域中心点温度值，随后使用插值算法重建出整个温度场；C声波换能器规划：通过控制装置对重建温度场的二次信息进行分析，并进行线路经规划，即声波换能器规划；D重新规划后重建温度场：对于重新规划路经后的待测场进行温度场重建。
进一步地，所述步骤C具体的是：C1通过步骤B得到的二次温度场重建的各个子区域的温度场的对比，并计算各个子区域的变化率；C2设定变化率阈值，当某子区域的变化率超过该阈值时，增加该区域的线路规划。
另外地，还包括C3：当各子区域的变化没有超过该阈值时，将各区域的变化率进行排序，将变化率位于前30％，且调整区达到40％的子区域进行路线规划。
进一步地，所述步骤A中的两组声波换能器为用于初始扫描的默认启动组和用于规划线路的自适应启动组。
进一步地，步骤B中所述的重建温度场是通过默认启动组声波换能器进行的温度场重建。
进一步地，所述步骤C2中所述的线路规划是通过调用自适应启动组声波换能器进行所在子区域的扫描路经的线路规划。
本发明提出一种声波传播路径自适应组网的温度场重建系统及其方法，通过设置可分别调用的默认启动组和自适应启动组声波换能器，在对待测场的温度场进行重建的基础上，对需要重点重建的子区域进行温度场的重建，且通过两组声波换能器组进行子区域的线路规划，解决了现有技术中因路径稀疏造成的测量不准确的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：默认路径示意图；
图2：增加一个调整区路径示意图；
图3：增加两个调整区路径示意图；
图4：本发明的流程框图；
图5：单峰温度场模型。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开的一种声波传播路径自适应组网的温度场重建系统，设置于待测场，包括两组可分别调用的声波换能器组；控制装置，所述控制装置包括用于对温度场进行重建的温度场重建模块，用于对重建后的温度场进行计算、分析的运算模块，用于控制声波换能器调用的线路规划模块；对温度场进行实时显示的显示模块。进一步地，所述声波换能器组包括默认启动组和自适应启动组；所述默认启动组和自适应启动组设置于待测场的同一个截面内，分别以中心对称布置。进一步地，所述控制装置为微处理器，所述显示模块为液晶显示屏。
本发明还公开了一种声波传播路径自适应组网的温度场重建方法，包括以下步骤：A设置声波换能器：由于实际工作时，不能提前预知温度梯度变化剧烈区域出现于何处，因此设置两组分别连接控制装置的声波换能器，两组声波换能器设置于同一截面，分别已中心对称布置；B二次重建温度场：将待测温度场划分为有限个数子区域，先通过相应算法得到各子区域中心点温度值，随后使用插值算法重建出整个温度场；C声波换能器规划：通过控制装置对重建温度场的二次信息进行分析，并进行线路经规划，即声波换能器规划；D重新规划后重建温度场：对于重新规划路经后的待测场进行温度场重建。
进一步地，所述步骤C具体的是：C1通过步骤B得到的二次温度场重建的各个子区域的温度场的对比，并计算各个子区域的变化率，即温度梯度对比；C2设定变化率阈值，当某子区域的变化率超过该阈值时，增加该区域的线路规划。
另外地，还包括C3：当各子区域的变化没有超过该阈值时，将各区域的变化率进行排序，将变化率位于前30％，且调整区达到40％的子区域进行路线规划。
进一步地，所述步骤A中的两组声波换能器为用于初始扫描的默认启动组和用于规划线路的自适应启动组。
进一步地，步骤B中所述的重建温度场是通过默认启动组声波换能器进行的温度场重建。
进一步地，所述步骤C2中所述的线路规划是通过调用自适应启动组声波换能器进行所在子区域的扫描路经的线路规划。
声学法温度场重建时，首先需要重建出各子区域温度，然后以此为基础通过插值算法重建出整个区域。各子区域温度值可作为路径规划的重要依据。为便于对路径调整，将被测区域划分为4个大小相等的调整区，区域划分如图1—3所示。其中TR2,TR4,TR6,TR8超声波换能器皆位于各边的中点，根据需求增加相应区域的路径数目。
如图4本发明的流程框图所示，以锅炉温度场测量为例，本方案重建时有以下步骤：
(1)锅炉开始运行后，使用默认启动组的默认路径对整个区域的温度场进行重建，保存本次重建时得到的各子温区温度值。
以默认路径进行第二次重建，得到重建结果。
(2)使用两次重建的子区域温度进行运算，计算出两次重建各子区域变化率大小，以此为依据对路径进行规划。
(3)从第四次测量开始，将本次的调整区与上次比较，将上次需增加路径，但是本次不需要的调整区路径关闭。
(4)以新路径开始下一次测量并重建出温度场图像，重复3、4步骤。
调整区路径增减判别标准如下：
(1)设定一个变化率的阈值，当某调整区的子温区变化率超过该阈值时，即认为其变化率过快，增加该区域声波传播路径数目。
(2)若子温区变化率没有超过该阈值的，则将各子温区变化率从高到低排序，查看变化率位于前30％的子区域在四个调整区的数量，根据数目多少决定是否增加该区域声波传递路径：
已知声学法重建的核心是解Ax＝B这个矩阵，其中x为子温区的中心点温度，在解出x后使用插值算法即可得到整个被测区域的温度。我们假设将被测区域划分为10*10，即划分出100个子温区，此时x为100*1的矩阵，存储着子温区中心点温度。对两次重建中的x相减，对结果依变化率快慢排序，取出前30个数据，然后看这30个数据在4个调整区中的分布，若有超过30*0.4＝12个在同一区域，即认为此区域需增加路径。
1)这批子区域中在某调整区的数目超过40％，即认定此区域为重点区域，增加该区域声波传播路径数量。如图2所示，实线路径为默认路径，虚线路径即为该区域增加的路径。
2)若两个区域均超过40％，则同时增加这两个区域的测量路径数目，增加方式如图3。
3)若没有区域满足以上条件，且没有子温区超过设定阈值，则认定锅炉温度梯度平稳增加，路径不变。
如图5所示，以一12m*12m单峰对称温度场为例，其表达式模型为 900+900*sin((pi*x)/12)*sin((pi*y)/12)。该仿真实验不考虑实际工作时测量声波飞渡时间耗时，重建算法使用同步迭代重建算法(SIRT)。SIRT算法是一种在医学 CT场重建领域常用算法，抗干扰能力强，适用于燃烧情况复杂的炉膛温度场重建。
实际工作中，换能器组一般使用扫描法运行，即一条路径测量完毕后再开启下组路径测量。
当以默认路径，即启动8个换能器，测量12条路径运行一轮的总声波飞渡时间为0.230s，重建算法所需时间为1.605s,总时间为1.895s。
当一个区域温度异常，将路径数增加至18条时，其总声波飞渡时间为0.318s，重建算法所需时间1.982s，总时间为2.30s。
当将所有16个换能器全部启动时，测量28条路径运行一轮的总飞渡时间为0.444s，重建算法所需时间为2.295s，总时间为2.739s。
即三者总时间分别为1.895s，2.30s，2.739s，可知系统效率最多提高了44.53％。考虑到实际工作时，一般需要对一条路径进行多次测量，以降低测量误差，其实际总声波飞渡时间耗时更久。因此，若将默认路径布置过多，将严重影响系统的工作效率，降低系统的实时性性能。所以，根据需要对路径自适应调节具有很高的实用性。
本发明提出一种声波传播路径自适应组网的温度场重建系统及其方法，通过设置可分别调用的默认启动组和自适应启动组声波换能器，在对待测场的温度场进行重建的基础上，对需要重点重建的子区域进行温度场的重建，且通过两组声波换能器组进行子区域的线路规划，解决了现有技术中因路径稀疏造成的测量不准确的问题；对测量路径实时调整，在避免大量增加声波传播路径的基础上，提高了声学法炉膛温度场重建中对炉膛内部温度梯度变化剧烈区域的测量精度，为运行人员的操作提供了可靠依据，并为热工控制的自动化装置提供炉内温度信号，避免出现燃烧不均，炉膛超温等影响锅炉安全运行的情况。
当然，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员应该可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种声波传播路径自适应组网的温度场重建方法，其特征在于：包括以下步骤：
A设置声波换能器：设置两组分别连接控制装置的声波换能器，两组声波换能器设置于同一截面，进行中心对称布置；
B二次重建温度场：将待测温度场划分为有限个数子区域，先通过相应算法得到各子区域中心点温度值，随后使用插值算法重建出整个温度场；
C声波换能器规划：通过控制装置对重建温度场的二次信息进行分析，并进行声波信号路径路径规划，即声波换能器规划；C1通过步骤B得到的二次温度场重建的各个子区域的温度场的对比，并计算各个子区域的变化率；
C2设定变化率阈值，当某子区域的变化率超过该阈值时，增加该区域的线路规划；
D重新规划后重建温度场：对于重新规划路径后的待测场进行温度场重建。
2.根据权利要求1所述的一种声波传播路径自适应组网的温度场重建方法，其特征在于：还包括C3：当各子区域的变化没有超过该阈值时，将各区域的变化率进行排序，将变化率位于前30％的子区域，且其数量超过某一调整区40％的调整区进行路线规划。
3.根据权利要求1或2的一种声波传播路径自适应组网的温度场重建方法，其特征在于：所述步骤A中的两组声波换能器为用于初始扫描的默认启动组和用于规划线路的自适应启动组。
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