CN111044753B - 含尘烟气流速测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含尘烟气流速测量装置与方法。测量装置包括空腔型速度传感器和信号处理电路。其中空腔型速度传感器由上游感应电极、下游感应电极、绝缘套管、屏蔽套管和屏蔽线组成；信号处理电路由信号调理电路，信号采集输出电路、数字信号处理电路及其他外设电路组成。该方法利用烟气流动过程中粉尘与粉尘，粉尘与壁面相互碰撞，形成带电粉尘，经过空腔时依次被上下游感应电极捕获，产生两路极为相似且存在一定延迟的流动噪声信号，求取两路信号的时间差，从而计算烟气速度。本发明的一种新型含尘烟气流速测量装置与方法相比传统的烟气速度测量方法和装置，具有结构简单，实时性好，耐磨耐腐蚀、不易发生堵塞等优点。

Description

含尘烟气流速测量装置与方法

技术领域

本发明涉及一种含尘烟气流速测量装置与方法，属于速度测量领域。

背景技术

无论是单向流还是气固多相流，气体速度都是流动状态参数中重要的一环，目前，用于测量气体流速的测量方法众多，例如，机械式测速法、热线热膜测速法、光学法、声学法、伯努利测速法等等。但这些方法在面对烟气高温含尘条件进行速度测量时，存在很大的局限性。机械式风速仪和热线热膜风速仪在烟气长时间冲刷下，易发生磨损，难以长时间使用；光学法需要光源对待测流场进行照明并对测量流体有透明度要求，无法应用于烟气速度测量；声学法在面对烟气这种环境，声波衰减十分明显，测量更无从谈起；伯努利测速法在烟气测速方面通常使用皮托管配备压差变送器进行测量，也是目前烟气速度测量最主要的方法，通过测量烟气的全压和静压之差来实现烟气速度的测量，但在高灰环境下，容易发生堵塞，影响使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种实时性好，不易堵塞的尘烟气流速测量装置与方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种含尘烟气流速测量装置，其特征在于，包括：空腔型速度传感器和信号处理电路；

所述空腔型速度传感器包括上游感应电极、下游感应电极、绝缘套管、屏蔽套管和屏蔽线；上游感应电极、下游感应电极沿空腔方向相距一定距离L布置；绝缘套管将上游感应电极、下游感应电极与烟气隔离；屏蔽套管将上游感应电极、下游感应电极捕获的两路流动噪声信号送入信号处理电路，且屏蔽线的屏蔽网接地；

信号处理电路包括信号调理电路，信号采集输出电路及数字信号运算电路；信号调理电路用于流动噪声信号的阻抗匹配和信号放大，并送入信号采集输出电路，信号采集输出电路用于将信号调理电路输出的模拟信号转换为数字信号，送入数字信号运算电路；数字信号运算电路根据采样率、上下游感应电极间距及信号采集输出电路输出的数字信号，计算烟气速度信号。

所述数字信号运算电路包括滤波单元、信号预处理单元及速度计算单元；滤波单元用于剔除信号采集输出电路输出的数字信号中的工频干扰，部分波段的低频干扰和高频干扰；信号预处理单元用于比较滤波后两路信号有效值，将信号有效值调整一致；速度计算单元用于计算烟气速度信号。

信号处理电路还包括外设电路，数字信号运算电路将计算出的烟气速度信号接入外设电路，实现对外显示、存储。

一种烟气速度测量方法，其特征在于，包括：

采集烟气流经上游感应电极和下游感应电极时，在上游感应电极和下游感应电极上产生的两路存在一定延迟的流动噪声信号x′(t)和y′(t)；

对流动噪声信号x′(t)和y′(t)进行阻抗匹配和放大得到两路模拟信号x(t)和y(t)；将两路模拟信号x(t)和y(t)，转换为两路数字信号x′_i和y′_i，i＝0，1，2，3，…，N-1，N为采集频率；

对两路数字信号x′_i和y′_i进行滤波，得到x″_i和y″_i；

对x″_i和_y″_i进行信号预处理，计算两路信号的有效值，即X_rms和Y_rms，如果X_rms≥Y_rms，则x_i＝x″_i、

否则

y_i＝y″_i，得到信号x_i和y_i；

采用互相关算法计算两路数字信号x_i和y_i的互相关函数R_xy(k)，其计算公式如下：

式中，N为为采集频率。

R_xy(k)的最大值对应的k₀则表示两路数字信号x_i和y_i对应的延迟点数，则烟气速度则表示为：

式中，Δt表示采样的间隔时间，k₀为两路数字信号x_i和y_i对应的延迟点数。

烟气速度V_c进行中值滤波，取前5时刻的V_ci-5、V_ci-4、V_ci-3、V_ci-2、V_ci-1进行从小到大排序，取中间值作为当前时刻下的V_ci。

有益效果：

1)本发明含尘烟气流速测量装置与方法可实时显示计算结果，无需等待。

2)相比其他测量设备，如热线风速仪、机械式风速仪等，难以运用在烟气测量上，本发明含尘烟气流速测量装置与方法可在烟气高温含尘环境下稳定长期运行。

3)相比皮托管测速，本发明含尘烟气流速测量装置与方法，凭借极高的采集频率和良好的数据处理，在保证响应灵敏的条件下，尽量减少环境和人为带来的误差，且不会发生堵塞，无需反吹装置。

本发明利用静电感应和互相关原理的方法，可以测量烟气速度，避免了上述测量设备的局限性。

附图说明

图1为本发明提供的一种烟气速度测量装置结构示意图；

图2为烟气速度计算原理图；

图3为流动噪声信号及互相关函数图；

图4为某测点2min烟气标态速度(皮托管)和烟气速度(本发明)变化曲线图；

图5为一日内某电厂SCR系统B侧烟气量与本装置的烟气速度变化曲线图。

具体实施方式

本发明一种含尘烟气流速测量装置，包括：空腔型速度传感器和信号处理电路。其中空腔型速度传感器由上游感应电极、下游感应电极、绝缘套管、屏蔽套管和屏蔽线组成；信号处理电路由信号调理电路，信号采集输出电路、数字信号处理电路及其他外设电路组成。该装置利用烟气流动过程中粉尘与粉尘，粉尘与壁面相互碰撞，形成带电粉尘，经过空腔时依次被上下游感应电极捕获，产生两路极为相似且存在一定延迟的流动噪声信号，送入信号处理电路，经运算得到烟气速度。

实施例1

如图1所示，本发明烟气速度测量装置的空腔型速度传感器包括上游感应电极1、下游感应电极2、绝缘套管3、屏蔽套管4和屏蔽线5。上游感应电极1、下游感应电极2沿空腔方向相距一定距离L布置；绝缘套管3将上游感应电极1、下游感应电极2与烟气隔离；屏蔽套管4将上游感应电极1、下游感应电极2与外界屏蔽，并接地；屏蔽线5将上游感应电极1、下游感应电极2捕获的两路流动噪声信号送入信号处理电路，且屏蔽线的屏蔽网接地。

本发明的信号处理电路包括信号调理电路6，信号采集输出电路7、数字信号运算电路8及外设电路9。其中，信号调理电路6负责完成流动噪声信号的阻抗匹配和信号放大，并送入信号采集输出电路7，由信号采集输出电路7实现模拟信号转换为数字信号，送入数字信号运算电路8。数字信号运算电路8依次包含如下功能：1滤波功能：剔除工频干扰，部分波段的低频干扰和高频干扰；2信号预处理功能：将信号有效值调整一致；3速度计算功能：结合采样率和上下游感应电极间距，计算并输出烟气速度信号。之后烟气速度信号接入外设电路9，实现对外显示、存储。

测速的原理如图2所示，沿流动方向上布置两个相同的感应电极，上下感应电极的间距为L。当被测流体在管道内流动时，上下感应电极将捕获流体流动产生的随机噪声信号x′(t)和y′(t)，当上下感应电极距离L足够小，那随机噪声信号x′(t)和y′(t)将基本相同，只是下游传感器捕获的随机噪声信号y′(t)较上游传感器捕获的随机噪声信号x′(t)有一定的延迟，如图3所示，，通过互相关计算确定延迟点数，结合采样频率间隔，继而求取相关速度。

本发明一种烟气速度测量方法，具体流程为：

烟气流动过程中粉尘与粉尘，粉尘与壁面相互碰撞，形成带电粉尘，经过空腔时依次被上游感应电极(1)和下游感应电极(2)捕获，产生两路极为相似且存在一定延迟的流动噪声信号x′(t)和y′(t)；

流动噪声信号x′(t)和y′(t)接入模拟信号调理电路，完成信号的阻抗匹配和放大得到两路模拟信号x(t)和y(t)；

两路模拟信号x(t)和y(t)接入信号采集输出电路，转换为两路数字信号x′_i和y′_i(i＝0，1，2，3，…，N-1)，N为采集频率；

两路数字信号x′_i和y′_i(i＝0，1，2，3，…，N-1)接入数字信号运算电路，经滤波功能后剔除工频干扰，10Hz以下低频干扰和1000Hz以上高频干扰，转换为x″_i和y″_i(i＝0，1，2，3，…，N-1)；

对x″_i和y″_i(i＝0，1，2，3，…，N-1)进行信号预处理，计算两路信号的有效值，其计算公式如下：

获得X_rms和Y_rms，如果X_rms≥Y_rms，则x_i＝x″_i、

否则

y_i＝y″_i(i＝0，1，2，3，…，N-1)，得到信号x_i和y_i；

采用互相关算法计算两路数字信号x_i和y_i的互相关函数R_xy(k)，其计算公式如下：

R_xy(k)的最大值对应的k₀则表示两路数字信号x_i和y_i对应的延迟点数，则烟气速度则可以表示为：

式中，Δt表示采样的间隔时间，k₀为两路数字信号x_i和y_i对应的延迟点数。

烟气速度V_c进行中值滤波，取前5时刻的V_ci-5、V_ci-4、V_ci-3、V_ci-2、V_ci-1进行从小到大排序，取中间值作为当前时刻下的V_ci，剔除异常波动点，烟气速度信号接入其他外设电路，实现对外显示、存储。

本发明应用于某电厂SCR系统烟气测量，图4为该测点2min由皮托管和压力变送器及热电偶所得数据计算的烟气标态速度和同步测量下烟气速度的变化曲线；图5为一日内某电厂SCR系统B侧烟气量与本装置的烟气速度变化曲线图，表明本发明对烟气速度变化敏感。

Claims (1)

1.一种烟气速度测量方法，其特征在于，包括：

采集烟气流经上游感应电极(1)和下游感应电极(2)时，在上游感应电极(1)和下游感应电极(2)上产生的两路存在延迟的流动噪声信号x′(t)和y′(t)；

根据两路流动噪声信号x′(t)和y′(t),计算烟气速度；

根据两路流动噪声信号x′(t)和y′(t),计算烟气速度的步骤为：

对流动噪声信号x′(t)和y′(t)进行阻抗匹配和放大得到两路模拟信号x(t)和y(t)；将两路模拟信号x(t)和y(t)，转换为两路数字信号x′_i和y′_i，i＝0，1，2，3，…，N-1，N为采集频率；

对两路数字信号x′_i和y′_i进行滤波，得到x″_i和y″_i，

对x″_i和y″_i进行信号预处理，计算两路信号的有效值，即X_rms和Y_rms，如果X_rms≥Y_rms，则x_i＝x″_i、

否则

y_i＝y″_i，得到信号x_i和y_i；

采用互相关算法计算两路数字信号x_i和y_i的互相关函数R_xy(k)，其计算公式如下：

式中，k＝0，1，2，3，…，N-1；

R_xy(k)的最大值对应的k₀则表示两路数字信号x_i和y_i对应的延迟点数，则烟气速度则表示为：

式中，Δt表示采样的间隔时间，k₀为两路数字信号x_i和y_i对应的延迟点数；

烟气速度V_c进行中值滤波，取前5时刻的V_ci-5、V_ci-4、V_ci-3、V_ci-2、V_ci-1进行从小到大排序，取中间值作为当前时刻下的V_ci。

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