CN111487437A - 一种声学法测量烟道内烟气流速的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种声学法测量烟道内烟气流速的装置，包括控制机柜、声波发射装置和声波接收装置，声波发射装置和声波接收装置相对设置在烟道外壁的两侧；其中，控制机柜包括工控机、信号发送采集模块、功率放大器和信号调理模块，工控机通过电缆与信号发送采集模块连接，信号发送采集模块分别通过电缆与功率放大器和信号调理模块连接，声波发射装置通过电缆与功率放大器连接，声波接收装置通过电缆与信号调理模块连接。本发明还公开了上述测量装置对烟道内烟气流速的测量方法。本发明测量方法采用二次函数凸型扫频方式的电声源信号进行测量，可以对烟道内烟气流速进行连续测量，抗干扰性强，测速结果稳定可靠，测量精度高。

Description

一种声学法测量烟道内烟气流速的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种声学法测量烟道内烟气流速的装置，还涉及上述装置测量烟道内烟气流速的方法，属于环保工程技术领域。
背景技术
烟气流速的测量在能源、化工、电力、煤矿及冶金等领域都具有十分重要的意义，尤其是电厂烟气流速的准确测量对电厂安全生产和节能减排具有重要的指导意义。受烟尘阻塞、颗粒磨损、安装方式等因素的制约，皮托管等接触式测量方式的准确度会随使用时间的增加逐渐降低，且需要定期维护和标定，影响流场分布。激光多普勒测速(LDV)、粒子图像测速(PIV)和可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)等最小侵入和非侵入性方法虽然具备不易堵塞、不影响流场等优点，但这些技术受应用环境影响较大，容易失准，实现成本高，因此在工业现场应用难度较大。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种声学法测量烟道内烟气流速的装置，该测量装置安装在烟道外侧，测量过程中不易堵塞、不影响烟道内的流场。
本发明还要解决的技术问题是提供上述装置对烟道内烟气流速的测量方法，该测量方法采用二次函数凸型扫频方式的电声源信号进行测量，可以对烟道内烟气流速进行连续测量，抗干扰性强，测速结果稳定可靠，测量精度高，能够适用于电厂烟道、锅炉等测试区域截面、烟尘含量较大，且噪声强度较高的场所的烟气流速测量。
发明内容：本发明所采用的技术方案为：
一种声学法测量烟道内烟气流速的装置，包括控制机柜、声波发射装置和声波接收装置，声波发射装置和声波接收装置相对设置在烟道外壁的两侧；其中，控制机柜包括工控机、信号发送采集模块、功率放大器和信号调理模块，工控机通过电缆与信号发送采集模块连接，信号发送采集模块分别通过电缆与功率放大器和信号调理模块连接，声波发射装置通过电缆与功率放大器连接，声波接收装置通过电缆与信号调理模块连接。
其中，所述控制机柜还包括电源模块、断路器I、断路器II、排风扇和模拟量输出模块，工业现场的电源分别给断路器I、排风扇和功率放大器供电，断路器I的通断控制对断路器II的供电；断路器II的通断控制对电源模块的供电；电源模块给工控机、信号发送接收模块、信号调理模块和模拟量输出模块供电。
其中，所述声波发射装置包括声波发射器I、声波发射器II以及分别与声波发射器I和声波发射器II相对应连接的声波导管，声波发射器I和声波发射器II分别通过法兰固定在与其相对应的声波导管上，在烟道壁面进行开孔，声波导管通过焊接固定在烟道壁面。
其中，所述声波发射器I和声波发射器II的发射端(前端)还套设有遮尘罩，遮尘罩用于阻挡大体积的烟尘颗粒和障碍物堵塞声波发射器。
其中，所述声波接收装置包括声波接收装置I和声波接收装置II，还包括安装于声波接收装置I和声波接收装置II内部的气体吹扫降温装置，气体吹扫降温装置的前端和后端均伸出声波接收装置，气体吹扫降温装置的后端通过气管接入压缩空气，利用压缩空气通过气体吹扫降温装置对声波接收装置进行吹扫，以防声波接收装置堵塞。在烟道壁面开孔，声波接收装置固定在烟道壁面上。
其中，声波发射器I与声波接收装置I处于同一直线方向上的烟道两侧，与烟道壁面的夹角为45°。声波发射器II与声波接收装置II处于同一直线方向上的烟道两侧，与烟道壁面的夹角为45°。
上述装置对测量烟道内烟气流速的测量方法，具体包括如下步骤：
(1)通过工控机生成二次函数凸型扫频声源信号，其波形的角频率表示为：
Figure BDA0002457466590000021
式中：ω(t)表示声源信号的角频率，f0为起始频率，B为带宽，T为脉宽，t为时间；
(2)将二次函数凸型扫频声源信号通过信号发送采集模块发送给功率放大器，功率放大器驱动声波发射装置将声波信号发出；
(3)位于待测区域相对壁面的声波接收装置采集声波发射装置发出的声波信号，通过信号调理模块将声波信号发送给信号发送采集模块；信号发送采集模块将该信号发送给工控机；
(4)工控机进行数据处理，计算出待测区域的烟气流速；
(5)工控机通过模拟量输出模块将得到的烟气流速发送出去。
其中，步骤(4)中，工控机进行数据处理具体为：声波发射装置发射的信号和声波接收装置接收的信号为两个相对独立时间序列的信号，通过比较两个相对独立时间序列信号的相关程度，即通过互相关算法求得声波从发射到接收的时间，此时间为声波飞渡时间；其中，声波发射器I到声波接收装置I之间的声波飞渡时间τ1，声波发射器II到声波接收装置II之间的声波飞渡时间τ2；声波发射器I(发射端)与声波接收装置I(接收端)的距离为L1，声波发射器II(发射端)与声波接收装置II(接收端)之间的距离为L2，则烟气流速v通过下式计算得到：
Figure BDA0002457466590000031
Figure BDA0002457466590000032
Figure BDA0002457466590000033
其中，α为声波发射器I中心延长线与烟气流向的夹角；β为声波接收装置II中心延长线与烟气流向的夹角；c为声音的速度。
有益效果：本发明测量装置安装、使用和维护方便，将其安装在烟道外侧壁，不需要改变烟道结构，能够实现对烟道内烟气流速的非接触式测量；并且通过采用非接触式测量，不会影响烟道内流场状况，也不会造成压降，从而确保了装置的使用安全性；本发明测量方法能够适应恶劣的环境，通过声波信号的发射与接收，可对烟道内烟气流速进行连续测量；本发明测量方法采用二次函数凸型扫频声源信号，二次函数凸型扫频信号具有强的抗噪声能力，使其系统误差小，与真值的符合程度高，具有高的准确度，自身波动小，多次测量的离散度低，具有高的精确度。在信噪比较低的测试环境，其飞渡时间计算最稳定，受噪声干扰最小。本发明测量方法的探测下限低至0.1m/s；速度变化精度为±0.02m/s；通过风洞计量检测，其测试误差低于0.1％，从而说明本发明测量方法具有测量精度高、测速范围广的优点。
附图说明
图1为本发明测量装置中声波发射装置和声波接收装置安装在烟道壁面的结构示意图；
图2为本发明测量装置中控制机柜的结构示意图；
图3为本发明测量方法的逻辑原理图；
图4为本发明声波接收装置上安装气体吹扫降温装置的局部放大图；
图5为声源信号的三种扫频方式。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步阐述。
如图1～4所示，本发明声学法测量烟道内烟气流速的装置，包括控制机柜1、声波发射装置2和声波接收装置3，声波发射装置2和声波接收装置3安装在烟道4待测区域的外壁上，声波发射装置2和声波接收装置3呈相对设置在烟道4待测区域外壁的两侧，控制机柜1安装在烟道4的待测区域附近；其中，控制机柜1包括工控机101、信号发送采集模块103、功率放大器109和信号调理模块108，工控机101通过电缆与信号发送采集模块103连接，信号发送采集模块103分别通过电缆与功率放大器109和信号调理模块108连接，声波发射装置2通过电缆与功率放大器109连接，声波接收装置3通过电缆与信号调理模块108连接。
其中，本发明测量装置的控制机柜1还包括电源模块102、断路器I105、断路器II104、排风扇106和模拟量输出模块107，电源模块102为24V电源，工控机101安装在控制机柜1一侧门板上，电源模块102、信号发送采集模块103、断路器II104、断路器I105、排风扇106、模拟量输出模块107、信号调理模块108以及功率放大器109均安装在控制机柜1内部背板上；工业现场的电源分别给断路器I105、排风扇106和功率放大器109供电，即工业现场接入220±20V交流电至断路器I105，断路器1105的通断控制对断路器II104的供电；断路器II104的通断控制对24V电源模块102的供电；电源模块102给工控机1、信号发送接收模块103、信号调理模块108和模拟量输出模块107供电，排风扇106用于给控制机柜1降温。
声波发射装置2包括声波发射器I201、声波发射器II205以及分别与声波发射器I201和声波发射器II205相对应连接的声波导管203，声波发射器I201和声波发射器II205分别通过法兰安装在与其相对应的声波导管203内，在烟道4壁面进行开孔，声波导管203通过焊接固定在烟道壁面。声波发射器I201和声波发射器II205的发射端(前端)还套设有遮尘罩204，遮尘罩204用于阻挡大体积的烟尘颗粒和障碍物堵塞声波发射装置2。
其中，声波接收装置3包括声波接收装置I302和声波接收装置II303，声波接收装置3还包括安装于声波接收装置I302和声波接收装置II303内部的气体吹扫降温装置301，气体吹扫降温装置301定期利用压缩空气通过气体吹扫降温装置301对声波接收装置3进行吹扫，以防声波接收装置3堵塞。声波发射器I201与声波接收装置I302处于同一直线方向上的烟道4两侧，直线与烟道壁面的夹角A为45°。声波发射器II205与声波接收装置II303也处于同一直线方向上的烟道4两侧，直线与烟道壁面的夹角B为45°。
本发明装置对烟道内烟气流速的测量方法，具体为：由工控机101生成的二次函数凸型扫频声源信号，通过信号发送采集模块103发送给功率放大器109，由功率放大器109驱动声波发射器I201将声波信号发出，声波信号在通过待测区域后被声波接收装置I302接收，同理，声波发射器II205发射的声波信号被声波接收装置II303接收，被接收的声波信号分别被声波接收装置I302和声波接收装置II303转换为电信号，经过信号调理模块108将信号进行整合，被信号发送采集模块103采集后发送给工控机101，工控机101将所采集到的两路信号进行计算，并将计算得到的烟气流动速度通过模拟量输出模块107发送给远离现场的用户。模拟量输出模块107通过电缆与远离现场的用户进行数据传递。
本发明的二次函数凸型扫频声源信号是基于线性扫频声源信号得到的。其中只考虑单向向上(从低频向高频变化)的频率调制情况，线性扫频声源信号的带宽与扫描带宽成线性关系，与脉冲宽度无关。
线性扫频声源信号波形的角频率表示为：
Figure BDA0002457466590000051
式中：f0为起始频率，B为带宽，T为脉宽。
因此二次函数扫频声源信号的带宽与扫描带宽成凹、凸两种形式，由于以单向向上扫频方式为原则，二次函数凸型扫频声源信号波形的角频率表示为：
Figure BDA0002457466590000052
式中：ω(t)表示声源信号的角频率，f0为起始频率，B为带宽，T为脉宽，t为时间；
二次函数凹型扫频声源信号的波形的角频率表示为：
Figure BDA0002457466590000053
式中：ω(t)表示声源信号的角频率，f0为起始频率，B为带宽，T为脉宽，t为时间。
如图5所示，其为0.2s脉宽内，起始频率为4kHz，带宽为4kHz的三种扫频方式的瞬时频率，本文二次函数的凹、凸型扫频方式为脉宽2T时选取的脉宽T内的对称部分。
本发明方法采用声波频段的二次函数凸型扫频声源能够更加准确的得到烟气的流速信息，受现场干扰小，实用性强，能够适用于电厂烟道、锅炉等测试区域截面、烟尘含量较大，且噪声强度较高的场所。

Claims (8)

1.一种声学法测量烟道内烟气流速的装置，其特征在于：包括控制机柜、声波发射装置和声波接收装置，声波发射装置和声波接收装置相对设置在烟道外壁的两侧；其中，控制机柜包括工控机、信号发送采集模块、功率放大器和信号调理模块，工控机通过电缆与信号发送采集模块连接，信号发送采集模块分别通过电缆与功率放大器和信号调理模块连接，声波发射装置通过电缆与功率放大器连接，声波接收装置通过电缆与信号调理模块连接。
2.根据权利要求1所述的声学法测量烟道内烟气流速的装置，其特征在于：所述控制机柜还包括电源模块、断路器I、断路器II、排风扇和模拟量输出模块，工业现场的电源分别给断路器I、排风扇和功率放大器供电，断路器I的通断控制对断路器II的供电；断路器II的通断控制对电源模块的供电；电源模块给工控机、信号发送接收模块、信号调理模块和模拟量输出模块供电。
3.根据权利要求1所述的声学法测量烟道内烟气流速的装置，其特征在于：所述声波发射装置包括声波发射器I、声波发射器II以及分别与声波发射器I和声波发射器II相对应连接的声波导管，声波发射器I和声波发射器II分别通过法兰安装在与其相对应的声波导管上，在烟道壁面开孔，声波导管通过焊接固定在烟道壁面上。
4.根据权利要求3所述的声学法测量烟道内烟气流速的装置，其特征在于：所述声波发射器I和声波发射器II的前端还套设有遮尘罩。
5.根据权利要求1所述的声学法测量烟道内烟气流速的装置，其特征在于：所述声波接收装置包括声波接收装置I和声波接收装置II，还包括安装于声波接收装置I和声波接收装置II内部的气体吹扫降温装置，气体吹扫降温装置的前端和后端均伸出声波接收装置，气体吹扫降温装置的后端通过气管与外部装有压缩空气的腔体连接，在烟道壁面开孔，声波接收装置固定在烟道壁面上。
6.根据权利要求5所述的声学法测量烟道内烟气流速的装置，其特征在于：声波发射器I与声波接收装置I处于同一直线方向上的烟道两侧，声波发射器II与声波接收装置II处于同一直线方向上的烟道两侧。
7.权利要求1所述的装置对烟道内烟气流速的测量方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
(1)通过工控机生成二次函数凸型扫频声源信号，其波形的角频率表示为：
Figure FDA0002457466580000011
式中：ω(t)表示声源信号的角频率，f0为起始频率，B为带宽，T为脉宽，t为时间；
(2)将二次函数凸型扫频声源信号通过信号发送采集模块发送给功率放大器，功率放大器驱动声波发射装置将声波信号发出；
(3)位于待测区域相对壁面的声波接收装置采集声波发射装置发出的声波信号，通过信号调理模块将声波信号发送给信号发送采集模块；信号发送采集模块将该信号发送给工控机；
(4)工控机进行数据处理，计算出待测区域的烟气流速；
(5)工控机通过模拟量输出模块将得到的烟气流速结果发送出去。
8.根据权利要求7所述的装置对烟道内烟气流速的测量方法，其特征在于：步骤(4)中，工控机进行数据处理具体为：声波发射装置发射的信号和声波接收装置接收的信号为两个相对独立时间序列的信号，通过互相关算法求得声波从发射到接收的时间，此时间为声波飞渡时间；其中，声波发射器I到声波接收装置I之间的声波飞渡时间τ1，声波发射器II到声波接收装置II之间的声波飞渡时间τ2；声波发射器I与声波接收装置I的距离为L1，声波发射器II与声波接收装置II之间的距离为L2，则烟气流速v通过下式计算得到：
Figure FDA0002457466580000021
Figure FDA0002457466580000022
Figure FDA0002457466580000023
其中，α为声波发射器I中心延长线与烟气流向的夹角；β为声波接收装置II中心延长线与烟气流向的夹角；c为声音的速度。
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