CN115235559A - 火电厂烟气流速测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种火电厂烟气流速测量装置与方法，属于速度测量领域；包括信号收发模块、数据分析模块和远程监控模块，信号收发模块包括布置在烟气流向的顺流方向上的扬声器S1、传声器M1和布置在烟气流向的顺逆流方向上的扬声器S2、传声器M2，信号收发模块还包括功率放大模块、信号放大模块、数据采集卡，数据采集卡用于完成声波信号的发生与传声器信号的采集；数据分析模块包括依次连接的数据通讯模块、数据处理模块、数据储存模块，远程监控模块包括相连接的数据通信模块、终端客户操作界面。本发明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。
Description
技术领域
本发明涉及火电厂烟气流速测量装置与方法，属于速度测量领域。
背景技术
准确测量火电厂烟气流速对燃煤电厂优化燃烧及评估污染物排放总量有重要的参考价值。电厂烟气流速的测量方法有皮托管、光学信号互相关法、PIV图像粒子测速和射线离子测速等，但是以上方法易受气流扰动的影响，设备在烟道内容易发生磨损和侵蚀，维护成本高，且受安装角度的影响，测量误差大。因此，学者们采用粒子静电相关测速、电火花超声流量计等方法对烟气流速进行测量研究，但是上述测量方法只能获取单点流速，无法满足烟气流量监测需求。
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，不易堵塞的火电厂烟气流速测量装置与方法；针对上述测速方法中存在的测量精度不高、直接计算量大等问题，本发明以声学测速作为测量技术，凭借其非侵入式测量、成本低廉和灵敏度高等特点，提高了测速的灵敏度及采用较低采样频率下获取较高的测量精度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
火电厂烟气流速测量装置，其特征在于：包括信号收发模块、数据分析模块和远程监控模块，所述信号收发模块包括布置在烟气流向的顺流方向上的扬声器S1、传声器M1和布置在烟气流向的顺逆流方向上的扬声器S2、传声器M2，所述信号收发模块还包括功率放大模块、信号放大模块、数据采集卡，所述数据采集卡的信号输出端通过DA模块与功率放大模块连接，所述功率放大模块的信号输出端分别与扬声器S1、传声器S2驱动连接；所述数据采集卡的信号输入端通过AD模块与信号放大模块连接，所述信号放大模块的信号输入端分别与传声器M1、传声器M2连接，所述数据采集卡用于完成声波信号的发生与传声器信号的采集；
所述数据分析模块包括依次连接的数据通讯模块、数据处理模块、数据储存模块，所述远程监控模块包括相连接的数据通信模块、终端客户操作界面，所述数据处理模块与数据通信模块相连接，所述数据通讯模块与数据采集卡双向连接；
在一个测量周期中，由数据分析模块给出声波信号，信号经数据采集卡的DA模块输出至功率放大模块后，驱动扬声器发声，声波由对面的传声器进行接收，经信号放大模块后由数据采集卡的AD模块返回至数据分析模块，以此形式发声采集两次完成顺流和逆流信号的采集；数据处理模块计算得到气体流速信息后保存到数据存储模块，并由数据通信模块送至终端客户操作界面。
进一步地，所述的火电厂烟气流速测量装置，其特征在于：所述数据采集卡选取USB-6356高速数据采集卡，其DA模块的分辨率为16位，包含4通道同步输出通道，单通道采样率可设置，最大采样率3.3MS/s；所述AD模块的分辨率为16位，有8通道同步输入通道，单通道最大采样率1.25MS/s，输入量程±10V，并且有模拟上升沿触发。
进一步地，所述的火电厂烟气流速测量装置，其特征在于：所述功率放大模块选用OPA549高电压大电流功率运算放大器进行功放电路的设计，OPA549的输出电流大，连续输出电流能达到8A，并且工作电压范围较宽，单电源下输出电压可达到8-60V。
进一步地，所述的火电厂烟气流速测量装置，其特征在于：所述传声器M1、传声器M2采用电容麦作为声波信号接收器，设计了驻极体传声器信号采集电路，传声器采集电路采用OPA172进行设计。
进一步地，所述的火电厂烟气流速测量装置，其特征在于：所述信号放大电路模块中采用AD8022芯片进行电压信号放大电路的设计，用于传声器M1、传声器M2连接信号放大电路模块进行信号放大。
一种火电厂烟气流速测量方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)计算声波在静止烟气中的传播速度
声波在烟道烟气中的传播速度随烟气的温度和烟气组分的变化而变化，烟气组分相对固定，介质成分的相对含量基本不变，在静止的烟气中，声波的传播速度可表示成以下关系式：
式中:c为声波在静止烟气中的传播速度，m/s；γ为介质定压比热与定容比热的比值，与介质成分有关；R为烟气的气体常数；T为热力学温度；m为烟气摩尔质量；Z为烟气常数，对于电厂烟气一般为定值；
(2)计算顺流飞渡时间、逆流飞渡时间
声波在烟气中的实际传播速度等于烟气流速与声波在静止烟气中的传播速度之和；在烟气流向的顺、逆流两个方向上各布置一组扬声器和传声器，通过获取声波在两个声程上的飞渡时间以获取烟气流速信息，扬声器S1(1)发射音频信号，传声器M1(4)接收信号，顺流声程长度为L1声线与介质流速方向夹角为α，顺流飞渡时间τ1可表示为：
同理，扬声器S2(2)发射音频信号，传声器M2(5)接收信号，顺流声程长度为L2声线与介质流速方向夹角为β，逆流飞渡时间τ2可表示为：
(4)计算烟气流速
由公式(2)、(3)可知，烟气流速υ可表示为:
对于固定的安装位置，L1、L2、α、β已知，只要求出τ1、τ2便可求得烟气流速υ。
本发明的有益效果在于：
1)本发明火电厂烟气流速测量装置与方法可实时显示计算结果和数据存储功能，无需等待和存储分析。
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，本发明火电厂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，本发明火电厂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。
4)本发明利用驱动扬声器的电信号代替信号相关性较差的参考信号，在减少传声器数量的同时避免了参考信号畸变对时延估计造成的影响，提高了时延估计的计算精度。
本发明利用声波测速原理的方法，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；
图中标号：
1、扬声器S1，2、扬声器S2，3、功率放大模块，4、传声器M1，5、传声器M2，6、信号放大模块，7、AD模块，8、DA模块，9、数据采集卡、10、数据通讯模块，11、数据处理模块，12、数据储存模块，13、数据通信模块，14、终端客户操作界面。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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。
实施例1
如图1所示，火电厂烟气流速测量装置，包括信号收发模块、数据分析模块和远程监控模块，信号收发模块包括布置在烟气流向的顺流方向上的扬声器S11、传声器M14和布置在烟气流向的顺逆流方向上的扬声器S22、传声器M25，信号收发模块还包括功率放大模块3、信号放大模块6、数据采集卡9，数据采集卡9的信号输出端通过DA模块8与功率放大模块3连接，功率放大模块3的信号输出端分别与扬声器S11、传声器S22驱动连接；数据采集卡9的信号输入端通过AD模块7与信号放大模块6连接，信号放大模块6的信号输入端分别与传声器M14、传声器M25连接，数据采集卡9用于完成声波信号的发生与传声器信号的采集；数据采集卡9选取USB-6356高速数据采集卡，其DA模块8的分辨率为16位，包含4通道同步输出通道，单通道采样率可设置，最大采样率3.3MS/s；AD模块7的分辨率为16位，有8通道同步输入通道，单通道最大采样率1.25MS/s，输入量程±10V，并且有模拟上升沿触发。功率放大模块3选用OPA549高电压大电流功率运算放大器进行功放电路的设计，OPA549的输出电流大，连续输出电流能达到8A，并且工作电压范围较宽，单电源下输出电压可达到8-60V。传声器M14、传声器M25采用电容麦作为声波信号接收器，设计了驻极体传声器信号采集电路，传声器采集电路采用OPA172进行设计。
信号放大电路模块6中采用AD8022芯片进行电压信号放大电路的设计，用于传声器M14、传声器M25连接信号放大电路模块6进行信号放大。
数据分析模块包括依次连接的数据通讯模块10、数据处理模块11、数据储存模块12，远程监控模块包括相连接的数据通信模块13、终端客户操作界面14，数据处理模块11与数据通信模块13相连接，数据通讯模块10与数据采集卡9双向连接。
在一个测量周期中，由数据分析模块给出声波信号，信号经数据采集卡9的DA模块8输出至功率放大模块3后，驱动扬声器发声，声波由对面的传声器进行接收，经信号放大模块6后由数据采集卡9的AD模块7返回至数据分析模块，以此形式发声采集两次完成顺流和逆流信号的采集；数据处理模块11计算得到气体流速信息后保存到数据存储模块12，并由数据通信模块13送至终端客户操作界面14。
如图1所示，一种火电厂烟气流速测量方法，包括以下步骤：
(1)计算声波在静止烟气中的传播速度
声波在烟道烟气中的传播速度随烟气的温度和烟气组分的变化而变化，烟气组分相对固定，介质成分的相对含量基本不变，在静止的烟气中，声波的传播速度可表示成以下关系式：
式中:c为声波在静止烟气中的传播速度，m/s；γ为介质定压比热与定容比热的比值，与介质成分有关；R为烟气的气体常数；T为热力学温度；m为烟气摩尔质量；Z为烟气常数，对于电厂烟气一般为定值；
(2)计算顺流飞渡时间、逆流飞渡时间
声波在烟气中的实际传播速度等于烟气流速与声波在静止烟气中的传播速度之和；在烟气流向的顺、逆流两个方向上各布置一组扬声器和传声器，通过获取声波在两个声程上的飞渡时间以获取烟气流速信息，扬声器S1(1)发射音频信号，传声器M1(4)接收信号，顺流声程长度为L1声线与介质流速方向夹角为α，顺流飞渡时间τ1可表示为：
同理，扬声器S2(2)发射音频信号，传声器M2(5)接收信号，顺流声程长度为L2声线与介质流速方向夹角为β，逆流飞渡时间τ2可表示为：
(5)计算烟气流速
由公式(2)、(3)可知，烟气流速υ可表示为:
对于固定的安装位置，L1、L2、α、β已知，只要求出τ1、τ2便可求得烟气流速υ。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.火电厂烟气流速测量装置，其特征在于：包括信号收发模块、数据分析模块和远程监控模块，所述信号收发模块包括布置在烟气流向的顺流方向上的扬声器S1(1)、传声器M1(4)和布置在烟气流向的顺逆流方向上的扬声器S2(2)、传声器M2(5)，所述信号收发模块还包括功率放大模块(3)、信号放大模块(6)、数据采集卡(9)，所述数据采集卡(9)的信号输出端通过DA模块(8)与功率放大模块(3)连接，所述功率放大模块(3)的信号输出端分别与扬声器S1(1)、传声器S2(2)驱动连接；所述数据采集卡(9)的信号输入端通过AD模块(7)与信号放大模块(6)连接，所述信号放大模块(6)的信号输入端分别与传声器M1(4)、传声器M2(5)连接，所述数据采集卡(9)用于完成声波信号的发生与传声器信号的采集；
所述数据分析模块包括依次连接的数据通讯模块(10)、数据处理模块(11)、数据储存模块(12)，所述远程监控模块包括相连接的数据通信模块(13)、终端客户操作界面(14)，所述数据处理模块(11)与数据通信模块(13)相连接，所述数据通讯模块(10)与数据采集卡(9)双向连接；
在一个测量周期中，由数据分析模块给出声波信号，信号经数据采集卡(9)的DA模块(8)输出至功率放大模块(3)后，驱动扬声器发声，声波由对面的传声器进行接收，经信号放大模块(6)后由数据采集卡(9)的AD模块(7)返回至数据分析模块，以此形式发声采集两次完成顺流和逆流信号的采集；数据处理模块(11)计算得到气体流速信息后保存到数据存储模块(12)，并由数据通信模块(13)送至终端客户操作界面(14)。
2.根据权利要求1所述的火电厂烟气流速测量装置，其特征在于：所述数据采集卡(9)选取USB-6356高速数据采集卡，其DA模块(8)的分辨率为16位，包含4通道同步输出通道，单通道采样率可设置，最大采样率3.3MS/s；所述AD模块(7)的分辨率为16位，有8通道同步输入通道，单通道最大采样率1.25MS/s，输入量程±10V，并且有模拟上升沿触发。
3.根据权利要求1或2所述的火电厂烟气流速测量装置，其特征在于：所述功率放大模块(3)选用OPA549高电压大电流功率运算放大器进行功放电路的设计。
4.根据权利要求3所述的火电厂烟气流速测量装置，其特征在于：所述传声器M1(4)、传声器M2(5)采用电容麦作为声波信号接收器，设计了驻极体传声器信号采集电路，传声器采集电路采用OPA172进行设计。
5.根据权利要求4所述的火电厂烟气流速测量装置，其特征在于：所述信号放大电路模块(6)中采用AD8022芯片进行电压信号放大电路的设计，用于传声器M1(4)、传声器M2(5)连接信号放大电路模块(6)进行信号放大。
6.一种基于权利要求1所述的火电厂烟气流速测量装置的烟气流速测量方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)计算声波在静止烟气中的传播速度
声波在烟道烟气中的传播速度随烟气的温度和烟气组分的变化而变化，烟气组分相对固定，介质成分的相对含量基本不变，在静止的烟气中，声波的传播速度可表示成以下关系式：
式中:c为声波在静止烟气中的传播速度，m/s；γ为介质定压比热与定容比热的比值，与介质成分有关；R为烟气的气体常数；T为热力学温度；m为烟气摩尔质量；Z为烟气常数，对于电厂烟气一般为定值；
(2)计算顺流飞渡时间、逆流飞渡时间
声波在烟气中的实际传播速度等于烟气流速与声波在静止烟气中的传播速度之和；在烟气流向的顺、逆流两个方向上各布置一组扬声器和传声器，通过获取声波在两个声程上的飞渡时间以获取烟气流速信息，扬声器S1(1)发射音频信号，传声器M1(4)接收信号，顺流声程长度为L1声线与介质流速方向夹角为α，顺流飞渡时间τ1可表示为：
同理，扬声器S2(2)发射音频信号，传声器M2(5)接收信号，顺流声程长度为L2声线与介质流速方向夹角为β，逆流飞渡时间τ2可表示为：
(3)计算烟气流速
由公式(2)、(3)可知，烟气流速υ可表示为:
对于固定的安装位置，L1、L2、α、β已知，只要求出τ1、τ2便可求得烟气流速υ。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20221025 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |