本實(shí)用新型涉及爐膛溫度場(chǎng)重構(gòu)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于聲學(xué)法的爐膛溫度場(chǎng)重構(gòu)裝置。

背景技術(shù)：

在利用鍋爐燃燒化石燃料或其他燃料來(lái)產(chǎn)生熱能或其他二次能源的過(guò)程中，爐膛溫度場(chǎng)的分布情況是反映燃燒過(guò)程、污染物生成情況、設(shè)備狀態(tài)的重要參數(shù)，對(duì)于鍋爐控制和燃燒診斷具有十分重要的意義，還直接影響到鍋爐的經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性能。由于爐膛中的燃燒過(guò)程具有瞬變性、隨機(jī)湍流和環(huán)境惡劣等特征，給有關(guān)熱物理量場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量帶來(lái)了困難，尤其是溫度分布的測(cè)量更加困難。傳統(tǒng)的測(cè)溫技術(shù)上采取高溫?zé)犭娕嫉姆椒▽?duì)燃燒或者煙氣以及其他高溫環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，受元件材料高溫性能的限制和影響，只能做短時(shí)間的測(cè)量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線的監(jiān)測(cè)。聲學(xué)測(cè)溫法作為一種基于聲學(xué)理論的鍋爐燃燒在線監(jiān)測(cè)的新型溫度測(cè)量技術(shù)，受外部條件的影響小，適用于各種高溫、腐蝕、多塵的惡劣環(huán)境。聲學(xué)測(cè)溫法能夠給出整個(gè)爐膛溫度場(chǎng)的各部分準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，能夠?qū)t膛溫度場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量；具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制等諸多優(yōu)點(diǎn)。

聲學(xué)測(cè)溫方法的基本原理是基于聲波在氣體介質(zhì)中的傳播速度是該氣體組分和絕對(duì)溫度的函數(shù)，其關(guān)系可表示為式中，C為介質(zhì)中聲波傳播速度，L飛渡路徑的長(zhǎng)度，τ為聲波的飛渡時(shí)間，α為與介質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，T為介質(zhì)的絕對(duì)溫度。使用采用聲學(xué)法準(zhǔn)確測(cè)定爐內(nèi)介質(zhì)溫度時(shí)需要確定(1)聲波發(fā)射和接收裝置之間的飛渡路徑的長(zhǎng)度L；(2)聲波在發(fā)射、接收裝置之間的飛渡時(shí)間τ。

聲學(xué)測(cè)溫方法的聲波發(fā)射和接收裝置安裝于鍋爐的爐壁上。鍋爐的爐壁是由各種復(fù)雜的管系和鋼結(jié)構(gòu)組成的整體，受熱后將產(chǎn)生膨脹。在鍋爐熱態(tài)運(yùn)行時(shí)，冷態(tài)安裝好的爐壁要膨脹變形；爐內(nèi)受熱面的結(jié)構(gòu)和熱負(fù)荷不同，汽水管道結(jié)構(gòu)及內(nèi)部工質(zhì)熱力參數(shù)不同，產(chǎn)生的膨脹量也不同，無(wú)法用函數(shù)精確表示，且這種膨脹是動(dòng)態(tài)變化的。這導(dǎo)致鍋爐熱態(tài)運(yùn)行時(shí)聲波發(fā)射和接收裝置間的相對(duì)位置會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化，即聲波發(fā)射和接收裝置之間的飛渡路徑的長(zhǎng)度是動(dòng)態(tài)變化的。

現(xiàn)有的聲學(xué)法爐膛溫度場(chǎng)重構(gòu)系統(tǒng)及其方法，系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)聲波發(fā)射和接收裝置間的相對(duì)位置變化情況，在對(duì)溫度場(chǎng)重建時(shí)將飛渡路徑的長(zhǎng)度視為冷態(tài)安裝時(shí)的長(zhǎng)度值或者采取估值補(bǔ)償?shù)姆椒?。如果溫度?chǎng)重構(gòu)時(shí)仍將各聲波飛渡路徑的長(zhǎng)度按照冷態(tài)安裝時(shí)的飛渡路徑長(zhǎng)度進(jìn)行處理、或者按有限經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估值補(bǔ)償，勢(shì)必會(huì)降低溫度場(chǎng)重建的精度，溫度場(chǎng)測(cè)量的不準(zhǔn)確直接影響到運(yùn)行人員的操作，進(jìn)而影響鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種基于聲學(xué)法的爐膛溫度場(chǎng)重構(gòu)裝置，解決現(xiàn)有聲學(xué)法爐膛溫度場(chǎng)重構(gòu)系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)聲波發(fā)射和接收裝置間的相對(duì)位置變化情況，在對(duì)溫度場(chǎng)重建時(shí)將飛渡路徑的長(zhǎng)度視為冷態(tài)安裝時(shí)的長(zhǎng)度值或者采取估值補(bǔ)償?shù)姆椒?，如果溫度?chǎng)重構(gòu)時(shí)仍將各聲波飛渡路徑的長(zhǎng)度按照冷態(tài)安裝時(shí)的飛渡路徑長(zhǎng)度進(jìn)行處理、或者按有限經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估值補(bǔ)償，勢(shì)必會(huì)降低溫度場(chǎng)重建的精度，溫度場(chǎng)測(cè)量的不準(zhǔn)確直接影響到運(yùn)行人員的操作，進(jìn)而影響鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性的問(wèn)題。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種基于聲學(xué)法的爐膛溫度場(chǎng)重構(gòu)裝置，包括設(shè)置鍋爐爐膛內(nèi)設(shè)置若干個(gè)聲波發(fā)生器及與聲波發(fā)生器相適配的聲波拾取器；聲波發(fā)生器和聲波拾取器上設(shè)置有位移檢測(cè)裝置，位移檢測(cè)裝置連接設(shè)置有數(shù)據(jù)采集傳輸裝置；還包括和數(shù)據(jù)采集傳輸裝置、聲波發(fā)生器、聲波拾取器相接的數(shù)據(jù)處理中心；聲波發(fā)生器和聲波拾取器位于爐膛同一個(gè)截面上，聲波發(fā)生器和聲波拾取器構(gòu)成的聲波傳遞路徑分布成平面網(wǎng)絡(luò)狀；聲波發(fā)生器的主發(fā)聲頻率在10±0.2kHz，具有多個(gè)相隔1kHz以上的諧波。

優(yōu)選的，聲波發(fā)生器包括用于將聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電能信號(hào)的換能探頭和用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和濾波功能的信號(hào)調(diào)整電路板；位移檢測(cè)裝置為激光測(cè)距儀。

優(yōu)選的，數(shù)據(jù)處理中心設(shè)置有自適應(yīng)濾波器，該自適應(yīng)濾波器為多通道型數(shù)字帶通濾波器。

優(yōu)選的，數(shù)據(jù)采集傳輸裝置為基于Linux內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)，其處理器采用ARM11內(nèi)核；該嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)置了16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率為100KHz；嵌入式系統(tǒng)還配置有可實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信的RJ45接口。

優(yōu)選的，聲波發(fā)生器為氣動(dòng)式聲波發(fā)生器，聲強(qiáng)在140dB以上；換能探頭為傳聲器，信號(hào)調(diào)整電路板內(nèi)置轉(zhuǎn)折頻率為2kHZ的高通濾波器。

進(jìn)一步的，聲波發(fā)生器選用主發(fā)聲頻率在2～16kHZ，具有多個(gè)相隔1kHz以上的諧波的聲波發(fā)生器。

本實(shí)用新型的有益效果：通過(guò)聲波發(fā)生器、聲波拾取器、位移檢測(cè)裝置三者的配合能夠大幅度地提升溫度場(chǎng)重構(gòu)的精度，從而測(cè)量到更為準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)分布；為運(yùn)行人員的操作提供可靠依據(jù)并為熱工控制的自動(dòng)化裝置提供爐內(nèi)溫度信號(hào)，避免出現(xiàn)燃燒不均、爐膛超溫等影響鍋爐安全運(yùn)行的情況。通過(guò)溫度監(jiān)控，降低鍋爐減溫水耗量，實(shí)現(xiàn)燃燒優(yōu)化、提高鍋爐效率；通過(guò)溫度監(jiān)控，使設(shè)備工作在低NOx生成的溫度區(qū)間，降低污染物生成和排放。

以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行較為詳細(xì)的說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為鍋爐熱膨脹位移計(jì)算的示意圖，

圖3為鍋爐爐膛測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)路徑分布圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例，如圖1、圖2所示，一種基于聲學(xué)法的爐膛1溫度場(chǎng)重構(gòu)裝置，包括設(shè)置鍋爐爐膛1內(nèi)設(shè)置若干個(gè)聲波發(fā)生器2及與聲波發(fā)生器2相適配的聲波拾取器3；聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3上設(shè)置有位移檢測(cè)裝置4，位移檢測(cè)裝置4連接設(shè)置有數(shù)據(jù)采集傳輸裝置5；還包括和數(shù)據(jù)采集傳輸裝置5、聲波發(fā)生器2、聲波拾取器3相接的數(shù)據(jù)處理中心6；聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3位于爐膛1同一個(gè)截面上，聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3構(gòu)成的聲波傳遞路徑分布成平面網(wǎng)絡(luò)狀。聲波發(fā)生器2的數(shù)量與鍋爐爐膛1形狀相關(guān)；聲波發(fā)生器2選用主發(fā)聲頻率在2～16kHZ，優(yōu)選10±0.2kHz，具有多個(gè)相隔1kHz以上的諧波的聲波發(fā)生器。

聲波發(fā)生器2包括用于將聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電能信號(hào)的換能探頭和用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和濾波功能的信號(hào)調(diào)整電路板。

數(shù)據(jù)處理中心6設(shè)置有自適應(yīng)濾波器，該自適應(yīng)濾波器為多通道型數(shù)字帶通濾波器。

數(shù)據(jù)采集傳輸裝置5為基于Linux內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)，其處理器采用ARM11內(nèi)核；該嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)置了16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率為100kHz；嵌入式系統(tǒng)還配置有可實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信的RJ45接口。數(shù)據(jù)處理中心6采用以一臺(tái)IBM服務(wù)器為主設(shè)備，其還附設(shè)外圍設(shè)備用于發(fā)出控制電平信號(hào)。

聲波發(fā)生器2為氣動(dòng)式聲波發(fā)生器2，其發(fā)聲頻率在10±0.2kHz，聲強(qiáng)在140dB以上；換能探頭為傳聲器；信號(hào)調(diào)整電路板內(nèi)置轉(zhuǎn)折頻率為2kHZ的高通濾波器可以有效地濾除低頻背景噪聲的干擾，提升信噪比。位移檢測(cè)裝置4為激光測(cè)距儀。

基于上述爐膛1溫度場(chǎng)重構(gòu)裝置的爐膛1溫度場(chǎng)重構(gòu)方法，包括如下步驟：

步驟(1)：將若干聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3設(shè)置在鍋爐爐膛1的同一截面上，聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3之間的飛渡路徑分布程平面網(wǎng)絡(luò)狀；通過(guò)位移檢測(cè)裝置4測(cè)量出爐膛1冷態(tài)時(shí)各聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3間的飛渡距離數(shù)據(jù)及各聲波發(fā)生器2、聲波拾取器3和鍋爐平面安裝基準(zhǔn)點(diǎn)間的距離及方位角信息數(shù)據(jù)，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集傳輸裝置5錄入數(shù)據(jù)處理中心6；設(shè)定各個(gè)位移檢測(cè)裝置4的參考位置原點(diǎn)，參考位置原點(diǎn)用于求取熱態(tài)時(shí)的橫向位移(安裝水平面上x(chóng)方向位移)和縱向位移(安裝水平面上y方向位移)。

步驟(2)：在爐膛1熱態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)中心依照設(shè)定的時(shí)序控制各個(gè)聲波發(fā)生器2依次發(fā)聲，并實(shí)時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)采集傳輸裝置5讀取各位移檢測(cè)裝置4的位移數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)中心依照單向循環(huán)式時(shí)序控制各個(gè)聲波發(fā)生器2依次發(fā)聲；

步驟(3)：數(shù)據(jù)中心每次獲取各位移檢測(cè)裝置4的位移數(shù)據(jù)后，根據(jù)步驟(1)獲取的鍋爐冷態(tài)時(shí)的聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3間的飛渡距離，使用幾何學(xué)算法計(jì)算出該發(fā)聲時(shí)刻各飛渡路徑的熱態(tài)飛渡距離；如獲得第一測(cè)點(diǎn)7的熱態(tài)橫向位移ΔX₁和縱向位移ΔY₁、第二測(cè)點(diǎn)8的熱態(tài)橫向位移ΔX₂和縱向位移ΔY₂，結(jié)合冷態(tài)時(shí)各聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3與該鍋爐平面安裝基準(zhǔn)點(diǎn)間的距離及方位角信息即可計(jì)算出該發(fā)聲時(shí)刻第一測(cè)點(diǎn)7和第二測(cè)點(diǎn)8間的實(shí)時(shí)熱態(tài)飛渡距離；熱態(tài)飛渡距離得的簡(jiǎn)化計(jì)算方式如下：其中L₁為冷態(tài)調(diào)試期的距離。

步驟(4)：數(shù)據(jù)處理中心6每次通過(guò)聲波拾取器3獲取完聲波波形信號(hào)后，經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波器濾波后，通過(guò)歸一化型互相關(guān)算法計(jì)算出各飛渡路徑上的飛渡時(shí)間；自適應(yīng)濾波器先對(duì)每次聲波信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)分析，抽取其中若干個(gè)幅度峰值處所對(duì)應(yīng)的頻率數(shù)值Fi(n＝1，2，...n)，優(yōu)選地選擇幅度最高的3個(gè)頻率值；構(gòu)造以峰值頻率值為中心頻率的FIR型帶通濾波器，所述的FIR型帶通通濾波器具有的差分方程形式，通過(guò)調(diào)整b_k序列的參數(shù)值構(gòu)造N個(gè)帶通范圍為Fi±0.1khz，滾降率大于120dB的帶通濾波器；使用生成的N個(gè)濾波器依次對(duì)每個(gè)聲波拾取器3的采樣數(shù)據(jù)段進(jìn)行濾波，對(duì)第i個(gè)聲波拾取器3的采樣數(shù)據(jù)段Si進(jìn)行濾波后得到N份經(jīng)濾波后的數(shù)據(jù)對(duì)濾波后的每個(gè)數(shù)據(jù)段使用進(jìn)行規(guī)約化得到對(duì)應(yīng)的規(guī)約化數(shù)據(jù)段其中：Floor()表示向下取整，Vi為數(shù)據(jù)段中第Ti時(shí)刻點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的數(shù)值，MIN為該段數(shù)據(jù)中的最小值，MAX為該段數(shù)據(jù)中的最大值，A為規(guī)約的范圍值，優(yōu)選地A可取4096；將一條路徑上對(duì)應(yīng)于聲波發(fā)射點(diǎn)和聲波接收點(diǎn)的規(guī)約化數(shù)據(jù)按照上標(biāo)匹配的方式進(jìn)行分組，如：對(duì)應(yīng)于聲波發(fā)射點(diǎn)的規(guī)約化數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)于聲波接收點(diǎn)的規(guī)約化數(shù)據(jù)為將其分組為(共計(jì)N組數(shù)據(jù))，將每個(gè)分組數(shù)據(jù)用于互相關(guān)算法求取該組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的飛渡時(shí)間；所述飛渡時(shí)間通過(guò)互相關(guān)算法計(jì)算得到，可表示為：由使得ρ_xy(m)取最大值的m值和采樣頻率確定兩列信號(hào)的飛渡時(shí)間差值，優(yōu)選地計(jì)算ρ_xy(m)值的過(guò)程采用基于FFT及IFFT的快速算法；經(jīng)過(guò)互相關(guān)算法計(jì)算后可以獲取N個(gè)飛渡時(shí)間值，取其算術(shù)平均值或中位值作為該路徑上的飛渡時(shí)間。

步驟(5)：數(shù)據(jù)中心根據(jù)步驟(3)獲取的飛渡距離和步驟(4)獲取的飛渡時(shí)間計(jì)算出各飛渡路徑上的聲波平均速度；聲波平均速度得到方式可表示為：式中，C為介質(zhì)中聲波傳播速度，L為由步驟(3)計(jì)算出的熱態(tài)飛渡距離，τ為步驟(4)計(jì)算出的聲波飛渡時(shí)間。

步驟(6)：數(shù)據(jù)中心根據(jù)步驟(5)獲取的各飛渡路徑上的聲波平均速度通過(guò)溫度場(chǎng)重構(gòu)算法重構(gòu)出爐膛1內(nèi)的溫度場(chǎng)分布；溫度場(chǎng)重構(gòu)算法是一種用于劃分網(wǎng)格類(lèi)型的由最小二乘法方式求解重構(gòu)溫度場(chǎng)的方法。溫度場(chǎng)重構(gòu)算法可表示為：將整個(gè)溫度場(chǎng)劃分成M個(gè)區(qū)域，依次用數(shù)字i(i＝1，2，…，M)表示，每一個(gè)區(qū)域里的溫度是未知的，并且被假設(shè)為均勻的，溫度場(chǎng)重構(gòu)的準(zhǔn)確性取決于溫場(chǎng)劃分的方法，用ΔSik表示第k條聲波路徑穿過(guò)第i個(gè)區(qū)域的路徑長(zhǎng)度，則第k條飛渡路徑的飛渡時(shí)間可以表述為由各路徑的ΔSik按行排列方式構(gòu)造出S矩陣，由各路徑的聲波飛渡時(shí)間τ構(gòu)造出路徑飛渡時(shí)間的列向量T，A是區(qū)域特性列向量，應(yīng)用最小二乘法得S^T·S·A=S^T·T，進(jìn)而得到A=(S^T·S)^-1·S^T·T，各區(qū)域的平均溫度的(其中：Z為鍋爐氣體狀態(tài)確定的常數(shù)，A_i是區(qū)域特性列向量A中對(duì)應(yīng)于第i個(gè)區(qū)域的元素)，將各區(qū)域平均溫度作為區(qū)域幾何中心點(diǎn)的溫度，利用插值(二維插值)算法，便可擬合出整個(gè)待測(cè)二維溫度場(chǎng)。

在步驟(6)之后，數(shù)據(jù)處理中心6將相關(guān)的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送至預(yù)定的設(shè)備處。對(duì)應(yīng)于冷態(tài)20米寬度的爐膛1距離，在鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)其距離會(huì)變化到20.8米。在對(duì)溫度場(chǎng)重構(gòu)時(shí)將飛渡路徑的長(zhǎng)度視為冷態(tài)安裝時(shí)的長(zhǎng)度值，單條飛渡路徑計(jì)算出的平均溫度的誤差約為8.2％，溫度場(chǎng)分布的誤差約在14.6％，誤差較大。采用本實(shí)用新型所述的實(shí)時(shí)飛渡路徑長(zhǎng)度的聲學(xué)法爐膛1溫度場(chǎng)重構(gòu)系統(tǒng)及方法后，單條飛渡路徑計(jì)算出的平均溫度的誤差約為0.2％，溫度場(chǎng)分布的誤差約在0.5％，極大地提升溫度場(chǎng)重構(gòu)的精度，獲得了良好的技術(shù)效果。

實(shí)施例2：基于實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，一個(gè)聲波發(fā)生器2和一個(gè)聲波拾取器3可以采用配對(duì)成套安裝的方式安裝于一個(gè)測(cè)點(diǎn)位置。位移檢測(cè)裝置4安裝在聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3上；當(dāng)聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3成套安裝時(shí)，位于同一測(cè)點(diǎn)的聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3可共用一個(gè)位移檢測(cè)裝置4。各區(qū)域的平均溫度的列向量Tm。

以上結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了示例性描述。顯然，本實(shí)用新型具體實(shí)現(xiàn)并不受上述方式的限制。只要是采用了本實(shí)用新型的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種非實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)；或未經(jīng)改進(jìn)，將本實(shí)用新型的上述構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場(chǎng)合的，均在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。