本發(fā)明涉及基于偽隨機(jī)序列的聲波鍋爐溫度場測量裝置及方法，屬于鍋爐燃燒工藝評(píng)估以及燃燒安全可靠運(yùn)行監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鍋爐是火力發(fā)電企業(yè)重要的生產(chǎn)設(shè)備，其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，關(guān)系到發(fā)電企業(yè)的競爭力和安全性，同時(shí)也涉及重要的環(huán)保問題。據(jù)報(bào)道，在火電成本中，燃料費(fèi)用一般占70％以上，因此，如果鍋爐燃燒得到優(yōu)化，就可以降低煤耗，提高發(fā)電效率。鍋爐燃燒參數(shù)測量、監(jiān)測儀表也就成為必須，其中爐膛溫度測量則是評(píng)估鍋爐燃燒充分與否以及防止燃燒偏斜等安全監(jiān)控的重要依據(jù)。如圖1所示，聲波測溫原理是：鍋爐腔體兩側(cè)設(shè)置有左側(cè)工位和右側(cè)工位，兩個(gè)工位均設(shè)置有電致發(fā)聲單元和傳感器，從左側(cè)工位電致發(fā)聲單元發(fā)出的信號(hào)通過已知鍋爐空腔長度，經(jīng)過飛渡時(shí)間,如圖2所示，達(dá)到右側(cè)工位傳感器。飛渡時(shí)間可以通過左側(cè)、右側(cè)工位的傳感器信號(hào)離散化并做相關(guān)得到。根據(jù)下面的公式,則可以得到該溫度下聲波傳輸?shù)钠骄俣?。而氣體中聲音的傳播速度與溫度具有函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而得到聲源到傳感器的不同路徑的當(dāng)前平均溫度T。

式中：v為可計(jì)算得到的聲波傳播路徑的平均速度(m/s)；s為可實(shí)測得到的聲波傳播路徑的距離(m)；t為聲波傳播路徑的飛渡時(shí)間(s)；r為氣體比熱，在常壓下氣體的比熱是一個(gè)常數(shù)；R為摩爾氣體常數(shù)(8.314J/mol)；T為絕對(duì)溫度(K)；M為氣體摩爾重量(kg/mol)。

如圖3所示，現(xiàn)有技術(shù)中鍋爐腔體內(nèi)每一層設(shè)置有8個(gè)工位，每個(gè)工位設(shè)置電致發(fā)聲單元和傳感器，其傳輸路徑如圖4所示。原理如下：其中一個(gè)工位作為聲源向四周發(fā)出聲波信號(hào)，周圍六個(gè)工位則開始接收信號(hào)。根據(jù)圖1和圖2中的相同原理，已經(jīng)知道路徑長度，根據(jù)聲波的傳輸時(shí)間，就可以知道當(dāng)前溫度下的平均速度。得到各個(gè)路徑的平均溫度后，物理上將爐膛空間分塊，進(jìn)而構(gòu)建出準(zhǔn)確的鍋爐溫度場。

但是，現(xiàn)有技術(shù)中，每次只是一個(gè)工位作為聲源，其余作為接收單元，輪詢一次要很長時(shí)間，尤其工位較多的情況下，效率非常低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有鍋爐溫度場測量裝置存在的上述缺陷，提出了一種基于偽隨機(jī)序列的聲波鍋爐溫度場測量裝置及方法，快速、實(shí)時(shí)、可靠地對(duì)爐膛內(nèi)部空腔燃燒氣體的 溫度進(jìn)行測量。

本發(fā)明是采用以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于偽隨機(jī)序列的聲波鍋爐溫度場測量裝置，包括數(shù)字信號(hào)處理單元、多路同步ADC采集單元、n個(gè)信號(hào)整定放大單元、n個(gè)傳感器、多路同步DAC輸出單元、n個(gè)信號(hào)整定單元，n個(gè)功率放大單元和n個(gè)電致發(fā)聲單元，其中，n≥2；

傳感器檢測到的信號(hào)依次通過相應(yīng)的信號(hào)整定放大單元、多路同步ADC采集單元變成離散數(shù)字信號(hào)并傳遞給數(shù)字信號(hào)處理單元，數(shù)字信號(hào)處理單元對(duì)離散數(shù)字信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析并產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列依次通過多路同步DAC輸出單元、信號(hào)整定單元、功率放大單元傳遞給電致發(fā)聲單元發(fā)出。

進(jìn)一步地，鍋爐的爐壁上設(shè)置有傳感器，各傳感器構(gòu)成平面或立體結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，每層傳感器包括至少八個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器等高且均勻分布于爐壁的邊上。

進(jìn)一步地，電致發(fā)聲單元和傳感器固定于共鳴腔上，共鳴腔位于鍋爐的爐壁內(nèi)側(cè)。

一種基于偽隨機(jī)序列的聲波鍋爐溫度場測量方法，包括如下步驟：

步驟一：數(shù)字信號(hào)處理單元實(shí)時(shí)采集各工位的本底噪聲，并分析工位的本底噪聲頻譜；

步驟二：數(shù)字信號(hào)處理單元為各工位產(chǎn)生一段原始偽隨機(jī)序列，原始偽隨機(jī)序列各不相同且避開當(dāng)前的本底噪聲頻譜；

步驟三：數(shù)字信號(hào)處理單元在設(shè)備投入使用前預(yù)先得到工位的電致發(fā)聲單元和傳感器的頻響特性以及聲波傳播衰減特性，數(shù)字信號(hào)處理單元根據(jù)此特性對(duì)原始偽隨機(jī)序列進(jìn)行預(yù)加重，使得最終輸出的信號(hào)相對(duì)于原始偽隨機(jī)序列失真度最??；

步驟四：經(jīng)過多路同步DAC輸出單元同時(shí)輸出n個(gè)偽隨機(jī)序列，產(chǎn)生n個(gè)模擬信號(hào)；

步驟五：產(chǎn)生的模擬信號(hào)經(jīng)過信號(hào)整定單元進(jìn)行濾波和增益放大；

步驟六：產(chǎn)生的模擬信號(hào)進(jìn)一步經(jīng)過功率放大單元放大并輸出給電致發(fā)聲單元；

步驟七：電致發(fā)聲單元產(chǎn)生聲音振動(dòng)并傳播給對(duì)應(yīng)的傳感器；

步驟八：數(shù)字信號(hào)處理單元采集多路同步ADC采集單元輸出的數(shù)據(jù)，本地傳感器ADC數(shù)據(jù)序列與本地偽隨機(jī)序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，獲得本次信號(hào)輸出質(zhì)量的評(píng)估；

步驟九：同時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理單元對(duì)有效聲波傳播路徑兩端的兩個(gè)ADC數(shù)據(jù)序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算出該路徑的平均溫度。

進(jìn)一步地，步驟四中，偽隨機(jī)序列經(jīng)多路同步DAC輸出單元變成模擬信號(hào)序列，該偽隨機(jī)序列在送到多路同步DAC輸出單元輸出之前，根據(jù)預(yù)先得到的電致發(fā)聲單元頻響特性與傳感器頻響特性以及聲波傳播衰減特性得到的合成頻響曲線進(jìn)行數(shù)字預(yù)加重的校正處理，使輸出的信號(hào)失真度最小。

進(jìn)一步地，步驟七中，處理單元對(duì)異常信號(hào)評(píng)估并決定處理通常是延時(shí)一段時(shí)間，然后 重新測量。

進(jìn)一步地，步驟八中，多路同步ADC采集單元測量范圍極寬，保證大信號(hào)不會(huì)過載且小信號(hào)信噪比較好。

進(jìn)一步地，步驟八中，本底的傳感器的采集到的信號(hào)首先與本底原始偽隨機(jī)序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，相關(guān)結(jié)果作為本底發(fā)聲質(zhì)量的判定；有效路徑上的異地傳感器信號(hào)再與其作相關(guān)運(yùn)算得到聲波傳播的飛渡時(shí)間。

進(jìn)一步地，步驟九中，所有路徑的ADC數(shù)據(jù)序列均為一次性獲得，一次發(fā)聲就可以得到所有有效路徑的平均溫度。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明所述的基于偽隨機(jī)序列的聲波鍋爐溫度場測量裝置及方法，發(fā)射的是數(shù)字信號(hào)處理單元預(yù)先計(jì)算好的偽隨機(jī)序列，該序列在發(fā)射之前測量爐膛內(nèi)本底噪聲頻率分析后得到的，用以避開干擾頻段，該措施使得一次成功率提高；

(2)本發(fā)明所述的基于偽隨機(jī)序列的聲波鍋爐溫度場測量裝置及方法，偽隨機(jī)序列經(jīng)DAC電路變成模擬信號(hào)序列，該偽隨機(jī)序列在送到DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)之前，根據(jù)電致發(fā)聲單元頻響與傳感器頻響以及聲波傳播衰減特性得到的合成頻響曲線進(jìn)行數(shù)字化的預(yù)加重的校正處理，使本底輸出的振動(dòng)信號(hào)清晰完整，提高了信號(hào)輸出質(zhì)量，保證了成功率；

(3)本發(fā)明所述的基于偽隨機(jī)序列的聲波鍋爐溫度場測量裝置及方法，本地傳感器的采集到的信號(hào)首先與本底原始偽隨機(jī)碼進(jìn)行相關(guān)，相關(guān)結(jié)果作為本底發(fā)聲質(zhì)量的判定；異地的傳感器信號(hào)再與其作相關(guān)運(yùn)算得到飛渡時(shí)間，這樣的措施減少了誤判；

(4)本發(fā)明所述的基于偽隨機(jī)序列的聲波鍋爐溫度場測量裝置及方法，不同的工位發(fā)射的承載偽隨機(jī)碼序列的聲波不同，所以多個(gè)工位可以同時(shí)工作，不會(huì)彼此干擾，系統(tǒng)可以在很短時(shí)間內(nèi)完成測量，提高了實(shí)時(shí)性。

附圖說明

圖1是聲波測溫裝置基本原理圖。

圖2是傳感器采集到的聲波在空氣中傳播延時(shí)示意圖。

圖3是現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是現(xiàn)有技術(shù)的聲音傳播有效路徑圖。

圖5是本發(fā)明的原理流程框圖。

圖中：1、電磁閥或者揚(yáng)聲器激勵(lì)信號(hào)源；2、爐膛。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例一：

如圖5所示，本發(fā)明所述的基于偽隨機(jī)序列的聲波鍋爐溫度場測量裝置，包括數(shù)字信號(hào)處理單元、多路同步ADC采集單元、n個(gè)信號(hào)整定放大單元、n個(gè)傳感器、多路同步DAC輸出單元、n個(gè)信號(hào)整定單元，n個(gè)功率放大單元和n個(gè)電致發(fā)聲單元，其中，n≥2；

傳感器檢測到的信號(hào)依次通過相應(yīng)的信號(hào)整定放大單元、多路同步ADC采集單元變成離散數(shù)字信號(hào)并傳遞給數(shù)字信號(hào)處理單元，數(shù)字信號(hào)處理單元對(duì)離散數(shù)字信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析并產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列依次通過多路同步DAC輸出單元、信號(hào)整定單元、功率放大單元傳遞給電致發(fā)聲單元發(fā)出。

鍋爐的爐壁上設(shè)置有傳感器，各傳感器構(gòu)成平面或立體結(jié)構(gòu)。

每層傳感器包括至少八個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器等高設(shè)置且均勻分布于爐壁的邊上。

電致發(fā)聲單元和傳感器固定于共鳴腔上，共鳴腔位于鍋爐的爐壁內(nèi)側(cè)。

一種基于偽隨機(jī)序列的聲波鍋爐溫度場測量方法，包括如下步驟：

步驟一：數(shù)字信號(hào)處理單元實(shí)時(shí)采集各工位的本底噪聲，并分析工位的本底噪聲頻譜；

步驟二：數(shù)字信號(hào)處理單元為各工位產(chǎn)生一段原始偽隨機(jī)序列，原始偽隨機(jī)序列各不相同且避開當(dāng)前的本底噪聲頻譜；

步驟三：數(shù)字信號(hào)處理單元在設(shè)備投入使用前預(yù)先得到工位的電致發(fā)聲單元和傳感器的頻響特性以及聲波傳播衰減特性，數(shù)字信號(hào)處理單元根據(jù)此特性對(duì)原始偽隨機(jī)序列進(jìn)行預(yù)加重，使得最終輸出的信號(hào)相對(duì)于原始偽隨機(jī)序列失真度最?。?/p>

步驟四：經(jīng)過多路同步DAC輸出單元同時(shí)輸出n個(gè)偽隨機(jī)序列，產(chǎn)生n個(gè)模擬信號(hào)；

步驟五：產(chǎn)生的模擬信號(hào)經(jīng)過信號(hào)整定單元進(jìn)行濾波和增益放大；

步驟六：產(chǎn)生的模擬信號(hào)進(jìn)一步經(jīng)過功率放大單元放大并輸出給電致發(fā)聲單元；

步驟七：電致發(fā)聲單元產(chǎn)生聲音振動(dòng)并傳播給對(duì)應(yīng)的傳感器；

步驟八：數(shù)字信號(hào)處理單元采集多路同步ADC采集單元輸出的數(shù)據(jù)，本地傳感器ADC數(shù)據(jù)序列與本地偽隨機(jī)序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，獲得本次信號(hào)輸出質(zhì)量的評(píng)估；

步驟九：同時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理單元對(duì)有效聲波傳播路徑兩端的兩個(gè)ADC數(shù)據(jù)序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算出該路徑的平均溫度。

步驟四中，偽隨機(jī)序列經(jīng)多路同步DAC輸出單元變成模擬信號(hào)序列，該偽隨機(jī)序列在送到多路同步DAC輸出單元輸出之前，根據(jù)預(yù)先得到的電致發(fā)聲單元頻響特性與傳感器頻響特性以及聲波傳播衰減特性得到的合成頻響曲線進(jìn)行數(shù)字預(yù)加重的校正處理，使輸出的信號(hào)失真度最小。

步驟七中，處理單元對(duì)異常信號(hào)評(píng)估并決定處理通常是延時(shí)一段時(shí)間，然后重新測量。

步驟八中，多路同步ADC采集單元測量范圍極寬，保證大信號(hào)不會(huì)過載且小信號(hào)信噪比較好。

步驟八中，本底的傳感器的采集到的信號(hào)首先與本底原始偽隨機(jī)序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，相關(guān)結(jié)果作為本底發(fā)聲質(zhì)量的判定；有效路徑上的異地傳感器信號(hào)再與其作相關(guān)運(yùn)算得到聲波傳播的飛渡時(shí)間。

步驟九中，所有路徑的ADC數(shù)據(jù)序列均為一次性獲得，一次發(fā)聲就可以得到所有有效路徑的平均溫度。

實(shí)施例二：

本發(fā)明所述的基于偽隨機(jī)序列的聲波鍋爐溫度場測量裝置，由數(shù)字信號(hào)處理單元，多路同步ADC采集單元、信號(hào)整定放大單元、傳感器組、多路同步DAC輸出單元、信號(hào)整定單元、功率放大單元、電致發(fā)聲單元構(gòu)成。每個(gè)工位安裝振動(dòng)傳感器和電致發(fā)聲單元。傳感器將接收到的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電致發(fā)聲單元將功率放大單元的電信號(hào)變成機(jī)械振動(dòng)。

需要說明的是，由于電致發(fā)聲單元是電壓驅(qū)動(dòng)，可以發(fā)送需要的信號(hào)，在這里發(fā)射的是一種偽隨機(jī)碼序列。傳統(tǒng)的聲波溫度測量裝置時(shí)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)空氣炮，完全是一種沒有任何規(guī)律的噪聲信號(hào)。這種噪聲信號(hào)不可控，與鍋爐爐膛2內(nèi)的燃燒噪聲無法區(qū)分。而本發(fā)明發(fā)射的聲音信號(hào)是可控的，而且根據(jù)發(fā)聲裝置、傳感器的頻響以及聲波傳播衰減特性進(jìn)行矯正，也就是預(yù)加重，使得輸出的聲音振動(dòng)平坦。

實(shí)施例三：

本發(fā)明可以預(yù)先跟蹤爐膛2內(nèi)的本底噪聲，據(jù)此對(duì)產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行控制，避開高幅值的干擾頻譜。本發(fā)明發(fā)射的聲音信號(hào)是可控的，且可以對(duì)每個(gè)工位輸出不同的偽隨機(jī)碼序列。這樣做的好處是各個(gè)工位甚至可以同時(shí)工作，而不是輪詢，這大大提高了測試速度。

實(shí)施例四：

本發(fā)明同時(shí)針對(duì)鍋爐的高背景噪聲場景，在大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，如何從淹沒在噪聲環(huán)境中提取偽隨機(jī)序列，本發(fā)明采用的傳感器信號(hào)調(diào)理電路和多通道同步ADC具有高信噪比、大動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)，這保證了測量的一次成功率。

實(shí)施例五：

圖1中鍋爐的爐膛2兩側(cè)各安放有電磁閥或者揚(yáng)聲器激勵(lì)信號(hào)源1，兩者之間的爐膛2距離已知。圖2中，通過傳感器采集到的聲波在空氣中傳播延時(shí)示意圖，可以明顯的看出左右兩側(cè)的電磁閥或者揚(yáng)聲器激勵(lì)信號(hào)源1幅值有相差時(shí)間t的延遲。圖3和圖4中，假設(shè)爐膛2為方形，每個(gè)邊長上設(shè)置有兩組電磁閥或者揚(yáng)聲器激勵(lì)信號(hào)源1，當(dāng)其中一個(gè)電磁閥或者揚(yáng)聲器激勵(lì)信號(hào)源1發(fā)射信號(hào)時(shí)，另外的電磁閥或者揚(yáng)聲器激勵(lì)信號(hào)源1將作為接收端開 始接收信號(hào)。

當(dāng)然，上述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例范圍。本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍內(nèi)。