基于超声波炉膛高温测量系统的研究

摘要

大型燃煤电站锅炉中,炉膛温度的准确测量对于实现锅炉安全、高效及低污染排放有着重要的研究意义和应用价值。但由于炉膛燃烧过程具有环境恶劣、设备尺寸庞大、瞬态变化、随机湍流等特征,给实际炉膛温度的在线测量带来困难,因此需要寻求更为准确,可靠的炉膛温度检测技术。基于声波的温度测量技术具有非接触、对测量对象无干扰等优点,能够实现锅炉燃烧的实时在线监测。然而产生强大可靠的不受炉内严重背景噪声干扰的可探测声波信号一直是阻碍声波温度测量方法在大型电站锅炉上广泛商业化使用的主要技术挑战,同时由于国内开展这项研究工作的时间较晚,因此国内声波测温技术的研究基本上还处于实验室研究阶段。超声波在传播中具有良好的束射性和方向性,而且成本低廉、易于产生、检测技术难度相对较小,在很多领域得到广泛应用。本文从声学测温的基本理论出发,针对燃煤锅炉的高噪声环境,设计了一种基于超声波的单路径声学测温装置。
　　 本文以新型声学高温装置如何实现声波飞行时间的精确测量为主要研究对象,参考雷达中的脉冲压缩技术以及信号处理技术中的互相关函数分析方法,将低频伪随机二进制序列(PRBS)与高频载波信号相调制用以激励超声传感器向外发送超声波编码信号,在接收端对声波信号进行相关计算(或匹配滤波),从而实现渡越时间(TOF)的精确测量。
　　 本文详细介绍了声学测温装置各组成部分,对以变压器为核心的超声换能器驱动电路和高精度的声波接收电路的设计进行了细致的讲解。同时还分析了m序列参数选择方法及其与超声载波的调制方式,研究了基于FFT的常规时延估计算法,并对相关算法的采样频率和积分点数进行了分析。根据声波在气流中的传播特性,分析了气流对声波扰动的影响,提出了一种风速校正方法,即通过测量同一路径上正反向声波飞行时间从而得到时间数,用时间数代替传统意义上的声波飞行时间。
　　 在室温下、模拟背景噪声环境中,对相关分析法进行了试验验证。试验表明,该装置互相关峰值明显,能准确测量声波飞行时间,其抗干扰能力强、可靠性高。同时在户外对测温装置进行了风速校正试验,试验结果表明,本文提出的校正方法可以减小气流流动对测量结果精度的影响。