一种基于电磁波传播特性对除硫塔的在线监测装置及方法

摘要

一种基于电磁波传播特性对除硫塔的在线监测装置及方法，属于在线监测技术领域，用以解决由于传统检测方式的局限性而导致不能实时在线地对除硫塔喷淋层的雾化液滴状态进行无接触监测的问题。本发明的技术要点包括：通过信号采集模块实时采集除硫塔喷淋层区域的电磁波信号并转换为电压信号；通过信号处理模块对转换后的电压信号进行显示和分析，实时反映线圈传感器中信号与线圈之间液滴场干涉所产生的变化。本发明摆脱了传统检测方式的局限性，能有效避免除硫塔内部复杂工况的干扰，同时进行实时的监测。本发明可应用于其他领域对雾状液滴的实时检测。

说明书

技术领域

本发明涉及在线监测技术领域，具体涉及一种基于电磁波传播特性对除硫塔的在线监测装置及方法。

背景技术

现如今空气污染问题日益突出，尤其是二氧化硫排放量逐年提升，针对不断恶化的环境问题，国家多次调整环境保护方面的法律法规，不断提高二氧化硫排放标准，明确要求燃煤电厂必须配备脱硫设备。当前近90％的燃煤电厂都使用石灰石-石膏法脱硫，石灰石-石膏湿法脱硫工艺采用价廉易得的石灰石或石灰作脱硫吸收剂，石灰石经破碎磨细成粉状与水混合搅拌制成吸收浆液。在除硫塔内，向烟气中喷入吸收浆液，使吸收浆液与烟气接触混合，这样烟气中的SO

现有技术中对液滴场的常见测量方法有：机械测量法、电子测量法、光学测量法。机械测量法是早期的传统雾化效果检测方法，其主要思想是收集保存喷雾液滴，然后进行测量和分析，机械测量法主要包括收集法、液体固化法、液浸法、沉降法和压痕法等

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出一种基于电磁波传播特性对除硫塔的在线监测装置及方法，用以解决由于传统检测方式的局限性而导致不能实时在线地对除硫塔喷淋层的雾化液滴状态进行无接触监测的问题。

根据本发明一方面，提出一种基于电磁波传播特性对除硫塔的在线监测装置，该装置包括信号采集模块和信号处理模块，所述信号采集模块用于采集除硫塔喷淋层区域的电磁波信号，并转换为包含除硫塔喷淋层区域状态信息的电压信号；所述信号处理模块用于对所述电压信号进行显示和分析；所述信号采集模块输出和所述信号处理模块输入相连接。

进一步地，所述信号采集模块包括信号发生器、第一信号放大器、传感器、第二信号放大器、信号调理子模块和采集卡；所述信号发生器输出和所述第一信号放大器输入相连接，所述第一信号放大器和所述传感器输入相连接，所述传感器输出和所述第二信号放大器输入相连接，所述第二信号放大器输出和所述信号调理子模块输入相连接，所述信号调理子模块输出和所述采集卡输入相连接；

所述信号发生器用于产生电压信号；所述第一信号放大器用于对电压信号进行功率放大；所述传感器用于将功率放大后的电压信号转换为电磁波信号传递出去并接收返回的电磁波信号，并转换为包含除硫塔喷淋层区域状态信息的高频电压信号，其中，所述状态信息为雾化液滴浓度；所述第二信号放大器用于对所述高频电压信号进行功率放大；所述信号调理子模块用于将所述高频电压信号转换为低频模拟信号；所述采集卡用于采集所述低频模拟信号并转换为数字电压信号。

进一步地，所述信号处理模块包括显示子模块、交互子模块和分析子模块，所述显示子模块用于显示信号波形和信号波形图表；所述交互子模块用于设定采集参数和采集控制指令输入；所述分析子模块用于根据所述数字电压信号分析除硫塔喷淋层区域内的雾化液滴浓度。

进一步地，所述传感器为线圈传感器，所述线圈传感器包括激励线圈和接收线圈。

进一步地，所述信号处理模块还包括数据存储子模块和报警子模块，所述数据存储子模块用于存储显示数据和分析数据；所述报警子模块用于当分析结果为除硫塔喷淋层区域内的雾化液滴浓度低于预设浓度阈值时发出报警。

根据本发明另一方面，提出一种基于电磁波传播特性对除硫塔的在线监测方法，该方法包括下述步骤：

步骤一、设定采集参数，所述采集参数包括采样频率和记录长度；

步骤二、将传感器放置于除硫塔喷淋层区域，进行电磁波信号采集，并转换为包含除硫塔喷淋层区域状态信息的电压信号；其中，所述状态信息为雾化液滴浓度；所述传感器为线圈传感器，所述线圈传感器包括激励线圈和接收线圈；

步骤三、对所述电压信号进行显示和分析；所述显示包括信号波形显示和信号波形图表显示。

进一步地，步骤二的具体过程包括：

步骤二一、信号发生器产生的电压信号经功率放大后加在传感器两端产生电磁波信号；

步骤二二、对除硫塔喷淋层区域电磁波信号进行采集，并转换为高频电压信号；

步骤二三、将所述高频电压信号经过处理转换为低频模拟信号；

步骤二四、将所述低频模拟信号转换为数字电压信号。

进一步地，步骤三中对所述电压信号进行分析包括根据所述数字电压信号分析除硫塔喷淋层区域内的雾化液滴浓度。

进一步地，在步骤三之后还包括对显示数据和分析数据进行存储。

进一步地，在步骤三之后还包括当分析结果为除硫塔喷淋层区域内的雾化液滴浓度低于预设浓度阈值时发出报警。

本发明的有益技术效果是：

本发明提出一种基于电磁波传播特性对除硫塔的在线监测装置及方法，通过信号采集模块实时采集除硫塔喷淋层区域的电磁波信号并转换为电压信号；通过信号处理模块对转换后的电压信号进行显示和分析，实时反映线圈传感器中信号与线圈之间液滴场干涉所产生的变化；摆脱了传统检测方式的局限性，既不需要机械测量法的取样处理，也不像电子测量法对测量环境有苛刻的要求，与光学测量法相比在成本和耐用性上也有较大的提升。

本发明能有效避免除硫塔内部复杂工况的干扰，并进行实时的监测，有效地对除硫塔内部出现的问题做出及时的判断，由于此项研究目前基本还处于空白状态，因此具有良好的发展空间与潜力。本发明可应用于其他领域对雾状液滴的实时检测。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。

图1是本发明一种基于电磁波传播特性对除硫塔的在线监测装置的原理示意图；

图2是本发明一种基于电磁波传播特性对除硫塔的在线监测装置中信号调理电路图；

图3是本发明一种基于电磁波传播特性对除硫塔的在线监测装置中信号处理模块的功能示意图；

图4是本发明一种基于电磁波传播特性对除硫塔的在线监测方法的示意性流程图；

图5是本发明实施例中一组实验数据的信号波形图；

图6是本发明实施例中一组实验数据的数据拟合图。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

由于石灰石-石膏法脱硫的主要装置是一种吸收塔式结构，在除硫塔使用时一直处于封闭状态，不易监测其工作状况，只有当发现污染物排放超标时才能得到除硫塔发生故障的结论。因此，本发明旨在利用电磁波衰减技术对其喷淋层的雾化液滴进行无接触检测，从而对整个装置的运行情况进行侦测与判断，从而避免超量排放和故障的发生。

基于电磁波传输特性的无损检测技术基本原理是研究电磁波与介质的相互作用来获取结构的状态。主要研究的特性包括电磁波的反射及透射特性，上述传播特性受材料电磁参数的影响，而除硫塔的液滴场会改变这些参数继而影响电磁波的传播特性，即电磁波的传播特性会受到电磁波频率、介质磁导率、电导率及介电常数的影响。

电磁波入射到两种介质交界面时会发生反射、透射吸收等现象。当球形粒子的尺度与波长可比拟时，发生的散射为米散射。此时必须考虑散射粒子体内电荷的三维分布。此散射情况下，散射粒子应考虑为由许多聚集在一起的复杂分子构成，它们在入射电磁场的作用下,形成振荡的多极子,多极子辐射的电磁波相叠加，就构成散射波。又因为粒子尺度可与波长相比拟，所以入射波的相位在粒子上是不均匀的，造成了各子波在空间和时间上的相位差。在子波组合产生散射波的地方，将出现相位差造成的干涉。这些干涉取决于入射光的波长、粒子的大小、折射率及散射角。当粒子增大时，造成散射强度变化的干涉也增大。因此，散射光强与这些参数的关系,不像瑞利散射那样简单，而用复杂的级数表达，该级数的收敛相当缓慢。这个关系首先由德国科学家G.米得出，故称这类散射为米散射。

它具有如下特点：①散射强度比瑞利散射大得多，散射强度随波长的变化不如瑞利散射那样剧烈。随着尺度参数增大，散射的总能量很快增加，并最后以振动的形式趋于一定值。②散射光强随角度变化出现许多极大值和极小值，当尺度参数增大时，极值的个数也增加。③当尺度参数增大时，前向散射与后向散射之比增大，使粒子前半球散射增大。当尺度参数很小时，米散射结果可以简化为瑞利散射；当尺度参数很大时，它的结果又与几何光学结果一致；而在尺度参数比较适中的范围内，只有用米散射才能得到唯一正确的结果。所以米散射计算模式能广泛地描述任何尺度参数均匀球状粒子的散射特点。

本实验的理论基础即为米氏散射理论，利用测量电磁波在燃料雾化液滴中的电磁波衰减情况，来判断雾化液滴是否达到所需的雾化状态。在采用米散射理论进行分析的过程中，由于雾化液滴粒子之间的距离相对于波长而言离得足够远，可以当作稀疏介质来处理。假定散射主要来自粒子的一次前向散射的贡献，那么就可以通过测量计算散射场中的电磁波散射状况，从而达到测量液滴状态的目的。在实际操作过程中只需关注线圈两端的电压变化，即可得到电磁波的衰减状况。

如图1所示，检测系统硬件包括信号发生器、信号放大器、传感器、信号调理电路、采集卡等部分。各部分主要功能如下：

1.信号发生器产生电磁信号，根据需要频率可以调节；

根据本发明实施例，电磁信号的质量对于检测结果影响很大，作为检测系统的信号源，一般要求输出稳定，频率可调，为了能满足多种条件下的检测需求，还要求体积小巧、操作方便等。因此，本发明采用ADF4350信号发生模块，该信号发生模块输出幅值稳定，波形失真率低，频率可调，使用方便。其特点及参数如下：体积小巧，布局合理，携带方便，可适应各种检测环境；输出频率范围为137MHz-4.4GHz,满足实验所需要求。

2.信号放大器具有一定增益，可以对信号进行功率放大，满足实验对信号的要求；

根据本发明实施例，为了保证有足够强的磁场，需在信号发生模块和传感器之间安装信号放大器即第一信号放大器，此外接收线圈接收到的信号也需要进行放大即安装第二信号放大器来驱动后续的信号调理电路。为满足检测要求，信号放大器应具有低噪声、高增益、频带宽等特点，此外为适应多种检测环境还应具有供电方便、散热性好，体积小等特点。

3.传感器是检测系统的重要部分，负责将电磁信号传递岀去并接收返回的包含待测构件状态信息的信号；其中，待测构件为除硫塔喷淋层区域；状态信息为雾化液滴浓度。

根据本发明实施例，将信号发生模块产生的交变信号加在线圈传感器的两端即可产生电磁波，同样地，当变化的电磁场穿过线圈天线，会在天线两端产生感应电动势，此为激励线圈和接收线圈的工作原理。激励线圈也可以当作接收线圈来使用，电磁波遇到待测构件后返回到激励线圈，产生的感应电动势与线圈原有电压相反，因此会削弱两端电压，检测电压变化即可分析液滴场状态。

4.信号调理电路负责将传感器接收到的高频信号转换为低频信号，便于后续处理；

根据本发明实施例，为了使用常用的釆集卡来釆集电磁信号，需要首先对电磁信号进行相应的处理，进行信号的整流和滤波。设计焊接信号调理电路如图2所示。

5.采集卡部分负责采集信号调理电路输出的低频模拟信号，输入电脑内转换为数字信号便于检测软件处理。

根据本发明实施例，信号调理电路处理后的信号仍然是模拟信号，计算机并不能直接处理，因此需要使用采集卡将处理后的信号转换为数字信号以便于后续的分析处理。考虑采样频率、分辨率(应具有较高的分辨率，可以分辨出信号的微小变化)、量程(采集卡量程应大于信号变化范围)、通道数(采集卡应能提供不少于两个通道，且能满足较复杂的检测环境对更多通道数的要求)、兼容性(采集卡应具有良好的兼容性，便于检测系统搭建和迁移以适应各种复杂的检测要求)，选择美国国家仪器(National Instruments,NI)的NICDAQ-9171USB机箱配合NI 9205采集卡。

考虑到NI的硬件产品可以很方便的与LabVIEW平台结合实现更多复杂功能，在LabVIEW平台上开发了与检测系统硬件对应的软件系统。该软件系统可以实现基本的采集控制功能如数据釆集、数据保存、数据回放、报表生成等以及简单的信号处理功能。

软件部分负责控制硬件执行数据采集任务，可以将检测结果显示出来供操作者查看以及保存数据供后续分析。基于检测系统的设计原则和基本功能在LabVIEW平台上开发检测系统软件。开发过程中采用模块化编程，根据功能将软件分为图形显示、参数设定、采集控制以及分析功能四大模块，如图3所示。

程序框图结构整体上为While循环结构内嵌套事件结构，每个事件分枝用于实现一个功能，通过增减分枝实现添加/删除功能，程序运行流程如图4所示。下面简述各模块功能及实现方法：

a.图形显示模块：通过显示选项卡来实现。此模块用以显示采集信号的所有图形结果，包括信号波形结果，信号波形图表结果。

b.参数设定模块：此模块用以设定检测系统参数，参数包括采样频率和记录长度。

采样频率：采样频率的设定遵循采样定理，由于检测硬件里已进行过信号调理，主要为直流信号，采样频率可以设置的相对较低。结合实验数据此处采样频率为默认的20KHz。

记录长度：此处设定检测系统记录的信号的长度，设定之后软件默认只保存设定长度的信号。记录长度的设定视检测对象及检测方案而定，以合理制定检测方案尽可能减少记录时间为宜。

c.采集控制模块：此模块用于控制硬件设备采集信号。

开始采集：控制检测系统硬件采集信号，将信号输出到波形图中。

停止采集：终止采集程序。

数据导出：将波形图的数据导出到excal表格里。

d.分析功能模块：此模块包括一些数据处理、曲线绘制与拟合。

“绘制曲线”：根据导出数据在excal中处理数据并进行曲线绘制。

“曲线拟合”：在excal中对于处理完的数据进行曲线拟合。

进一步地，设计交互模块用于设定采集参数和采集控制指令输入；且分析功能模块中可以根据数字电压信号分析除硫塔喷淋层区域内的雾化液滴浓度。

进一步地，还可以设计数据存储模块和报警模块，数据存储模块用于存储显示数据和分析数据；报警模块用于当分析结果为除硫塔喷淋层区域内的雾化液滴浓度低于预设浓度阈值时发出报警。

具体实施例一

验证本发明的有效性。在实验室进行模拟实验，实验采用高1m，直径约为0.45m的塑料桶模拟除硫塔喷淋层区域(1：10模拟实验，除硫塔实际尺寸为高约20m，直径约为6m)，使用抽水泵(180W)和空心锥切型喷头模拟出喷淋层效果，为防止液滴场效果不均匀，实验时应将喷头固定使液滴场尽可能分布均匀。

整个系统包括三大部分：检测部分，信号激励、调理及采集部分和检测软件部分。检测部分负责固定传感器及待测装置的相对位置，在地面自下左到右依次固定激励线圈、模拟除硫塔以及接收线圈，线圈通过导线与信号激励、调理及采集部分连接。信号激励、调理及采集部分通过USB与计算机相连，此部分负责给检测部分的线圈提供激励并将线圈上的信号釆集处理后传送给计算机供后续处理。检测软件部分负责控制检测硬件执行检测任务、实时显示信号特征量、频谱和包络线显示以及数据的保存。检测软件通过USB对检测硬件进行控制和数据传输。

进行实验安排如下：先用在线监测系统对无液滴场的空桶两边线圈的电压值进行检测，待信号稳定后记录数据，记录数据后，开启抽水泵模拟出液滴场，再次对两边线圈进行实时检测，待数据稳定后，记录数据；将上述实验重复多组，分别记录每组数据(注：每组数据有2000次的连续记录因此实验数据有一定可信度)。提取出数据并且对数据进行处理。

实验中通过测量线圈两端的电压来反映电磁信号的强度。由于激励线圈和接收线圈二者并未连接到同一个放大器以及信号调理电路的特性，此处透信号的变化仅可反映各自变化趋势。一组实验数据如图5所示，其中，图(a)表示存在液滴场-Test1数据；图(b)表示无液滴场的参照组-Cz1数据。

Test1(存在液滴场)“电压0”和“电压1”分为激励线圈和接收线圈电压，将二者数据做差得到第三个数据“差值”并且将每组数据拟合成一条直线(每组图有2000个数据可以拟合出一条直线)；Cz1(无液滴场的参照组)同理处理数据；将Test1和Cz1的差值数据图放置在一起得到新数据图如图6所示。

从图6中可明显看出Test1与Cz1的拟合线存在差值，从而证明了利用电磁波进行无接触实时监测的可行性，限于实验条件与工况限制，可以预测如果更换雾滴参数使其接近除硫塔的实际工况，并记录特定工况下的拟合差值，便能够与除硫塔出现问题时的监测数据进行实时对比，达到对除硫塔的实时非接触监测功能。

本发明实施例采用一体式结构设计，即将全部功能集成到一台设备(主要由个人计算机、USB采集卡、线圈天线、放大器及信号调理电路，放大器可由计算机供电)且尺寸小、拆装方便、适应性强，可以满足大多数条件下的在线检测需求，同时成本较低，从而基于电磁波传播特性设计了一款专门用于在线监测液滴场状况的装置，可以进行深层次检测。

本发明中电磁波监测系统中信号处理软件labview通过信号采集系统和信号处理系统与线圈传感器连接，实时反映线圈中信号与线圈之间液滴场干涉所产生的变化；摆脱了传统检测方式的局限性，电磁波检测法既不需要机械测量法的取样处理，也不像电子测量法对测量环境有苛刻的要求，与光学测量法相比在成本和耐用性上也有较大的提升。

利用电磁波对除硫塔内部进行监测具有很多传统测量方法所不具备的优点，能有效避免除硫塔内部复杂工况的干扰，并进行实时的监测，有效地对除硫塔内部出现的问题做出及时的判断，由于此项研究目前基本还处于空白状态，因此具有良好的发展空间与潜力。同时，对于雾状液滴的检测在其他领域也有着很重要的应用，例如医药、航空与汽车发动机等行业

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

本发明所援引的文献如下：

[1]杨成虎,刘森.喷雾场测试技术研究进展﹒火箭推进,2010,36(4):16-23.

[2]曹建明.喷雾学研究国际进展.长安大学学报:自然科学版,2005,25(1):82-86.

[3]赵家丰，聂万胜，林伟，苏凌宇，仝毅恒.喷雾场内液滴粒径光学测试技术进展.[A].北京.航天工程大学.2019

[4]Li T,Nishida K,Hiroyasu H.Doplet size distribution and evaporationcha racteristics of fuel spmay by a swirl type alomizer.Fuel,2011,90(7):2367-2376

[5]刘定平,陈沛东.几种喷雾效果检测技术的对比分析.[A].广州.华南理工大学.2012