火电厂一次风粉流速在线测量系统

许鹏羽，管磊，胡香儒

(西安理工大学自动化与信息工程学院 陕西 西安 710048)

火电厂一次风粉流速在线测量系统

许鹏羽，管磊，胡香儒

(西安理工大学自动化与信息工程学院 陕西 西安 710048)

编者按：2015年9月20日，首届“萨驰杯”智能科技创新大赛决赛在苏州大学敬贤堂成功举办。大赛由萨驰华辰机械（苏州）有限公司主办，中国石油和化工勘察设计协会橡胶塑料设计专业委员会、中国橡胶工业协会机械模具分会、《橡塑技术与装备》杂志社、上海交通大学机械与动力工程学院、哈尔滨工业大学机电工程学院、东南大学机电工程学院、苏州大学机电工程学院、青岛科技大学、西门子工厂自动化工程有限公司及罗克韦尔自动化（中国）有限公司共同协办。

为共同促进我国科技教育多元化，实现中国制造2025的中长期目标提供有力的支持，促进企业文化活跃橡塑行业科技文化事业发展。本刊将分期连续选登参赛作品，以供业内人士全方位、宽领域了解科技发展动态。

针对火电厂一次风粉流速在线测量直接关系到火电厂安全、经济、环保、高效运行的情况，本文提出了一种基于静电传感器的气固两相流流速测量系统，采用静电传感器结合互相关算法这一研究方法来检测风粉速度，主要从理论分析和实验方面进行了研究，实验结果表明所提出的速度测量系统误差小、稳定度高、对环境的适应性强。

静电传感器；速度测量；气固两相流；风粉流速

在火电厂燃煤锅炉的生产运行过程中，煤粉的速度是影响锅炉生产效率、安全运行非常重要的参数之一，对节约能源、减小污染排放也有着深远的意义。火电厂一次风粉输送中，风粉速度过快，会造成煤粉管道磨损加剧、煤粉消耗过大；风粉速度过慢，会造成管道内颗粒沉积，仓壁结拱，堵塞管道，并且煤粉没有充分燃烧，会造成能源浪费及有害气体产生，对传输管道中气固两相流的速度测量及监控直接关系到产品的质量、生产过程的稳定、能量供给的平衡。近年来国内外对于气固两相流速度测量有不少研究，有电学技术、超声波技术、激光多普勒技术、核磁共振方法、热力学法等，以上技术传感器都有过开发或改进，从投资、操作、维护费用等角度来看，静电传感器技术是最具有吸引力的，利用静电传感器来探测风粉与传感器探头摩擦、碰撞所产生的静电电荷，风粉速度的测量作为技术上的一个挑战，也需要多种学科技术的融合，在当前研究比较的所有技术方案中，静电传感器技术与先进的互相关信号处理技术结合提供了最具有开发前景，低成本且有效的解决方案。

1 静电传感器及系统硬件设计

速度测量系统由二个静电传感器，两个前置放大电路，单片机和微机组成。静电传感器电极是获取气固两相流流动参数的最基本环节，其性能的优劣直接影响系统的准确性和快速性。

1.1 静电传感器的设计

传感器是一个纯钢架结构，要求它的可靠性比较高，耐强度性大，而且各个模块结构又美观的特点。初步设计传感器的结构图，如图1所示。

图1 静电传感器结构

1.2 信号放大电路的设计

1.2.1 前置放大电路的设计

由于静电传感器输出电压信号幅值小、阻抗较大、频率低的特点，特别是气固两相流在稀相的情况下，输出电压信号是毫伏级，为了能够将这种微弱的信号放大，应该选择一款高输入阻抗、低失调电压和低输出噪声的精密运算放大器。所以前置放大电路采用OP07芯片。这样设计的电路具有输入电阻高、噪声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抵制比大、线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力，提高了检测电路的灵敏度。为了降低对下级电路的要求，可以将信号放大一定的倍数（如图2）大，太高的放大倍数会造成输出信号的漂移。

图2 放大电路

1.2.2 程控放大电路的设计

图3 程控放大电路

程控放大电路我们采用的是可编程芯片PGA202和PGA203。PGA202是十进制模型，增益可调范围为1、10、100、1 000；PGA203是二进制模型，增益可调范围为1、2、4、8。将PGA202、PGA203两块芯片级联，从而构成增益在1-8000范围内可调的后级放大电路。由于固体颗粒在流动、传输过程中其流速、浓度及带电量都会发生变化，就会造成传感器输出信号的强弱随之变化，通常在毫伏级左右。所以，仍需要有电压放大电路，才能使静电电压信号达到合适的值，而根据PGA202、PGA203增益可调的特点，就可实时地调节增益倍数来达到调节信号测量范围的目的。数字控制增益可编程的仪用放大器PGA202、PGA203的输入级由FET组成，且共模抑制比高，偏置电流低，非线性误差小，可以用于高阻抗的传感器信号放大以及需要快速建立时间的数据采集系统，并在数据采集系统、自动量程转换电路中均有广泛应用，如图3所示。

1.3 信号采集系统

选择XS128单片机，该款单片机具有逐次逼近型A/D转换模块实现模数转换，A/D转换速度快、精度高、成本低、是直接变换的转换器，具有8位、10位和12位转换精度，采样时间可编程， 1到16位的转换序列长度、连续转换模式和多通道扫描模式。

为了使采集到的信息可以再计算机界面上显示出来，在单片机的数据采集系统中加入了RS-232通信，实现单片机与计算机的通信，将单片机从传感器采集到的信息，经过相关运算处理后在计算机界面上显示出来。

SD卡拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性，将采集到的数字量保存至SD卡，如图4所示。

图4 信号采集单元硬件结构图

2 测速算法

2.1 互相关法

如果从上、下游传感器获得的流动噪声信号 x(t)和 y(t)分别是来自各态历经的平稳随机过程{x(t)}和{y(t)}的一个样本函数，则它们的互相关函数可由下述时间平均运算得：

实际上，为了满足测量实时性的要求，式（1）的时间平均运算只能在有限的时间范围内进行。因此，一般相关器只是完成下面这个积分：

将其化为离散形式，便于计算机编程：

其中，有限长序列 x(n)及y(n)的卷积公式为：

将式(3)和式(4)相比较，可以得到相关和卷积的时域关系：

X* (k)和Y(k)均可用 FFT 算法求得，把X* (k) Y(k)经反变换就可求得Rxy(m)。假设x(t)和y(t)均取N个样点。从FFT算法可知，求X* (k)和Y(k)各需1/2 log2N次计算，求X* (k)Y(k)的乘积需要 N 次运算，求需要1/2log2N次运算。所以共要N +log2N次运算。由于 FFT 的高效率计算，在频域中计算相关函数将比时域中直接计算要快许多倍。互相关测速原理图，如图5所示。

图5 互相关测速原理图

如图5所示，传感器分为上游传感器和下游传感器，根据交流电荷感应原理，即风粉颗粒在流经一对传感器时，在上下游传感器探头上感应等量随机电荷信号，两组随机信号在信号处理单元中经过交相关数学模型计算后就能获得二个信号的高精度时差(风粉经过两个传感器所用时间)△t；上下游传感器之间的距离是恒定的L，利用公式：V(m/s)＝L(m)/△t(s)可以准确的计算出风粉绝对流速。

2.2 绝对差值法

通过对上下游两个通道的模拟信号按照一定的采样周期r进行数据采样，得到两个离散的数据序列X(n)和Y(n)，对这两个序列做绝对差值运算，X(n)和Y(n)的绝对差值运算公式如下：

经过绝对差值运算，也可以得到一个离散的序列E(m)，这个序列求最小值所对应的m值，就是所要求的渡越点数，如果渡越点数m=m0，则渡越时间为t=m0T，已知上、下游极板间距L=50 mm，根据速度计算公式v=L/τ，就完成了固体颗粒的速度测量。

3 系统测试与误差分析

3.1 速度的测量

速度测量，主要由互相关算法或者绝对差值法，算出上下游信号的渡越时间τ，然后由v=L/τ得到。下面利用一组数据说明信号的相似性，采集频率为20 kHz，采集点数为4 096，如图6所示。

图6 上下游信号图

3.1.1 互相关法速度测量的数据：

采集频率在20 kHz，采集点数为4 096个，传感器的长度L分别为130 mm、100 mm时的数据，如表1，表2。

表1 L=130 mm,采集频率为20 kHz时的数据

表2 L=100 mm,采集频率为20 kHz时的数据

3.1.2 绝对差值法速度测量的数据

采集频率在20 kHz，采集点数为4 096个，传感器的长度L分别为130 mm、100 mm时的数据，如表3，表4。

表3 L=130 mm,采集频率为20 kHz时的数据

表4 L=100 mm,采集频率为20 kHz时的数据

3.2 数据分析

从表1和表2以及表3和表4对比可看出，当流速比较低时，误差比较大，随着流速的提高，误差减小，这是因为当流速比较低时，上下游信号的相似度降低，相抵误差比较大，随着速度的升高，上下游信号的相似度升高，相对误差减小；还有L=100 mm和L=75 mm时对测量精度影响较小。

通过对两种不同方法测量数据的对比发现，互相关法虽然在计算时间上稍有延迟，但是其计算精度要比绝对差值法更为精确，而且绝对差值法在对噪声加大幅值后，其相对误差已远远超过要求的范围，因此如果要求高精度，互相关法要比绝对差值法更为合适。

4 结论

本文主要研究了静电传感器工作机理,根据静电传感器输出信号特性，设计了一套较完整的基于静电法测量系统，本论文通过静电法理论分析、设计和实验研究证明，基于静电相关原理的测速系统能达到较高的精度，并具有良好的重复性和测速范围，该测试系统是可行的。同时对相关的一些算法进行了研究，最后通过系统实验整体评价了系统的综合性能，因为其具有低成本，高灵敏度，所以应于固相速度和浓度的测量，具有很广阔的应用空间。

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Primary air f ow rate online measurement system for thermal power plant

Primary air f ow rate online measurement system for thermal power plant

Xu Pengyu,Guan Lei,Hu Xiangru
(Xi’an university of science and technology,Xi’an 710048, Shanxi,China)

Primary air flow rate online measurement system is directly related to safety, economy, environmental protection and eff cient operation of thermal power plants. This paper proposes a gas-solid two-phase flow velocity measuring system based on electrostatic sensor,which using electrostatic senso combining with algorithm to test air f ow rate. This paper Mainly studied rom the aspects of theory analysis and experiment, and results show that the proposed speed measurement system error is small, high stability and strong adaptability to the environment.

electrostatic sensor; velocity measurement; gas-solid two phase f ow; air f ow rate

TK229.63

1009-797X(2016)06-0110-05

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.06.042

(R-03)

许鹏羽，男，学生，西安理工大学自动化与信息地专业。

获奖情况：本文获“首届‘萨驰杯’智能科技创新大赛”优秀奖。

2015-10-26