安連鎖, 李庚生, 張世平, 沈國(guó)清, 馮 強(qiáng), 鄧 喆

(華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)

現(xiàn)代電站燃煤鍋爐參數(shù)的日益提高,對(duì)爐內(nèi)燃燒狀況的監(jiān)測(cè)提出了更高的要求.獲得準(zhǔn)確的爐內(nèi)溫度場(chǎng)對(duì)精確監(jiān)測(cè)鍋爐的燃燒與運(yùn)行狀況具有十分重要的意義.國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法進(jìn)行了研究和探索,聲學(xué)法作為其中一種非接觸性測(cè)溫方法,能適應(yīng)高溫、腐蝕和多塵的惡劣環(huán)境,并且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1].對(duì)于電站鍋爐這種大空間、強(qiáng)噪音的工作環(huán)境,聲源的選擇至關(guān)重要.在聲波飛渡時(shí)間的測(cè)量中,張曉東等[2]提出了基于互相關(guān)的方法,并對(duì)掃頻信號(hào)的互相關(guān)性做了簡(jiǎn)單研究;楊祥良等[3]對(duì)電聲源做了試驗(yàn)研究,表明電聲源因其構(gòu)造簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì)可以用于聲學(xué)測(cè)溫.筆者借助聲學(xué)測(cè)溫實(shí)驗(yàn)臺(tái),在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)不同頻段的掃頻信號(hào)進(jìn)行了研究,并且在國(guó)內(nèi)某300 MW電站鍋爐上進(jìn)行了熱態(tài)試驗(yàn).

1 聲學(xué)測(cè)溫原理

圖1為單路徑聲學(xué)測(cè)溫示意圖.聲波信號(hào)由爐膛左側(cè)測(cè)點(diǎn)的聲波發(fā)生器發(fā)出,被左右兩側(cè)的接收器測(cè)到,通過(guò)聲波飛渡時(shí)間的測(cè)量,可以用來(lái)確定聲波在傳播路徑上的平均速度.根據(jù)平面波的運(yùn)動(dòng)方程、平面波的波動(dòng)方程以及氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)出聲波測(cè)溫的原理方程[4-5]如下:

式中:τ為聲波飛渡時(shí)間,s;L為測(cè)點(diǎn)距離,m;c為介質(zhì)中聲波的傳播速度,m/s;R為理想氣體普適常數(shù),J/(mol?k);t為氣體溫度,℃;γ為氣體的絕熱指數(shù)(定壓比熱容與定容比熱容之比值);m為氣體分子量,kg/mol.

圖1 單路徑聲學(xué)測(cè)溫示意圖Fig.1 Schematic diag ram of the one-path acoustic temperature measurement

2 掃頻信號(hào)及互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法

2.1 掃頻信號(hào)

掃頻信號(hào)的形式通常有三種,分別是對(duì)數(shù)掃頻、線性掃頻和二次掃頻,表1給出了三種掃頻信號(hào)的數(shù)學(xué)模型.表1中:f0為0時(shí)刻點(diǎn)掃頻信號(hào)的瞬時(shí)信號(hào)頻率;f(τg)為τg時(shí)刻點(diǎn)掃頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率;[0,τg]為信號(hào)的持續(xù)時(shí)間.

掃頻信號(hào)可以對(duì)最大旁瓣值產(chǎn)生抑制,其相關(guān)函數(shù)具有很好的尖銳性,能有效降低互相關(guān)最大值點(diǎn)的錯(cuò)誤判斷,提高測(cè)量的準(zhǔn)確性.

羅振[6]對(duì)不同的掃頻信號(hào)進(jìn)行了仿真研究,表明線性掃頻信號(hào)在不同的信噪比下測(cè)量的誤差最小,優(yōu)于對(duì)數(shù)掃頻信號(hào)和二次掃頻信號(hào),因此筆者采用線性掃頻信號(hào)作為聲源信號(hào).

表1 三種典型的掃頻信號(hào)Tab.1 Mathematical models for three typical chirp signals

2.2 互相關(guān)時(shí)間延遲估計(jì)法

聲波飛渡時(shí)間的測(cè)量采用互相關(guān)時(shí)間延遲估計(jì)法.兩通道的信號(hào)模型為[7]:

式中:s(n)為信號(hào)函數(shù);n1(n)和n2(n)為噪聲函數(shù);D為兩通道間的時(shí)間延遲;A表示衰減系數(shù).直接互相關(guān)函數(shù)為[8-9]:

時(shí)間延遲估計(jì)為:

間接法互相關(guān)函數(shù)為:

式中:ψ12為頻域處理的加權(quán)函數(shù);F為傅里葉變換;F-1為傅里葉逆變換;*表示共軛.本文中采用間接法求互相關(guān)函數(shù),取加權(quán)函數(shù)為1.

3 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果與分析

筆者在實(shí)驗(yàn)室條件下,對(duì)不同頻段的掃頻信號(hào)進(jìn)行了試驗(yàn)研究.首先由主機(jī)中的SpectraLAB軟件發(fā)出線性掃頻信號(hào),經(jīng)聲卡轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后,再經(jīng)過(guò)功率放大器放大輸出至揚(yáng)聲器,驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)射出測(cè)溫聲波信號(hào).信號(hào)采集和分析系統(tǒng)為NI公司多通道數(shù)據(jù)采集卡,軟件系統(tǒng)采用LABVIEW和MAT LAB軟件進(jìn)行混合編程.傳聲器采用的是1/2英寸預(yù)極化駐極體無(wú)指向性測(cè)量傳聲器MPA201(靈敏度50 mV/Pa),屬電容式結(jié)構(gòu).

從文獻(xiàn)[10]可以看出,互相關(guān)函數(shù)測(cè)量聲波飛渡時(shí)間,產(chǎn)生誤差與鍋爐背景噪音、采樣點(diǎn)數(shù)及采樣頻率有關(guān).在具體的工程應(yīng)用中,由于測(cè)量距離比較大,采樣頻率可取在104量級(jí)以上.文獻(xiàn)[11]表明,當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)取512,1024和 2048時(shí),只要采樣頻率滿足條件,都能有效測(cè)得精確的飛渡時(shí)間.

取采樣頻率為102400 Hz,采樣點(diǎn)數(shù)為65536,試驗(yàn)溫度15℃,測(cè)得當(dāng)?shù)芈曀贋?40.5 m/s.兩只傳聲器之間的距離為2.96 m,則計(jì)算得到的聲波飛渡時(shí)間為8.6931 ms.實(shí)驗(yàn)室處于相對(duì)安靜的環(huán)境,無(wú)明顯噪聲影響.

3.1 掃頻信號(hào)頻率區(qū)間的選擇

首先采用掃頻周期為0.1 s,設(shè)定起始頻率為500 Hz,選取了10組不同截止頻率X的線性掃頻信號(hào)發(fā)聲進(jìn)行聲波飛渡時(shí)間的測(cè)量,每組測(cè)量20次.

表2和圖2給出了聲波飛渡時(shí)間測(cè)量值與計(jì)算值的平均絕對(duì)誤差MAE和相對(duì)均方根誤差RRMSE,其計(jì)算公式如下:

式中:N為試驗(yàn)次數(shù);bi為第i次試驗(yàn)得到的測(cè)量值;B為理論計(jì)算值.

表2 起始頻率500 Hz,不同截止頻率時(shí)的 MAE(單位:ms)Tab.2 MAEof calculated results and actual measurements for chirp signals with frequency(Hz)from500 to X

圖2給出了測(cè)量值與計(jì)算值的相對(duì)均方根誤差及誤差趨勢(shì)線.可以明顯看出,隨著截止頻率X增大,相對(duì)均方根誤差遞減.

圖3給出掃頻區(qū)間(Hz)為[500,8000]時(shí)的互相關(guān)圖,其互相關(guān)函數(shù)具有明顯峰值.研究表明,隨著X的增大,對(duì)應(yīng)的互相關(guān)圖中互相關(guān)函數(shù)的峰值越來(lái)越尖銳,測(cè)量效果越來(lái)越好.

圖2 起始頻率500 Hz,不同截止頻率時(shí)的 RRMSEFig.2 RRMSEbetween calculated results and actual measurements for chirp signals with frequency from 500 to X(Hz)

圖3 掃頻區(qū)間(Hz)為[500,8000]時(shí)的互相關(guān)圖Fig.3 Cross correlation chart of chirp signal with frequency from 500 to 8000(Hz)

取掃頻周期為0.1 s,截止頻率設(shè)為8000 Hz,選取7組不同起始頻率Y對(duì)聲波飛渡時(shí)間進(jìn)行測(cè)量.表3和圖4為測(cè)量值與計(jì)算值的平均絕對(duì)誤差MAE和相對(duì)均方根誤差RRMSE.

表3 截止頻率8000 Hz,不同起始頻率時(shí)MAE(單位:ms)Tab.3 MAEbetween calculated results and actual measurements for chirp signals with frequency(Hz)fromY to 8000

圖4 截止頻率8000 Hz,不同起始頻率時(shí)的相對(duì)均方根誤差Fig.4 RRMSEbetween calculated results and actual measurements for chirp signals with frequency(Hz)from Y to 8000

從圖4可以看出,掃頻區(qū)間(Hz)為[Y,8000],隨著Y的增大,RRMSE有增大的趨勢(shì).試驗(yàn)表明,隨著起始頻率的升高和區(qū)間間隔的減小,其互相關(guān)函數(shù)圖的峰值變得不再明顯.圖5給出了掃頻區(qū)間(Hz)為[7000,8000]時(shí)的互相關(guān)圖,此區(qū)間內(nèi)峰值已基本無(wú)法分辨.

圖5 掃頻區(qū)間采樣點(diǎn)為[7000,8000]Hz時(shí)互相關(guān)圖Fig.5 Cross correlation chart of chirp sig nal with frequency from 7000 Hz to 8000 Hz

選取掃頻周期0.1 s,掃頻區(qū)間間隔為3000 Hz,分別對(duì)其聲波飛渡時(shí)間進(jìn)行測(cè)量.圖6給出了部分測(cè)量得到的互相關(guān)圖.分析可知,隨著頻率的增高,相同區(qū)間間隔互相關(guān)圖中互相關(guān)函數(shù)的峰值越來(lái)越不明顯.

圖6 掃頻區(qū)間間隔為3000 Hz部分互相關(guān)圖Fig.6 Cross correlation charts of chirp signals with a frequency interval of 3000 Hz

3.2 掃頻周期的選擇

選取掃頻區(qū)間(Hz)為[500,8000],掃頻周期(s)分別取 0.01、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10、0.20、0.30 、0.40 、0.50 、0.60 和 0.80,計(jì)算其平均絕對(duì)誤差,結(jié)果見表4.

圖7給出了不同掃頻周期下線性掃頻信號(hào)的相對(duì)均方根誤差.從圖7可以看出,0.05 s到0.80 s的掃頻周期中,相對(duì)均方根誤差變化不大,0.10 s和0.20 s附近具有較小的RRMSE.

表4 不同掃頻周期下的平均絕對(duì)誤差(單位:ms)Tab.4 MAEbetween calculated results and actual measurements for chirp signals in different cycles(unit:ms)

圖7 不同掃頻周期下測(cè)量值與計(jì)算值的相對(duì)均方根誤差Fig.7 RRMSEbetween calculated results and actual measurements for chirp signals in different cy cles

4 300MW鍋爐現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

4.1 熱態(tài)試驗(yàn)

在國(guó)內(nèi)某300 MW鍋爐機(jī)組34.5 m平臺(tái)上安裝聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng),在其前墻和后墻布置測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)距離為13.59m.定義發(fā)聲端傳聲器所在通道為通道1,接受端傳聲器所在通道為通道2.設(shè)置采樣頻率為102400 Hz,采樣數(shù)為65536,發(fā)聲頻率(Hz)為[500,8000],此時(shí)鍋爐負(fù)荷為230 MW.

圖8給出了鍋爐熱態(tài)測(cè)量的波形圖,圖中縱坐標(biāo)PSD為功率譜密度.可以明顯看出,在沒有濾波的情況下,通道2接收的掃頻信號(hào)波形嚴(yán)重失真,這主要是由于鍋爐本底噪聲很大,聲源信號(hào)完全淹沒于其中.圖8(c)和圖8(d)給出了通道1和通道 2接收到的聲源信號(hào)和爐膛本底噪聲信號(hào)混合頻譜圖,混合聲的能量大部分集中在500～3000 Hz頻率段,線性掃頻信號(hào)能量也主要集中在低頻段,高頻段能量相對(duì)較小.大量研究表明,鍋爐爐膛本底噪聲主要集中在1000 Hz以下,設(shè)置濾波區(qū)間為[1000,5000]Hz,通過(guò)濾波處理,通道2的掃頻信號(hào)波形顯現(xiàn)出來(lái).圖8(h)給出了濾波后通道2的信號(hào)頻譜圖,這時(shí)的聲音能量主要集中在[1000,3000]Hz區(qū)間,3000 Hz以上的聲音幾乎衰減殆盡.

圖8 300MW鍋爐熱態(tài)試驗(yàn)時(shí)部分波形圖Fig.8 Wavefo rms obtained in hot-state experiments for a 300 MW boiler

綜合冷態(tài)試驗(yàn)分析,最后確定掃頻發(fā)聲區(qū)間取為[500,3000]Hz,掃頻周期為0.1 s,濾波區(qū)間為[1000,3000]Hz,利用聲學(xué)法對(duì)煙氣溫度進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果見表5.

表5 聲學(xué)法測(cè)量得到的煙氣溫度Tab.5 Actual measurements of gas temperature by acoustic pyrometry ℃

圖9給出了熱態(tài)測(cè)量時(shí)的互相關(guān)圖,峰值較為明顯也相當(dāng)穩(wěn)定.測(cè)量結(jié)果中,第6次和第8次發(fā)生明顯錯(cuò)誤,第1、2、3、4、7和9次的測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確.為了證實(shí)測(cè)量的準(zhǔn)確性,在測(cè)量的同時(shí)采用熱電偶進(jìn)行標(biāo)定.

4.2 溫度標(biāo)定

圖9 300M W鍋爐熱態(tài)濾波[1000,3000]Hz互相關(guān)圖Fig.9 Cross correlation chart of chirp signals with filtering frequency from 1000 to 3000(Hz)

圖10 熱電偶溫度標(biāo)定示意圖Fig.10 Schematic diagram of temperature measurement with thermocouple

定制加工了長(zhǎng)約5 m的k型加厚不銹鋼鎧裝熱電偶,精度為±1 K,測(cè)量示意圖見圖10.分別將熱電偶從聲波發(fā)射端、聲波接收端插入爐膛,改變不同的插入深度,每個(gè)測(cè)點(diǎn)20 min左右達(dá)到熱平衡.爐墻外側(cè)溫度200℃左右,爐墻內(nèi)側(cè)450℃左右.熱電偶插入深度超過(guò)0.5 m時(shí),溫度梯度較大,從200℃直接上升到1000℃;超過(guò)0.5 m以后,基本穩(wěn)定在1000～1200℃.熱電偶分別從發(fā)射端和接收端插入,溫度值由熱電偶讀數(shù)表讀出,冷端補(bǔ)償自帶.

圖11為熱電偶測(cè)量溫度變化圖.整個(gè)測(cè)量路徑的平均溫度為1072℃,與采用聲學(xué)測(cè)溫得到的結(jié)果基本相同,表明聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量的溫度滿足要求.

圖11 熱電偶測(cè)溫標(biāo)定溫度圖Fig.11 Temperature distribution measured with thermocouples

5 結(jié) 論

(1)線形掃頻信號(hào)作為電站鍋爐聲學(xué)測(cè)溫的聲源信號(hào)是完全可行的.

(2)在相同的掃頻間隔中,起始頻率和截止頻率越高,效果越差.

(3)掃頻信號(hào)隨著掃頻周期的變化有著不同的測(cè)量效果,研究表明掃頻周期取0.1 s為宜.

(4)電站鍋爐溫度場(chǎng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)中,聲源掃頻信號(hào)區(qū)間間隔越小,效果越差,考慮到熱態(tài)的衰減效應(yīng),聲源信號(hào)掃頻區(qū)間取[500,3000]Hz為宜.

(5)在鍋爐熱態(tài)中,噪聲基本上淹沒了接收端聲源信號(hào),但是噪聲頻率較低,可以通過(guò)濾波濾除,濾波區(qū)間根據(jù)鍋爐情況加以選擇.熱態(tài)混響影響較小,濾波后有較好的測(cè)量效果,但測(cè)量不是非常穩(wěn)定.熱態(tài)聲波衰減規(guī)律及時(shí)間延遲算法還待進(jìn)一步研究.

[1]田豐,邵富群,王福利.基于聲波的工業(yè)爐溫度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)[J].沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2001,18(3):10-11.TIAN Feng,SHAO Fuqun,WANG Fuli.An introduction to measuring technique on temperature field for industrial boiler based on acoustic wave[J].Journal of Shenyang Institute of Aeronautcal Engineering,2001,18(3):10-11.

[2]張曉東,高波,宋之平.互相關(guān)函數(shù)法在聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,23(4):185-188.ZHANG Xiaodong,GAO Bo,SONG Zhiping.The research of acoustic measuring of gas temperature employing cross-correlation algorithm[J].Proceedings of the CSEE,2003,23(4):185-188.

[3]楊祥良,安連鎖,沈國(guó)清,等.單路徑聲學(xué)高溫計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍋爐爐膛煙溫的試驗(yàn)研究[J].動(dòng)力工程,2009,29(4):379-383.YANG Xiangliang,AN Liansuo,SHEN Guoqing,et al.Experimental study on real-time monitoring of flue gas temperature in boiler furnace by one-path acoustic pyrometer[J].Journal of Power Engineering,2009,29(4):379-383.

[4]KLEPPE J A,NENO R.New method and apparatus for measuring acoustic wave velocity using impulse:USA,5349859[P].Sep 27,1994.

[5]沈國(guó)清.聲學(xué)方法重建爐內(nèi)溫度場(chǎng)的算法研究[D].保定:華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,2004.

[6]羅振.爐膛燃燒噪音環(huán)境下聲波飛行時(shí)間測(cè)量方法研究[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院,2006.

[7]陳昶,陳瑋,鄧則名,等.管道泄漏檢測(cè)中自適應(yīng)時(shí)間延遲估計(jì)方法的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2003,(6):26-28.CHEN Chang,CHEN Wei,DENG Zeming,et al.The design of adaptive time delay estimation algorithm for pipeline leak detection[J].Industrial Instrumentation&Automation,2003(6):26-28.

[8]周潔,袁鎮(zhèn)福,岑可法,等.光信號(hào)互相關(guān)測(cè)量?jī)上嗔髦蓄w粒流動(dòng)速度的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,23(1):185-187.ZHOU Jie,YUAN Zhenfu,CENG Kefa,et al.Measurement of particle velocity in two-phase flow by optical cross-correlation method[J].Proceedings of the CSEE,2003,23(1):185-187.

[9]向陽(yáng).基于互相關(guān)延時(shí)估計(jì)的波速估計(jì)方法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版),2003,25(5):63-66.XIANG Yang.An evaluation method for wave speed in concrete based on a cross-correlation function[J].Journal of Wuhan Automotive Polytechnic University,2003,25(5):63-66.

[10]張波,安連鎖,沈國(guó)清,等.互相關(guān)函數(shù)在聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)中的誤差分析[J].電力科學(xué)與工程,2006(1):45-47.ZHANG Bo,AN Liansuo,SHEN Guoqing,et al.Error analysis of acoustic pyrometer based on crosscorrelation method[J].Electric Power Science and Engineering,2006(1):45-47.

[11]劉立云,田豐,李治壯,等.基于互相關(guān)技術(shù)的聲波飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2005,22(1):57-60.LIU Liyun,TIAN Feng,LI Zhizhuang,et al.Design and realization of the acoustic waves flight time measurement system based on cross-correlation method[J].Journal of Shenyang Institute of Aeronautcal Engineering,2005,22(1):57-60.