電廠風(fēng)粉兩相流流速采集校驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

薛　輝,段曉斌,楊以光（.吉林松花江熱電有限公司,吉林　吉林　3000;　.東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院,吉林　吉林　30）

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電廠風(fēng)粉兩相流流速采集校驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

薛輝1,段曉斌1,楊以光2
（1.吉林松花江熱電有限公司,吉林吉林132000;2.東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院,吉林吉林132012）

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一次風(fēng)管道風(fēng)粉兩相流流速采集校驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用聲卡MATLAB軟件及信號(hào)板設(shè)計(jì)的，其主要針對(duì)解決電廠風(fēng)粉兩相流流速測(cè)量設(shè)備在設(shè)備周期的各個(gè)時(shí)期會(huì)出現(xiàn)的問題。該系統(tǒng)應(yīng)用在某電廠微波法測(cè)量流的測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足電廠風(fēng)粉兩相流流速采集校驗(yàn)和故障檢測(cè)的要求。該系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)，便捷及簡(jiǎn)單可行的特點(diǎn)，同時(shí)該系統(tǒng)的研發(fā)，有助于對(duì)類似方法的測(cè)量設(shè)備的開發(fā)檢測(cè)校驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：流速;聲卡;MATLAB;采集校驗(yàn)系統(tǒng)

1　總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中考慮到采集校驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)該具有經(jīng)濟(jì)，便捷，簡(jiǎn)單可行的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)聲卡，MATLAB軟件及信號(hào)板共同構(gòu)成風(fēng)粉流速采集校驗(yàn)系統(tǒng)。采用此設(shè)計(jì)的研發(fā)，在現(xiàn)場(chǎng)只需一臺(tái)裝有MATLAB軟件的電腦及信號(hào)板即可是實(shí)現(xiàn)采集校驗(yàn)功能。本設(shè)計(jì)利用聲卡集成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為的硬件數(shù)據(jù)采集部分。此外為了不影響被檢測(cè)校驗(yàn)設(shè)備，在硬件部分還加入了信號(hào)接入板。本設(shè)計(jì)利用MATLAB軟件作為的軟件部分。利用MATLAB軟件工具箱中的函數(shù)編寫程序控制硬件設(shè)備，然后利用MATLAB中的GUI設(shè)計(jì)工作界面作為系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。

2　流速采集校驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1聲卡的參數(shù)選取

聲卡也叫音頻卡：聲卡在計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)中是最基本的組成部分，是實(shí)現(xiàn)聲波/數(shù)字信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的一種硬件。聲卡的基本功能是把來自話筒、磁帶、光盤的原始聲音信號(hào)加以轉(zhuǎn)換，輸出到耳機(jī)、揚(yáng)聲器、擴(kuò)音機(jī)、錄音機(jī)等聲響設(shè)備，或通過音樂設(shè)備數(shù)字接口(MIDI)使樂器發(fā)出美妙的聲音[1]。對(duì)于聲音信號(hào)的處理，聲卡有其特定的范圍，這個(gè)范圍與人耳聽到的聲音頻率范圍接近其為20Hz-20KHz，這包含了噪聲信號(hào)，這使得聲卡能夠應(yīng)用在相關(guān)法流速測(cè)量校驗(yàn)上。本設(shè)計(jì)考慮到信號(hào)采集要采用兩路同步采集，因此采用立體聲的LINE IN線性輸入接口輸入。

采樣位數(shù)和采樣頻率是聲卡的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于聲卡來說采樣位數(shù)體現(xiàn)的是數(shù)字的聲音信號(hào)對(duì)輸入聲音信號(hào)復(fù)現(xiàn)的準(zhǔn)確程度，聲卡采樣位數(shù)目前有8、16、32位，對(duì)于本設(shè)計(jì)則應(yīng)用常用且精度達(dá)到要求的16位。對(duì)于聲卡的采樣頻率是各級(jí)固定的，一般有44.1 KHz，48 KHz，96 KHz，本設(shè)計(jì)考慮的香農(nóng)定理和采樣一般規(guī)律采用96 KHz。

2.2MATLAB軟件采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境。其軟件的數(shù)據(jù)采集工具箱(Data Acquisition Toolbox)是一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集工具，被廣泛使用。它為用戶提供了一個(gè)及時(shí)數(shù)據(jù)采集環(huán)境,，被采集的數(shù)據(jù)可直接錄入MATLAB環(huán)境進(jìn)行分析[2-3]。在MATLAB中設(shè)置本設(shè)計(jì)的具體參數(shù)：

fs=96000； %采樣頻率設(shè)置

duration=3；%采樣時(shí)間設(shè)置

結(jié)合本設(shè)計(jì)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，其各參數(shù)如下面語句：y=wavrecord(duration*fs,fs,2,'double');

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集需要一個(gè)可視化界面進(jìn)行顯示，即進(jìn)行界面可視化。因此要對(duì)數(shù)據(jù)采集界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，將雜亂的數(shù)據(jù)通過一定的描述載體進(jìn)行表示，便于數(shù)據(jù)分析。MATLA軟件的圖形用戶界面GUI（Graphical User Interface）是MATLAB軟件中可對(duì)采集界面進(jìn)行設(shè)計(jì)的功能單元?？梢岳镁€型、色彩等可視方式設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面。

2.3信號(hào)板的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)信號(hào)是從實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)入聲卡的，因此有必要在實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)設(shè)備之間加入信號(hào)板。設(shè)計(jì)中信號(hào)板采用緩沖芯片LF442ACN，電容以和濾波電路組成。加入緩沖芯片能夠使現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備避免來自聲卡的干擾。加入10微法的電 容則是起到了隔直的目的，去除信號(hào)中直流成分。濾波電路是為電源設(shè)計(jì)的，它提供穩(wěn)定電壓時(shí)芯片有穩(wěn)定的供壓源。為了減少信號(hào)在傳輸中的損失接還接入了精密可調(diào)電位器，信號(hào)接入板電路圖設(shè)計(jì)如圖1所示。

3　流速采集校驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試

3.1測(cè)量結(jié)構(gòu)及原理

對(duì)于微波測(cè)量裝置，通常是由五個(gè)部分組成，分別為中央處理單元，探頭傳感器，上位機(jī)，前端信號(hào)處理模塊和微波激勵(lì)裝置。微波檢測(cè)設(shè)備主要是在位移為L的煤粉管道上分別將微波發(fā)射探頭以及接收探頭安裝在A,B兩個(gè)位置。經(jīng)一次風(fēng)吹入的煤粉會(huì)在探頭A，B兩個(gè)位置產(chǎn)生信號(hào)，信號(hào)采集器采集這兩組信號(hào)后經(jīng)信號(hào)傳送器將這兩組信號(hào)送入中央處理單元后分析處理，得出的結(jié)果在上位機(jī)上顯示。

在吉林某電廠搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集時(shí)，探頭A將微波信號(hào)在煤粉管道中發(fā)射，信號(hào)經(jīng)過一定距離的直管段，由探頭B進(jìn)行接收，并送入信號(hào)處理模塊處理。數(shù)據(jù)采集時(shí)將信號(hào)處理模塊的A、B探頭信號(hào)同步采集。運(yùn)用互相關(guān)法進(jìn)行處理。互相關(guān)法就是描述兩個(gè)隨機(jī)信號(hào)x(t),y(t)在任意不同時(shí)刻t1，t2間的相關(guān)程度，通過利用互相關(guān)計(jì)算可以得到延時(shí)的信號(hào)時(shí)間，這個(gè)信號(hào)時(shí)間通常被稱為渡越時(shí)間。利用公式便就可以得出兩相流的流速。該方法與其他方法比較而言計(jì)算是最準(zhǔn)確，涉及變量最少的辦法。因此該方法在電廠中廣泛應(yīng)用[4-5]。

3.2數(shù)據(jù)采集及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)中，將前端的信號(hào)處理模塊與信號(hào)的接入板的一端相連接。然后給電,并對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，頻率約20KHz，采集時(shí)長為。若信號(hào)被干擾則可能造成數(shù)據(jù)差錯(cuò)，為避免這種情況發(fā)生，采集過程中進(jìn)行了多次數(shù)據(jù)采集，并將每次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。采集數(shù)據(jù)的結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示GUI數(shù)據(jù)采集和分析，可以看出左聲道采集的數(shù)據(jù)圖形和右聲道非常相似，互相關(guān)信號(hào)的特點(diǎn)相一致。通過點(diǎn)擊數(shù)據(jù)分析鍵可以看到，對(duì)采集的數(shù)據(jù)使用互相關(guān)算法處理后，其圖形的峰值明顯，且沒有受其他較高的峰值影響，從而再次證明兩個(gè)信號(hào)有較好的相關(guān)性。同一時(shí)間比較，這與微波測(cè)量設(shè)備的測(cè)量值是一致的。

4　結(jié)論

本文利用計(jì)算機(jī)聲卡和功能強(qiáng)大的MATLAB軟件設(shè)計(jì)了電廠風(fēng)粉兩相流流速采集校驗(yàn)系統(tǒng)并對(duì)其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的微波設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試，通過測(cè)試結(jié)果我們得到，利用該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)有較高的準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的后期處理也完全可以通過MATLAB實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)能夠滿足電廠風(fēng)粉兩相流流速采集校驗(yàn)和故障檢測(cè)要求。同時(shí)實(shí)驗(yàn)也表明該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集校驗(yàn)上具有方法便捷，成本低廉，節(jié)約時(shí)間，操作簡(jiǎn)單，靈活應(yīng)用，人機(jī)界面友好等諸多優(yōu)點(diǎn)。此外，本設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于基于互相關(guān)算法的其他氣固兩相流參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)上，對(duì)于此類設(shè)備的開發(fā)，應(yīng)用和維護(hù)有重要現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn):

[1]蔣帥鋒,施展,鮑恝等.基于聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2005,26(z2):47-49.

[2]周淵,王炳和,劉斌勝等.基于MATLAB的噪聲信號(hào)采集與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電聲技術(shù),2004(07):52-54.

作者簡(jiǎn)介：薛輝(1976- )，男，吉林人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：電廠熱工自動(dòng)化管理。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.178