電廠風粉兩相流流速采集校驗系統的設計與應用

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

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電廠風粉兩相流流速采集校驗系統的設計與應用

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.東北電力大學自動化工程學院,吉林吉林132012）

摘 要：本文設計了一次風管道風粉兩相流流速采集校驗系統，該系統是利用聲卡MATLAB軟件及信號板設計的，其主要針對解決電廠風粉兩相流流速測量設備在設備周期的各個時期會出現的問題。該系統應用在某電廠微波法測量流的測量實驗臺上，應用結果表明，該系統能夠滿足電廠風粉兩相流流速采集校驗和故障檢測的要求。該系統具有經濟，便捷及簡單可行的特點，同時該系統的研發，有助于對類似方法的測量設備的開發檢測校驗。

關鍵詞：流速;聲卡;MATLAB;采集校驗系統

1　總體設計

設計中考慮到采集校驗系統應該具有經濟，便捷，簡單可行的特點，設計采用計算機聲卡，MATLAB軟件及信號板共同構成風粉流速采集校驗系統。采用此設計的研發，在現場只需一臺裝有MATLAB軟件的電腦及信號板即可是實現采集校驗功能。本設計利用聲卡集成的數據采集系統作為的硬件數據采集部分。此外為了不影響被檢測校驗設備，在硬件部分還加入了信號接入板。本設計利用MATLAB軟件作為的軟件部分。利用MATLAB軟件工具箱中的函數編寫程序控制硬件設備，然后利用MATLAB中的GUI設計工作界面作為系統的人機交互界面。

2　流速采集校驗系統的實現

2.1聲卡的參數選取

聲卡也叫音頻卡：聲卡在計算機多媒體技術中是最基本的組成部分，是實現聲波/數字信號相互轉換的一種硬件。聲卡的基本功能是把來自話筒、磁帶、光盤的原始聲音信號加以轉換，輸出到耳機、揚聲器、擴音機、錄音機等聲響設備，或通過音樂設備數字接口(MIDI)使樂器發出美妙的聲音[1]。對于聲音信號的處理，聲卡有其特定的范圍，這個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，這使得聲卡能夠應用在相關法流速測量校驗上。本設計考慮到信號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。

采樣位數和采樣頻率是聲卡的關鍵參數，對于聲卡來說采樣位數體現的是數字的聲音信號對輸入聲音信號復現的準確程度，聲卡采樣位數目前有8、16、32位，對于本設計則應用常用且精度達到要求的16位。對于聲卡的采樣頻率是各級固定的，一般有44.1 KHz，48 KHz，96 KHz，本設計考慮的香農定理和采樣一般規律采用96 KHz。

2.2MATLAB軟件采集系統設計

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境。其軟件的數據采集工具箱(Data Acquisition Toolbox)是一個功能強大的數據采集工具，被廣泛使用。它為用戶提供了一個及時數據采集環境,，被采集的數據可直接錄入MATLAB環境進行分析[2-3]。在MATLAB中設置本設計的具體參數：

fs=96000； %采樣頻率設置

duration=3；%采樣時間設置

結合本設計的各項設計參數，其各參數如下面語句：y=wavrecord(duration*fs,fs,2,'double');

現場數據采集需要一個可視化界面進行顯示，即進行界面可視化。因此要對數據采集界面進行設計，將雜亂的數據通過一定的描述載體進行表示，便于數據分析。MATLA軟件的圖形用戶界面GUI（Graphical User Interface）是MATLAB軟件中可對采集界面進行設計的功能單元。可以利用線型、色彩等可視方式設計友好的人機交互界面。

2.3信號板的設計

實驗信號是從實驗設備進入聲卡的，因此有必要在實驗裝置和實驗設備之間加入信號板。設計中信號板采用緩沖芯片LF442ACN，電容以和濾波電路組成。加入緩沖芯片能夠使現場檢測設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，去除信號中直流成分。濾波電路是為電源設計的，它提供穩定電壓時芯片有穩定的供壓源。為了減少信號在傳輸中的損失接還接入了精密可調電位器，信號接入板電路圖設計如圖1所示。

3　流速采集校驗系統的測試

3.1測量結構及原理

對于微波測量裝置，通常是由五個部分組成，分別為中央處理單元，探頭傳感器，上位機，前端信號處理模塊和微波激勵裝置。微波檢測設備主要是在位移為L的煤粉管道上分別將微波發射探頭以及接收探頭安裝在A,B兩個位置。經一次風吹入的煤粉會在探頭A，B兩個位置產生信號，信號采集器采集這兩組信號后經信號傳送器將這兩組信號送入中央處理單元后分析處理，得出的結果在上位機上顯示。

在吉林某電廠搭建試驗臺進行試驗，數據采集時，探頭A將微波信號在煤粉管道中發射，信號經過一定距離的直管段，由探頭B進行接收，并送入信號處理模塊處理。數據采集時將信號處理模塊的A、B探頭信號同步采集。運用互相關法進行處理。互相關法就是描述兩個隨機信號x(t),y(t)在任意不同時刻t1，t2間的相關程度，通過利用互相關計算可以得到延時的信號時間，這個信號時間通常被稱為渡越時間。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算是最準確，涉及變量最少的辦法。因此該方法在電廠中廣泛應用[4-5]。

3.2數據采集及結果分析

實驗現場當中，將前端的信號處理模塊與信號的接入板的一端相連接。然后給電,并對信號進行數據采集，頻率約20KHz，采集時長為。若信號被干擾則可能造成數據差錯，為避免這種情況發生，采集過程中進行了多次數據采集，并將每次采集的數據進行存儲。采集數據的結果如圖2所示。

如圖2所示GUI數據采集和分析，可以看出左聲道采集的數據圖形和右聲道非常相似，互相關信號的特點相一致。通過點擊數據分析鍵可以看到，對采集的數據使用互相關算法處理后，其圖形的峰值明顯，且沒有受其他較高的峰值影響，從而再次證明兩個信號有較好的相關性。同一時間比較，這與微波測量設備的測量值是一致的。

4　結論

本文利用計算機聲卡和功能強大的MATLAB軟件設計了電廠風粉兩相流流速采集校驗系統并對其在工業現場的微波設備進行了測試，通過測試結果我們得到，利用該系統采集數據有較高的準確性，同時對數據的后期處理也完全可以通過MATLAB實現，系統能夠滿足電廠風粉兩相流流速采集校驗和故障檢測要求。同時實驗也表明該系統在數據采集校驗上具有方法便捷，成本低廉，節約時間，操作簡單，靈活應用，人機界面友好等諸多優點。此外，本設計可以應用于基于互相關算法的其他氣固兩相流參數測試系統上，對于此類設備的開發，應用和維護有重要現實意義。

參考文獻:

[1]蔣帥鋒,施展,鮑恝等.基于聲卡的數據采集系統設計[J].儀器儀表學報,2005,26(z2):47-49.

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

作者簡介：薛輝(1976- )，男，吉林人，本科，高級工程師，研究方向：電廠熱工自動化管理。

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