一種簡易校驗系統在氣固兩相流流速測量設備的應用

陳立軍 楊以光 宮永立 任 娟 姜其峰

(東北電力大學自動化工程學院，吉林 吉林 132012)

一種簡易校驗系統在氣固兩相流流速測量設備的應用

陳立軍 楊以光 宮永立 任 娟 姜其峰

(東北電力大學自動化工程學院，吉林 吉林 132012)

針對氣固兩相流流速測量設備在開發和應用時會出現各種問題的情況，利用電腦聲卡、Matlab軟件和研制的信號接入板設計了電廠風粉兩相流流速校驗系統，并在某電廠微波法測流量的實驗臺上進行了應用。結果表明：校驗系統經濟、便捷、簡單可行，能夠滿足電廠風粉兩相流流速校驗和故障檢測要求。同時校驗系統對氣固兩相流測量設備的檢測、維護、校驗有廣泛的工程實用價值。

兩相流流速 校驗系統 聲卡 Matlab

在工業技術飛速發展的背景下，越來越多的儀器設備需要進行檢測校驗，尤其在工業檢測技術方面。功能卓越、性能良好、準確性高、簡單實用的采集校驗系統會給技術開發、產品應用及設備的檢修等帶來事半功倍的效果。電廠風粉管道的煤粉流速一直是鍋爐有效燃燒的重要技術參數，目前對電廠風粉管道參數測量的方法有很多種，如光脈動法、超聲波法及微波法等，這些方法對于風粉速度的測量大多采用互相關法進行檢測。互相關法需要采集處理的信號實質上是噪聲信號，這為開發應用電廠風粉兩相流流速校驗系統提供了基礎[1,2]。針對這一背景，筆者開發了電廠風粉兩相流流速采集校驗系統，并在某電廠的微波法一次風管道風粉速度濃度的檢測技術實驗測試平臺進行了應用測試。

1 流速采集校驗系統結構

考慮到校驗系統應該具有經濟、便捷及簡單可行等特點，系統采用計算機內置獨立聲卡、Matlab軟件和研制的信號接入板共同構成電廠風粉兩相流流速校驗系統。

1.1計算機聲卡

聲卡作為計算機多媒體的必備軟件被廣泛使用，其基本工作原理是在聲音處理軟件的控制下，采集來自話筒或音響設備的音頻信號，將模擬量的音頻信號轉換為數字信號，并將信號處理、加工，壓縮后存儲[3]，其工作原理如圖1所示。聲卡由A/D轉換器、D/A轉換器及音頻信號處理模塊等組成。聲卡處理的音頻信號范圍在0.02～20kHz，最高可達22kHz，這是聲卡能應用在互相關法流速測量校驗的前提。

圖1 聲卡工作原理框圖

聲卡輸入接口根據使用功能的不同可分為MIC IN麥克風輸入端口、LINE IN線性輸入接口、MIDI電子樂器及其他控制器端口。系統采用LINE IN線性輸入接口輸入，因為信號采集需要通過立體聲進行兩路同步采集且LINE IN接口動態性能良好。

聲卡的主要技術參數有采樣位數和采樣頻率，采樣位數反映了數字聲音信號對輸入聲音信號的準確程度，有8、16、32位，本系統采用16位；采樣頻率有固定頻率級，常見的采樣頻率有44.1、48.0kHz，此外還有96kHz，本系統采用96kHz。

1.2Matlab軟件采集系統

Matlab是一款用于算法開發、數據可視化、數據分析和數值計算的高級技術計算語言和交互式環境。軟件提供了強大的數據采集工具箱(Data Acquisition Toolbox)。數據采集工具箱使實驗的數據分析和可視化操作更容易，并且Matlab數據采集箱接口對于多媒體聲卡等硬件內部特性透明，因而通過調用Matlab命令和函數可對聲卡等兼容硬件進行訪問和控制。被測量的數據不需經過轉換可直接進入Matlab進行分析[4,5]。

數據采樣和數據保存采用工具箱中的wavrecord(N,FS,CH,DTYPE)，其中N為采樣點數，由采樣頻率與采樣時間決定；FS為采樣頻率；CH為采樣通道數，系統采用立體聲道，因此其值為2；DTYPE為得到數字化的語音數據串位數，設置為double，即16位。

為了便于現場數據的采集，對數據采集進行界面設計。界面設計使計算可視化，將雜亂的數據通過圖形表示，便于數據分析。Matlab軟件的圖形用戶界面GUI(Graphical User Interface)功能可對采集界面進行設計。它的圖形命令格式簡單，方便設計和人機交互[6]。

1.3信號接入板

實驗數據是從實驗設備接入聲卡的，因此在兩個裝置中間需要加入信號接入板。本系統的信號接入板由芯片LF442ACN、隔直電容和電源電壓濾波電路組成。加入LF442ACN的目的是保護現場檢測設備的信號不受來自聲卡方面的干擾。而隔直電容的目的是去除信號中直流成分的干擾。電源電壓濾波電路也是為了給芯片提供穩定電壓從而避免造成對信號的干擾。接入板中還加入了精密可調電位器，目的是在傳輸線路中進行阻抗匹配，減少信號在傳輸過程中的損失。

2 流速采集校驗系統的測試

2.1測量結構和原理

將筆者設計的流速采集校驗系統在某電廠的微波檢測設備上進行測試，在電廠現場搭建的微波測量實驗臺如圖2所示。實驗臺有4對微波探頭傳感器，它們采用微波法進行測量，其中的A、B探頭用來測風粉流速。數據采集時由微波激勵源發出微波信號，傳輸給探頭A，在煤粉管道中信號由探頭A發射，通過充滿風粉混合物管段后由探頭B接收，然后送入信號處理模塊進行處理。

圖2 微波測試實驗臺框圖

微波測量設備由微波激勵源、前端信號處理模塊、探頭傳感器、中央處理單元和上位機5部分組成，其組成框圖如圖3所示。微波設備檢測是在距離為L的直管段上的A、B兩個位置分別嵌入微波發射探頭和接收探頭。煤粉隨風經過A、B兩個位置時產生兩組信號，將這兩組信號送入中央處理單元處理，將處理結果傳輸給上位機顯示。測量中，取一定距離的L值，使這兩組信號有較好的相關性效果，利用互相關算法計算得出流速。所謂互相關算法是描述隨機信號x(t)、y(t)在任意兩個不同時刻t1、t2間的相關程度，通過互相關計算可得到一個信號延時時間，在工程上被稱為渡越時間，利用公式v=L/Δt便可得到風粉兩相流流速[7]。本校驗系統在軟件部分開發中將互相關算法進行編程并整合在GUI系統中，硬件部分接入在微波測量設備上的前端信號處理模塊和中央處理單元之間(圖3)，這樣可以對中央處理單元和之后的設備進行校驗和故障檢測。

圖3 微波測量設備的組成框圖

2.2數據采集與結果分析

在實驗現場，將信號接入板一端與前端信號處理模塊相連，上電后對頻率約為20kHz的信號進行數據采集，數據采集長度為3s。采集時為避免信號被干擾造成數據差錯，進行了多組數據采集，每次采集都將數據進行存儲。數據采集和分析界面如圖4所示。

從圖4不難發現左聲道和右聲道采集的數據圖形高度相似，驗證了它們是同一信號在不同時刻的數據采集結果，這與互相關信號特點吻合。同時說明了在信號接入板之前的設備功能良好。點擊“數據分析”可以看到對采集數據運用互相關算法處理后的圖形，峰值明顯，沒有其他較高峰值的影響，再次印證了兩個信號相關性好。同時對于參數分析欄分析，該欄的最大值即最大的相關系數，這組數據相關系數最大值為0.815 54，大于0.8為高度相關。此時的渡越時間0.021 5s，由此得出速度v=23.2883m/s。與微波測量設備同一時間的測量值吻合。

圖4 數據采集和分析界面

考慮現場流速實時性的要求，現在在一定長度的數據上，每8 192個數據為一組，連續取多組進行數據處理和計算，并與微波設備在同一時間測得的流速值進行對比，所得結果如圖5所示。

圖5 微波設備與本系統測量流速對比

從圖5中可以看出，校驗系統和微波設備測得的流速在趨勢上基本相同，在數值上相差不大。

3 結束語

利用計算機多媒體聲卡技術、Matlab軟件和信號接入板開發了一種簡易的氣固兩相流流速校驗系統，并對其在已有的微波設備測試實驗臺進行工業現場測試，測試結果表明該系統能夠正確采集數據并利用Matlab軟件進行數據處理和計算。本系統具有諸多優點：首先采用成熟的聲卡技術，在數據采集時方便、快捷、可靠，在其采集允許頻率范圍內可以替代數據采集卡，避免了采集卡制作帶來的煩擾；其次采用強大的數據處理軟件Matlab，能夠對數據進行全面系統的分析，也能夠針對不同的測量方法靈活改變，還可以提供人機界面設計；最后，對于整個系統而言，只要一臺裝有Matlab軟件的計算機和一塊研制簡單的信號接入板即可進行測試校驗工作，這為研發人員提供極大便利。總之，隨著氣固兩相流基于互相關法測量技術的普及，筆者設計的校驗系統對氣固兩相流測量設備的檢測維護校驗有日益廣闊的工程實用價值和應用前景。

[1] 梁強,張宏建,孫斌，等.基于分相流模型的氣液兩相流流量測量[J].化工自動化及儀表,2006,33(4):53～57.

[2] 闞哲,邵富群.基于靜電傳感器相關測速精度探討[J].化工自動化及儀表,2010,37(3):69～72.

[3] 劉紹娜,李書偉,湯沛，等.基于聲卡和Adobe Audition的動彈性模量測試方法研究[J].機械設計與制造,2011,(10):84～86.

[4] 韓芳,王爽心.基于MATLAB工具箱的機組負荷分配的建模與優化[J].儀器儀表學報,2005,26(z2):2571～2574.

[5] 李茜,李彬,趙漢華.MATLAB與外部接口的應用研究[J].化工自動化及儀表,2009,36(5):96～98,101.

[6] 鄭阿奇,曹弋.MATLAB實用教程[M].北京:電子工業出版社,2011:115～124.

[7] 高海燕.兩相流相關測速系統研究[D].包頭：內蒙古科技大學,2008.

(Continued on Page 494)

SimpleCalibrationSystemforGas-SolidFlowVelocityMeasurementEquipment

CHEN Li-jun, YANG Yi-guang, GONG Yong-li, REN Juan, JIANG Qi-feng

(SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

TH814

B

1000-3932(2016)05-0471-04

2016-04-01(修改稿)