一种简易校验系统在气固两相流流速测量设备的应用

陈立军 杨以光 宫永立 任 娟 姜其峰

(东北电力大学自动化工程学院，吉林 吉林 132012)

一种简易校验系统在气固两相流流速测量设备的应用

陈立军 杨以光 宫永立 任 娟 姜其峰

(东北电力大学自动化工程学院，吉林 吉林 132012)

针对气固两相流流速测量设备在开发和应用时会出现各种问题的情况，利用电脑声卡、Matlab软件和研制的信号接入板设计了电厂风粉两相流流速校验系统，并在某电厂微波法测流量的实验台上进行了应用。结果表明：校验系统经济、便捷、简单可行，能够满足电厂风粉两相流流速校验和故障检测要求。同时校验系统对气固两相流测量设备的检测、维护、校验有广泛的工程实用价值。

两相流流速 校验系统 声卡 Matlab

在工业技术飞速发展的背景下，越来越多的仪器设备需要进行检测校验，尤其在工业检测技术方面。功能卓越、性能良好、准确性高、简单实用的采集校验系统会给技术开发、产品应用及设备的检修等带来事半功倍的效果。电厂风粉管道的煤粉流速一直是锅炉有效燃烧的重要技术参数，目前对电厂风粉管道参数测量的方法有很多种，如光脉动法、超声波法及微波法等，这些方法对于风粉速度的测量大多采用互相关法进行检测。互相关法需要采集处理的信号实质上是噪声信号，这为开发应用电厂风粉两相流流速校验系统提供了基础[1,2]。针对这一背景，笔者开发了电厂风粉两相流流速采集校验系统，并在某电厂的微波法一次风管道风粉速度浓度的检测技术实验测试平台进行了应用测试。

1 流速采集校验系统结构

考虑到校验系统应该具有经济、便捷及简单可行等特点，系统采用计算机内置独立声卡、Matlab软件和研制的信号接入板共同构成电厂风粉两相流流速校验系统。

1.1计算机声卡

声卡作为计算机多媒体的必备软件被广泛使用，其基本工作原理是在声音处理软件的控制下，采集来自话筒或音响设备的音频信号，将模拟量的音频信号转换为数字信号，并将信号处理、加工，压缩后存储[3]，其工作原理如图1所示。声卡由A/D转换器、D/A转换器及音频信号处理模块等组成。声卡处理的音频信号范围在0.02～20kHz，最高可达22kHz，这是声卡能应用在互相关法流速测量校验的前提。

图1 声卡工作原理框图

声卡输入接口根据使用功能的不同可分为MIC IN麦克风输入端口、LINE IN线性输入接口、MIDI电子乐器及其他控制器端口。系统采用LINE IN线性输入接口输入，因为信号采集需要通过立体声进行两路同步采集且LINE IN接口动态性能良好。

声卡的主要技术参数有采样位数和采样频率，采样位数反映了数字声音信号对输入声音信号的准确程度，有8、16、32位，本系统采用16位；采样频率有固定频率级，常见的采样频率有44.1、48.0kHz，此外还有96kHz，本系统采用96kHz。

1.2Matlab软件采集系统

Matlab是一款用于算法开发、数据可视化、数据分析和数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。软件提供了强大的数据采集工具箱(Data Acquisition Toolbox)。数据采集工具箱使实验的数据分析和可视化操作更容易，并且Matlab数据采集箱接口对于多媒体声卡等硬件内部特性透明，因而通过调用Matlab命令和函数可对声卡等兼容硬件进行访问和控制。被测量的数据不需经过转换可直接进入Matlab进行分析[4,5]。

数据采样和数据保存采用工具箱中的wavrecord(N,FS,CH,DTYPE)，其中N为采样点数，由采样频率与采样时间决定；FS为采样频率；CH为采样通道数，系统采用立体声道，因此其值为2；DTYPE为得到数字化的语音数据串位数，设置为double，即16位。

为了便于现场数据的采集，对数据采集进行界面设计。界面设计使计算可视化，将杂乱的数据通过图形表示，便于数据分析。Matlab软件的图形用户界面GUI(Graphical User Interface)功能可对采集界面进行设计。它的图形命令格式简单，方便设计和人机交互[6]。

1.3信号接入板

实验数据是从实验设备接入声卡的，因此在两个装置中间需要加入信号接入板。本系统的信号接入板由芯片LF442ACN、隔直电容和电源电压滤波电路组成。加入LF442ACN的目的是保护现场检测设备的信号不受来自声卡方面的干扰。而隔直电容的目的是去除信号中直流成分的干扰。电源电压滤波电路也是为了给芯片提供稳定电压从而避免造成对信号的干扰。接入板中还加入了精密可调电位器，目的是在传输线路中进行阻抗匹配，减少信号在传输过程中的损失。

2 流速采集校验系统的测试

2.1测量结构和原理

将笔者设计的流速采集校验系统在某电厂的微波检测设备上进行测试，在电厂现场搭建的微波测量实验台如图2所示。实验台有4对微波探头传感器，它们采用微波法进行测量，其中的A、B探头用来测风粉流速。数据采集时由微波激励源发出微波信号，传输给探头A，在煤粉管道中信号由探头A发射，通过充满风粉混合物管段后由探头B接收，然后送入信号处理模块进行处理。

图2 微波测试实验台框图

微波测量设备由微波激励源、前端信号处理模块、探头传感器、中央处理单元和上位机5部分组成，其组成框图如图3所示。微波设备检测是在距离为L的直管段上的A、B两个位置分别嵌入微波发射探头和接收探头。煤粉随风经过A、B两个位置时产生两组信号，将这两组信号送入中央处理单元处理，将处理结果传输给上位机显示。测量中，取一定距离的L值，使这两组信号有较好的相关性效果，利用互相关算法计算得出流速。所谓互相关算法是描述随机信号x(t)、y(t)在任意两个不同时刻t1、t2间的相关程度，通过互相关计算可得到一个信号延时时间，在工程上被称为渡越时间，利用公式v=L/Δt便可得到风粉两相流流速[7]。本校验系统在软件部分开发中将互相关算法进行编程并整合在GUI系统中，硬件部分接入在微波测量设备上的前端信号处理模块和中央处理单元之间(图3)，这样可以对中央处理单元和之后的设备进行校验和故障检测。

图3 微波测量设备的组成框图

2.2数据采集与结果分析

在实验现场，将信号接入板一端与前端信号处理模块相连，上电后对频率约为20kHz的信号进行数据采集，数据采集长度为3s。采集时为避免信号被干扰造成数据差错，进行了多组数据采集，每次采集都将数据进行存储。数据采集和分析界面如图4所示。

从图4不难发现左声道和右声道采集的数据图形高度相似，验证了它们是同一信号在不同时刻的数据采集结果，这与互相关信号特点吻合。同时说明了在信号接入板之前的设备功能良好。点击“数据分析”可以看到对采集数据运用互相关算法处理后的图形，峰值明显，没有其他较高峰值的影响，再次印证了两个信号相关性好。同时对于参数分析栏分析，该栏的最大值即最大的相关系数，这组数据相关系数最大值为0.815 54，大于0.8为高度相关。此时的渡越时间0.021 5s，由此得出速度v=23.2883m/s。与微波测量设备同一时间的测量值吻合。

图4 数据采集和分析界面

考虑现场流速实时性的要求，现在在一定长度的数据上，每8 192个数据为一组，连续取多组进行数据处理和计算，并与微波设备在同一时间测得的流速值进行对比，所得结果如图5所示。

图5 微波设备与本系统测量流速对比

从图5中可以看出，校验系统和微波设备测得的流速在趋势上基本相同，在数值上相差不大。

3 结束语

利用计算机多媒体声卡技术、Matlab软件和信号接入板开发了一种简易的气固两相流流速校验系统，并对其在已有的微波设备测试实验台进行工业现场测试，测试结果表明该系统能够正确采集数据并利用Matlab软件进行数据处理和计算。本系统具有诸多优点：首先采用成熟的声卡技术，在数据采集时方便、快捷、可靠，在其采集允许频率范围内可以替代数据采集卡，避免了采集卡制作带来的烦扰；其次采用强大的数据处理软件Matlab，能够对数据进行全面系统的分析，也能够针对不同的测量方法灵活改变，还可以提供人机界面设计；最后，对于整个系统而言，只要一台装有Matlab软件的计算机和一块研制简单的信号接入板即可进行测试校验工作，这为研发人员提供极大便利。总之，随着气固两相流基于互相关法测量技术的普及，笔者设计的校验系统对气固两相流测量设备的检测维护校验有日益广阔的工程实用价值和应用前景。

[1] 梁强,张宏建,孙斌，等.基于分相流模型的气液两相流流量测量[J].化工自动化及仪表,2006,33(4):53～57.

[2] 阚哲,邵富群.基于静电传感器相关测速精度探讨[J].化工自动化及仪表,2010,37(3):69～72.

[3] 刘绍娜,李书伟,汤沛，等.基于声卡和Adobe Audition的动弹性模量测试方法研究[J].机械设计与制造,2011,(10):84～86.

[4] 韩芳,王爽心.基于MATLAB工具箱的机组负荷分配的建模与优化[J].仪器仪表学报,2005,26(z2):2571～2574.

[5] 李茜,李彬,赵汉华.MATLAB与外部接口的应用研究[J].化工自动化及仪表,2009,36(5):96～98,101.

[6] 郑阿奇,曹弋.MATLAB实用教程[M].北京:电子工业出版社,2011:115～124.

[7] 高海燕.两相流相关测速系统研究[D].包头：内蒙古科技大学,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)