基于积化和差原理的炉管泄漏检测系统设计

刘志东 吉林化工学院 信息与控制工程学院

锅炉炉管泄露检测装置是通过传感器捕获炉管泄露时所产生的具有一定响声的声音信号，通过对其频谱分析，推算出真实泄漏点所产生声音波形的频率和幅值，当炉管泄露频点幅值或频率超出安全值时报警。

传统检测炉管泄露与否，主要是根据工作人员现场勘察巡视，观看现场压力、温度和水量等情况进行人为判断，但可靠性较低，易使设备发生停机事故，造成不必要的经济损失。现如今比较主流的是声谱分析法，能够检测直径在2mm以下的漏洞，使用方便，且安装简单，实现对泄漏点的实时报警。基于国内外炉管泄露检测的现状，本文在声谱分析的基础上，实现其硬件成本降低,CPU处理时效率也会更高。

1 国内外发展现状

进入20世纪，随着智能电子技术的快速发展，用可靠的数字集成电路实现了对复杂电子信号的处理，因而出现了一种新的系统设计方案:传感器+前置放大器+主控电路，不但增加了系统的可靠性，而且还节约了成本。产品的主要功能:炉管泄漏检测、自检、显示等功能。但是这项技术只能检测漏点的声压级特性，致使传感器反应不灵敏。

在英国（Lintvalve）、美国（ABB公司）、南非（Instrotech）等，都采用了声谱分析技术的Inspectafft锅炉管道泄漏检测技术，从泄漏圆检测声谱特性来判断是否泄漏，并且与“滤波电路”相融合，其典型结构有五部分组成:检测探头、滤波电路、主控电路、放大电路、A/D转换。系统能够在滤出锅炉背景噪音后检测泄漏点频谱特性，并对其加以诊断，比前一项技术在灵敏度上提高很多。但是对泄漏点的频率和幅值上误差较大，难以做出更加准确的判断。

2 泄漏检测的基本理论

2.1 正弦波的合成方波原理

根据三角傅里叶级数定义可知:

对任意周期T内的f(t)，都可以求出函数在（t1，t1+T）内表示形式:

方波函数表达式:

把f(t)展开为三角级数，在区间（0，T）内表示为:

2.2 积化和差基本原理

积化和差，是指高等数学三角函数中的一组恒等式。 所有乘积项中的三角函数是否同名，化为和差形式时，都应是同名三角函数的和差。设正弦波与方波的峰值相同且为1，

相当于对上式子在时间T内进行积分运算。又因三角函数的正交性质，故除第一项之外，后面所有项的积分为零，即为:

则由积化和差原理可得:

上述信号经过低通滤波器，由于低通滤波器滤波作用，最终表达式为:

综上所述，若正弦波与方波的峰值分别为Um，Un，则有；

3 MATLAB系统仿真

作为新技术的实现的前提条件，需要对整个系统进行软件仿真。在MATLAB下的SIMLINK仿真模块，具备强大的仿真能力，能够对整个系统做出很好的仿真效果。进行MATLAB仿真模型搭建，如图2所示。信号输入为正弦波与方波，再将两种波相乘，利用四阶低通滤波器的积分作用，观察输出结果。由积化和差基本原理可知:当频率相合的时，输出结果只有直流分量；当频率不相合时，输出为两输入波形差值的正弦波。如图3、图4所示。

图2 仿真模型搭建

图3 频率相合输出直流分量

图4 频率不相合输出正弦波

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