利用超声波相关函数法在线检测煤粉浓度

　　厂锅炉煤粉管道的煤粉浓度是一个重要参数,若煤粉浓度过高、风速过低,会发生送粉管道堵塞。因而,在线检测送粉管道中煤粉的沉积状况,对防止煤粉堵管有着非常重要的意义。煤粉的气力输送属于气固两相流动,其浓度的测量较为复杂[1,2]。煤粉浓度在线测量的方法有直接法和间接法,但这些测量方法在准确性、安全性和经济性方面都有些不足[3~5]。本文介绍采用超声波相关函数法进行煤粉浓度在线检测的原理及其系统设计。

　　1　超声波相关函数法

　　煤粉浓度超声波相关函数法测量中,互相关函数法适用于采样速率较低及信噪比较低的信号,超声波换能器的作用距离越长,所需的采样数据量也越多,相应的计算时间也随之增加。为此,通过构造超声波驱动信号和接收信号的互相关函数,并确定超声波的射程时间,可显著缩短数据处理时间。随机信号样本x(t)和y(t)的互相关函数定义为:

　　与发送信号不相关的噪声信号可通过互相关函数得到抑制,而与发送信号相关的干扰信号可通过确定声波运行时间附近互相关函数轮廓的重心予以抑制。接收传感器收到超声波信号后放大再解调为低频信号,然后进行数字化采样。为降低信号频率,可采用方波信号代替正弦波载波信号,同时可降低系统硬件的投入。

　　如图1所示,提取超声波发射信号与接收信号进行相似程度比较,得到互相关函数,以确定超声波在管道的传输时间。

　　2　电路设计

　　2.1　超声波发射电路

　　采用单片机产生的随机信号从端口P1输出,通过D/A转换器输出周期为25μs的双极性电压,该电压再通过两级功率放大电路,产生符合要求的波形。从D/A转换器输出正弦波信号。D/A转换器为电流输出型的DAC0832,该输出电流需经过运算放大器放大并转换成电压,再选用双极性输出(图2)。

　　LM3386TF电压放大器保护功能齐全,输出的信号幅值达到60 V(P-P),其有效值约为21 V(图3)。LM3886TF的供电电压是±35 V,放大倍数为R33/R32+1。

　　2.2　传感器接收电路设计

　　超声波传感器接收部分由前置放大电路、带通滤波放大电路、电压比较器整形电路等组成。当超声波传感器接收和发射的间距较大时,超声波传感器接收到的信号非常微弱,因此前置放大器需采用宽带、高放大倍数的集成运算放大器。前置放大电路使用同相放大器实现信号的线性放大,由TLC2272CP构成(图4)。

　　经过放大器放大后的信号,需进行滤波处理,以提高信噪比。带通滤波放大电路采用MAX275有源带通滤波器[6]滤波,以保留超声波传感器接收的40±2kHz信号。电压比较器整形电路采用LM339N1/4电压比较器(图5),其正弦波信号整形成方波信号,经过二极管整形滤掉方波的负半周,再将整型后的信号输入MSP430单片机进行采样处理。