应用于锅炉炉膛的声学测温装置

本技术涉及锅炉测温，具体涉及的是一种应用于锅炉炉膛的声学测温装置。

背景技术：

1、锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能，针对输入的能量，经锅炉转换后，将输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。在电厂中，锅炉是非常重要的设备之一，尤其是大型燃煤火电厂，而在实际应用过程中，如果锅炉炉膛内温度分布不均匀(例如有一部分煤粉没有充分燃烧导致温度过低)，就会造成水冷壁受热不均匀，使得火焰发生一定的偏移，从而导致火焰中心处的温度过高造成结焦甚至发生爆管，引发重大安全事故。因此，锅炉炉膛温度场的实时温度监测对锅炉的安全稳定运行至关重要。

2、声学测温法在测温的过程中可以做到连续监测且实时迅速，其基本原理是利用不同温度下的声波传播速度不一样的特点，通过对声波的传播速度进行测量和处理，即可得到需要测量的温度。这种测温方法不受辐射的影响，非常适合高温恶劣环境下的温度测量，并且声学测温法测量温度的范围非常大，最重要的，它是一种无接触测量方法，所以非常适用于电厂锅炉炉膛内的温度测量，如今也被越来越多的火电厂重视和应用。具体地说，采用声学测温法在电厂锅炉炉膛内进行温度测量时，首先在炉膛内壁一侧安装声波发射装置，然后在同侧和对侧同时安装声波接收处理装置，从而形成一条声波测量的路径，通过数据采集装置采集，最后由处理器计算出声音传播时间，并根据速度与温度之间的相关公式(温度每升高10度，声音传播速度每秒加快6米，即：当前音速＝340+6×(当前温度-15)/10)，便可得到锅炉炉膛内的火焰温度。

3、然而，在设备运行过程中，锅炉炉膛内部会产生很大的噪音，容易淹没声波信号，所以现有的应用于锅炉炉膛的声学测温装置，虽然能实现连续监测和非接触式测温，但是大多存在着测温结果误差较大的问题。为了保障测量结果的精确度，现有的大多数手段通常是在炉膛上布置更多组的声波发射装置与接收处理装置，以便尽可能地接收到声波信号，并通过对多组接收数据的计算和处理来得到炉膛内的火焰温度。正是因为布置的声波发射与接收处理装置数量较多，所以也导致了后端处理系统需要采用复杂的数据处理算法对数据进行处理，以获得较为准确的火焰温度，但是这也导致了整个声学测温装置在设备安装以及硬件和软件上的投入成本大幅增加。

4、因此，有必要针对声学测温装置在锅炉炉膛上的应用现状进行改善。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种应用于锅炉炉膛的声学测温装置，可以在确保炉膛测温精度的前提下，大幅减少声波发射与接收装置的布置数量，避免采用复杂的数据处理算法进行数据处理，有效降低了设备安装以及硬件和软件上的投入成本。

2、为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

3、应用于锅炉炉膛的声学测温装置，包括声波发射装置、声波接收处理装置、数据采集装置和处理器，所述声波发射装置包括依次连接的第一滤波电路、功率放大器和扬声器，以及白噪声发射电路；所述扬声器设置在炉膛外壁上；所述白噪声发射电路包括三极管q1、三极管q2、耦合电容c1、耦合电容c2和稳压二极管d1；所述稳压二极管d1一端连接三极管q1的基极，另一端连接耦合电容c1正极；所述三极管q1的集电极经由耦合电容c2同时连接三极管q2的基极和集电极；所述三极管q2的发射极同时连接三极管q1发射极和耦合电容c1负极，三极管q2的集电极连接第一滤波电路。

4、作为优选，所述功率放大器的型号为lm3886。

5、进一步地，所述第一滤波电路包括级联的一个二阶高通滤波器和两个二阶低通滤波器，其中，二阶高通滤波器与三极管q2的集电极连接，两个二阶低通滤波器同时与功率放大器输入端连接。

6、具体地，所述声波接收处理装置包括依次连接的声波信号接收装置、信号放大器和第二滤波电路；所述声波信号接收装置安装在炉膛内，用于接收由炉膛内部传输的声波信号。

7、再进一步地，所述声波接收处理装置还包括连接在第二滤波电路与数据采集装置之间的射极跟随器。

8、作为优选，所述声波信号接收装置为动圈麦克风。

9、作为优选，所述处理器为stc32单片机。

10、与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

11、(1)本实用新型中的声波发射装置采用白噪声发射电路、第一滤波电路、功率放大器和扬声器的设计，通过产生白噪声，然后经滤波、放大后输入炉膛中。在这之中，白噪声发射电路利用稳压二极管在反向击穿时出现齐纳现象的原理，结合三极管q1、三极管q2、耦合电容c1、耦合电容c2的设计，可以产生白噪声信号。由于白噪声是一种功率波长谱密度为常数的随机信号，在整个频谱上都有成分，即从低频到高频，这意味着在时间轴的某一点上，噪声孤立，与其他点的噪声无关，因此白噪声的频率特征使其能够抵抗任何频率的干扰并保持其完整的平滑性。

12、所以，本实用新型设计的声波发射装置不仅电路简单，而且基于白噪声信号的自身特点，在经由功率放大器的调整和放大后，不容易被炉膛内的背景噪音所淹没，并提高了声波接收处理装置所接收到的信号信噪比，进而为炉膛内温度准确测量提供了有力的保障。

13、(2)本实用新型中的第一滤波电路，采用级联的一个二阶高通滤波器和两个二阶低通滤波器设计，一方面，锅炉炉膛内的背景噪音通常为低频噪声，声波频带需要有所取舍，采用带通滤波器滤除频率低的部分，可以更大程度地消除炉膛内背景噪音的干扰；另一方面，针对白噪声信号的特点，第一滤波电路通过合理的高通滤波器和低通滤波器级联，组成带通滤波器，在确保信号滤波效果的前提下，未使用更高阶数(例如三阶、四阶)的滤波器，避免了因为使用白噪声信号发射而导致滤波电路的成本增加。

14、(3)本实用新型中的声波接收处理装置采用声波信号接收装置、信号放大器、第二滤波电路和射极跟随器的设计，接收传输至炉膛内的白噪声信号，然后经放大、滤波处理后，传输至数据采集装置进行采集。在这之中，声波信号接收装置采用动圈麦克风，不仅体积小、灵敏度高、经济性好，而且具有很好的频率响应性，非常适合安装在炉膛内用于采集白噪声信号；而采用先信号放大、再滤波处理的顺序设计，可以对信号进行差动放大，弥补动圈麦克风因为是无源器件而存在电信号转化能力较弱的缺点，确保了后续数据采集的完整性；射极跟随器的设计，则可以让信号的输出更加容易，从而使得数据采集拥有优良的环境。

15、(4)本实用新型设计合理、安装和使用方便，在确保炉膛测温精度的前提下，可以大幅减少声波发射与接收装置的布置数量，避免采用复杂的数据处理算法进行数据处理，有效降低了声学测温装置在设备安装以及硬件和软件上的投入成本。同时，本实用新型得到的测温数据也为电厂锅炉的优化改造、燃烧的充分程度以及高效率运行提供了很好的参考依据。

技术特征：

1.应用于锅炉炉膛的声学测温装置，包括声波发射装置、声波接收处理装置、数据采集装置和处理器，其特征在于，所述声波发射装置包括依次连接的第一滤波电路、功率放大器和扬声器，以及白噪声发射电路；所述扬声器设置在炉膛外壁上；所述白噪声发射电路包括三极管q1、三极管q2、耦合电容c1、耦合电容c2和稳压二极管d1；所述稳压二极管d1一端连接三极管q1的基极，另一端连接耦合电容c1正极；所述三极管q1的集电极经由耦合电容c2同时连接三极管q2的基极和集电极；所述三极管q2的发射极同时连接三极管q1发射极和耦合电容c1负极，三极管q2的集电极连接第一滤波电路。

2.根据权利要求1所述的应用于锅炉炉膛的声学测温装置，其特征在于，所述功率放大器的型号为lm3886。

3.根据权利要求1所述的应用于锅炉炉膛的声学测温装置，其特征在于，所述第一滤波电路包括级联的一个二阶高通滤波器和两个二阶低通滤波器，其中，二阶高通滤波器与三极管q2的集电极连接，两个二阶低通滤波器同时与功率放大器输入端连接。

4.根据权利要求1～3任一项所述的应用于锅炉炉膛的声学测温装置，其特征在于，所述声波接收处理装置包括依次连接的声波信号接收装置、信号放大器和第二滤波电路；所述声波信号接收装置安装在炉膛内，用于接收由炉膛内部传输的声波信号。

5.根据权利要求4所述的应用于锅炉炉膛的声学测温装置，其特征在于，所述声波接收处理装置还包括连接在第二滤波电路与数据采集装置之间的射极跟随器。

6.根据权利要求4所述的应用于锅炉炉膛的声学测温装置，其特征在于，所述声波信号接收装置为动圈麦克风。

7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的应用于锅炉炉膛的声学测温装置，其特征在于，所述处理器为stc32单片机。

技术总结本技术公开一种应用于锅炉炉膛的声学测温装置，包括声波发射装置、声波接收处理装置、数据采集装置和处理器，声波发射装置包括白噪声发射电路、第一滤波电路、功率放大器、扬声器；白噪声发射电路包括三极管Q1、三极管Q2、耦合电容C1、耦合电容C2和稳压二极管D1；稳压二极管D1一端连接三极管Q1的基极，另一端连接耦合电容C1正极；三极管Q1的集电极经由耦合电容C2同时连接三极管Q2的基极和集电极；三极管Q2的发射极同时连接三极管Q1发射极和耦合电容C1负极。本技术可以在确保炉膛测温精度的前提下，减少声波发射与接收装置的布置数量，避免采用复杂的数据处理算法进行数据处理，有效降低了硬件和软件的投入成本。技术研发人员：李炳谦受保护的技术使用者：太原理工大学技术研发日：20240205技术公布日：2024/9/26