基于DSP的取暖锅炉流量温度的在线检测

1基于DSP的取暖锅炉流量、温度的在线检测1引言本文设计了一套基于DSP与PCI总线的嵌入式图像火焰温度场测量和燃烧诊断系统。系统用硬件来实现一部分PC的功能,把软件算法嵌入到DSP中实现,充分利用DSP的高速度和并行性,不仅使数据处理能力和系统的实时性得到大幅的提升,而且还减轻了PC的负担,同时也增强了系统的可靠性。针对电站锅炉温度场测量及燃烧诊断中存在的问题,本文设计给出了DSP接口的电路以及程序设计的方法.经过200MW机组试验表明,系统实现了高速连续的视频采集及处理,其温度场测量相对误差5%,满足了火焰监测和燃烧诊断的实时性以及系统对测量精度的要求，相关流量测量技术是以随机过程的相关理论为基础的一种流动参数检测技术。它在解决两相(气/液、气/固和液/固等)流体以及多相多组份)流体的流动参数测量问题上具有巨大的力。以往的相关器的设计多是基于时域的计算方法,为了简化计算,一般采用极性相关,即将信号进行1bit量化后进行相关运算,为了减小量化带来的误差,一般需要较长的积分时间,而且在量化的同时也丢失了流动信号中包含的与流动状态有关的信息。近年来随着微电子学、数字信号处理、计算技术的发展,数字信号处理器(DSP)获得了飞速的发展。它可将数字信号处理的理论与算法实时地实现。因而获得了广泛的应用。正是由于DSP及快速傅立叶变换等信号处理的快速算法的发展,使得在频域进行相关运算成为可能。同时将流动信号变换到频域并利用各种信号分析方法可能会得到一些与流动状态有关的信息,从而可进一步改进与完善相关测量技术。因而频域内的相关方法的研究具有极大的潜在价值。本文正是对此进行了初步的尝试,并利用DSP构成了一个相关流量测量系统,在频域内将相关运算实时地实现。22理论基础2.1火焰温度场理论火焰温度场的动态测量直接反映了燃烧工况组织是否合理,为判断燃烧稳定性和燃烧产物污生成量的重要依据.根据辐射测温理论,这里采用色法[1-2]测温.辐射测温的基础是普朗克定律,在燃烧火焰的波长范围(400~750nm)内及温度在3000K以下时,用维恩公式代替普朗克公式较好维恩公式M(λ,T)=C1ε(λ,T)λ-5exp-C2λT..................(1）式中:M(λ,T)表示波长为λ辐射能;ε(λ,T)为辐射率;T为热力学温度;C1,C2分别为第一、第二辐射常数.C1=3.741844×10-16W·m2,C2=001438833m·K.由于CCD获取的彩色火焰图像在计算机内是以像素为单位逐点存贮的,每一点存贮的信息量都包含了该点的R,G,B三种与接收到的辐射能成正比的亮度值.在窄带假设下,三色的亮度值可分别表示为:Re=k0∫780320M(λ,T)·ηR(λ)dλ=k0kRM(λR,T),Ge=k0∫780320M(λ,T)·ηG(λ)dλ=k0kGM(λG,T),Be=k0∫780320M(λ,T)·ηB(λ)dλ=k0kBM(λB,T)...........................(2)式中,ηR(λ)、ηG(λ)、ηB(λ)分别为R,G,B三通道的光谱响应函数.k0为系统的增益,M(λi,T)(i=R,G,B表示火焰对应于λ=λi的单色辐射能,ki为比例因子,λR、λG、λB分别表示获取的图像的R,G,B三通道光谱响应曲线峰值所对应的波长。3由上式可得ReGe=kRkG·ελRελG·λBλG5e-c2T1λR-1λG....................(3)GeBe=kGkB·ελGελB·λGλB5e-c2T1λG-1λB...................(4)由式(3)、(4)可得T=C22λG-1λB-1λBlnReGeBe2+5lnλRλBλG+lnkRkBkG2+lnεRεBεG2...............(5)由小粒子散射理论和Hottgl-Brougtoh[1]方程可以推得,R,G,B三色波辐射率满足εRεBε·G2=1.03,而kRkBkG2可通过黑体炉实验标定[3]。2.2相关流量测量原理如图1所示,上、下游传感器检测到流体流动过程中产生的流动噪声信号x(t)、y(t),然后对x(t)、y(t)作如下相关运算Rxy(τ)=lim1T∫T0y(t)x(t-τ)dt........................(6)图1相关测量原理由于随机信号x(t)、y(t)具有一定的相关性,故互相关函数Rxy(τ)会出现一峰值,峰值Rxy(τ0)对应的τ0即是流体流经上游传感器到下游传感器的渡越时间。由于两传感器的间距L一定,故流体的平均流速为Vcp=L/τ0..............................(7)将(6)式简化成有限时间长度和式为Rxy(τ)=1N∑Ni=1y(iΔ)x(iΔ-τ)........................(8)式中Δ为采样时间间隔。可见完成N个不同延时值的相关运算要分别进行N2次的乘加运算,运算量非常大,运用相关定理可大大减少运算量。42.3相关定理设X(ejω)、Y(ejω)及Pxy(ejω)分别是x(n)、y(n)及Rxy(τ)的傅立叶变换,且Rxy(τ)是x(n)、y(n)的互相关函数,则有Pxy(ejω)=X(ejω)Y(ejω).........................(9)由此可见,利用傅立叶变换将运算由时域变换到频域,只需进行N次乘法并将结果变换到时域,即可得到N个不同延时值的相关结果,大大减少了运算量。利用快速傅立叶变换和DSP的高速运算能力,即可构成实时性很好的相关流量测量系统。53系统描述3.2DSP仿真接口DSP的仿真接口JTAG完全遵循IEEE标准，所以我们就按照IEEE标准来连接DSP5409的仿真接口。电路图如图2所示。图2DSP5409的JTAG仿真接口电路3.2A/D采集电路设计由于系统要求有快的响应速度，所以我选择了采集速度很快的MAX115。MAX115的内部有RAM，采集完的数据都放在RAM区内。所以需要DSP5409对其进行读写。将DSP5409的读写端口与DSP5409的读写端连接，并且MAX115的地址线与DSP5409的地址总线相连。这样可以方便的对MAX115的数据进行读取。并且MAX115在采集完成后会产生一个终端信号，将这个信号与DSP5409的不可屏蔽端口相连。这样DSP5409可以知道MAX115采集的情况，并且选择合适的时间对其进行操作。电路图如图3所示。6图3A/D采集电路3.3流量信号放大电路由于流量传感器感应出的电压在4~20mV，而A/D采集电路所能采集的电压不在这个范围内，即使能采集那样所得到的数据误差比较大。所以要对流量传感器输出的信号进行放大处理。首先的对信号进行射极跟随，这样能够稳定信号，在对信号放大250倍。具体电路如图4所示。图4流量信号放大电路3.4温度采集电路由于锅炉的温度很高，所以采用的温度传感器所能感应的温度的很高，选用PT100，能够满足要求。具体电路图如图5所示。7图5温度采集电路84结论系统采用主从机结构及中断方式工作,结合DSP的高速处理能力及频域内的快速算法,从而保证了相关运算的实时性。实验表明系统计算实际流动噪声信号所得相关波形良好,例如对油水两相流的流动信号作相关运算,在几个典型的流量及含水值下,所得相关结果、连续测量的实时性很好,从而表明频域内的相关计算方法是可行的。下一步的工作重点应是利用信号处理中的理论对流动信号进行预处理及进一步分析,以进一步完善相关测量技术。以DSP为核心的实时图像采集处理系统采用视频解码器SAA7111A和CPLD完成实时图像采集,由6205进行实时图像处理并获得火焰特征参数,通过PCI总线完成与主机系统的通信任务,由主机实现燃烧诊断算法。这样大大提高了火焰图像检测处理速度,提高了锅炉燃烧监控系统的实时性和稳定性,为复杂的运算和判据的实现以及进一步的燃烧诊断与指导锅炉运行提供了坚实的基础。9参考文献[1]陈晓龙.DSP在现代测控技术中的应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1986[2]赵红怡.DSP技术与应用实例[M].重庆:电子工业出版社,1992[3]苏奎峰.DSP应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996[4]韩非.DSP开发应用技巧[M].北京:中国电力出版社,2001[5]陈锋.DSP的数字图像处理[M].重庆:电子工业出版社,1988[6]张雄伟.DSP集成开发与应用实例[M].重庆:电子工业出版社,2005[7]姜恩怀.工业锅炉原理[M].西安:西安交通大学出版社,1986[8]孙慧.电磁流量计原理[M]上海:上海交通大学出版社,2001[9]刘文生.锅炉原理极其应用[M].大连:大连理工大学出版社,1996[10]AdlemanLeonardM.MolecularComputationofSolutiontoCombinstorislProblem[J].Science,1994,6(11):1021-1024.[11]KohlerR.AsegmentationSystemBasedonThresholding[J].CompterGraphicsimageProcessing,1981,15:319-338