在火力發(fā)電廠的鍋爐運(yùn)行中，一次風(fēng)煤粉的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要的作用。缺乏可靠的一次風(fēng)煤粉濃度的監(jiān)測(cè)手段，鍋爐極易發(fā)生火焰中心偏斜、燃燒不穩(wěn)等情況，從而導(dǎo)致鍋爐局部結(jié)焦、高溫腐蝕，鍋爐熱效率下降，嚴(yán)重時(shí)直接引起鍋爐滅火事故[1-3]。煤粉顆粒在一次風(fēng)中的運(yùn)動(dòng)過程是非常復(fù)雜的氣固兩相流動(dòng)，煤粉濃度的測(cè)量一直是工程上的前沿問題之一，也是工程技術(shù)人員致力解決的難題[2,4]。因此，研究一次風(fēng)煤粉濃度測(cè)量技術(shù)，尋求適合電廠鍋爐在線測(cè)量煤粉濃度的方法，有著十分重要的意義。從已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)來看^[5],應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)煤粉鍋爐風(fēng)粉系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)改造已經(jīng)非常普遍，在監(jiān)測(cè)對(duì)象和流量測(cè)量方式上各有特色，但是主要集中在各個(gè)支路的風(fēng)量的準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)字化，對(duì)煤粉濃度準(zhǔn)確測(cè)量和煤粉濃度在線測(cè)量系統(tǒng)的研究開發(fā)比較少。
    本文將電力電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種超聲波收發(fā)裝置的測(cè)量系統(tǒng)。該裝置的發(fā)射電路以型號(hào)為TMS320F2812的DSP為核心控制芯片，采用單相全橋逆變電路,發(fā)射端的頻率可以精確控制，采用Boost升壓電路使發(fā)射端的驅(qū)動(dòng)電壓靈活可調(diào)，接收電路使用四階有源模擬濾波器,抗干擾能力強(qiáng)。
1 測(cè)量原理
    聲速法是利用不同固相濃度條件下具有不同聲速來完成相濃度測(cè)量。與現(xiàn)有的各種方法相比，它具有一些特殊的優(yōu)點(diǎn)，如測(cè)量結(jié)果與固相成分、顆粒的粒度分布以及當(dāng)?shù)亓魉贌o關(guān)；自清潔作用可防止傳感器污染；沒有堵塞問題等。

2 超聲波收發(fā)裝置的總體結(jié)構(gòu)
    超聲波發(fā)射與接收電路的硬件框圖如圖1所示。DSP芯片TMS320F2812是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部件，用來產(chǎn)生40 kHz的超聲波信號(hào)源，并控制相應(yīng)的電路對(duì)所發(fā)出的超聲波形進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，超聲波接收傳感器接收到的信號(hào)被放大器放大后，經(jīng)過四階有源帶通濾波器，使接收的信號(hào)更加穩(wěn)定可靠。

    發(fā)射電路的功能是在外接的壓電式超聲傳感器上施加40 kHz的交流電壓，進(jìn)而發(fā)射出超聲波；接收電路的功能是對(duì)壓電式傳感器輸出的微弱感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行調(diào)理輸出。
3 超聲波發(fā)射裝置
    發(fā)射電路由單相全橋逆變電路和Boost電路組成，整體由DSP芯片進(jìn)行控制。單相全橋逆變電路使發(fā)射頻率可以精確控制,Boost電路使得驅(qū)動(dòng)傳感器的電壓靈活可調(diào)。
    圖2為單相全橋硬件電路設(shè)計(jì)圖，圖中Q1～Q4選用的是MOSFET管 IRF630,它能承受200 V電壓，25℃時(shí)承受電流9.0 A，90℃時(shí)承受電流5.7 A，滿足設(shè)計(jì)要求，柵極和源極之間的驅(qū)動(dòng)電壓在10 V～20 V之間，而且其關(guān)斷與開通電壓的時(shí)間都在17 ns左右,相比設(shè)計(jì)中超聲波的周期25 μs(頻率40 kHz)已經(jīng)足夠快了，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。這四只管子構(gòu)成了單相全橋電路的兩個(gè)橋臂，當(dāng)開關(guān)Q1、Q4閉合，Q2、Q3斷開時(shí)單相全橋之間有一個(gè)回路，此時(shí)的輸出電壓Uo為+Ud；當(dāng)開關(guān)Q2、Q3閉合，Q1、Q4斷開時(shí)，單相全橋電路之間又出現(xiàn)一個(gè)回路，此時(shí)的輸出電壓Uo為-Ud，這樣就把直流電變成了交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率；改變橋臂兩端的電壓就可以改變輸出交流電壓的峰峰值的大小，基于這樣的原理就可以產(chǎn)生所需要的超聲波傳感器發(fā)生端所需要的交流電[6]。

　 為了增強(qiáng)DSP芯片GPIO口的驅(qū)動(dòng)能力，防止后面電路的電壓或電流對(duì)DSP芯片造成損壞，在連接驅(qū)動(dòng)電路時(shí)給驅(qū)動(dòng)芯片的接口加上一個(gè)非門74LS04。驅(qū)動(dòng)芯片選擇IR2103來實(shí)現(xiàn)，電源電壓為+12 V的電壓，自舉電容為0.01 μF。
    為了防止同一橋臂的上下兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通造成短路現(xiàn)象，在DSP芯片里面設(shè)置了死區(qū)時(shí)間，PWM1和PWM2是帶有死區(qū)時(shí)間且互補(bǔ)的兩路PWM信號(hào)，頻率為40 kHz。
    圖2中的單相全橋橋臂兩端的電壓Ud由Boost電路提供，Boost電路硬件電路圖如圖3所示。

    當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，二極管接Ui的負(fù)極，承受反壓而截止。電容C向負(fù)載R供電，極性上正下負(fù)。電源電壓Ui全部加到電感兩端UL=Ui，在該電壓的作用下電感

    由式(8)可知Dc是一個(gè)小于1的數(shù)，因此輸出電壓與輸入電壓的比值始終大于等于1,即輸出電壓高于輸入電壓，在電源輸入電壓Ui不變的情況下，輸出電壓Uo隨著PWM波形占空比的變化而變化。
    圖3中的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)和圖2中的原理一樣，二極管D選用快恢復(fù)的肖特基二極管IN4148，為了使電感上的電流連續(xù)，紋波在1%，并考慮一定的裕量，這里選擇鐵氧體材質(zhì)的功率電感150 μH，考慮到紋波以及電壓大小容量的問題,電容選擇兩個(gè)47 μF耐壓值為100 V的電容并聯(lián)，為了防止電阻兩端的電壓過高時(shí)電阻燒壞，選擇功率為2 W的1 kΩ電阻。
4 超聲波接收裝置
    接收電路的作用就是將接收換能器輸出的微小電信號(hào)經(jīng)過充分放大而得到足夠大的信號(hào)，以便處理器能夠識(shí)別處理。發(fā)射接收電路的原始接收信號(hào)數(shù)量級(jí)為毫伏甚至微伏。如圖4所示，在電路中采用以TLC2272為核心的放大電路，TLC2272是單芯片雙運(yùn)放放大器，與其他CMOS型放大器相比，具有高輸入阻抗、低噪聲、低輸入偏置電流、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，并且具有軌對(duì)軌的輸出特性，因此其動(dòng)態(tài)應(yīng)用范圍大，可以提供2 MHz的帶寬和3 V/μs的擺率。如圖4所示，R1是作為接收時(shí)的匹配電阻，該電阻阻值影響放大后正弦波的波形質(zhì)量，其放大倍數(shù)由R3與R2的比值決定。

    超聲波傳感器接收到的微弱信號(hào)經(jīng)過放大器放大后，為了提高信噪比，通常要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。本接收電路采用MAX275有源帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)濾波功能，減小溫漂、零漂和直流偏置，提高信噪比，從而滿足接收電路高精度和高穩(wěn)定性的要求。
    為獲得阻帶內(nèi)的最大衰減，提高Q值，采用四階濾波器設(shè)計(jì)，可通過將MAX275內(nèi)部的兩個(gè)二階濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，即A部分的輸出接B部分的輸入，電路圖如圖5所示。更為方便的設(shè)計(jì)方法是使用MAXIM274/275有源濾波器設(shè)計(jì)軟件(在MAXIM網(wǎng)站上可免費(fèi)下載)，根據(jù)濾波器的性能指標(biāo)，如中心頻率f0、帶內(nèi)最大衰減、阻帶內(nèi)最小衰減、通帶寬度、阻帶寬度、Q值等，軟件就會(huì)執(zhí)行相關(guān)命令，程序會(huì)分析結(jié)果，自動(dòng)裝入數(shù)據(jù)，并顯示各級(jí)的實(shí)際連接框圖和外接電阻的阻值，該帶通濾波電路的中心頻率為40 kHz，Q值為10，帶通增益為8 dB。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該軟件的設(shè)計(jì)主要是完成以下兩個(gè)功能：完成單相全橋逆變器的控制，使之能夠產(chǎn)生40 kHz的超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)交流電；通過外部中斷控制Boost電路中開關(guān)管的占空比，實(shí)現(xiàn)超聲波驅(qū)動(dòng)電壓的可調(diào)。
    圖6為40 kHz的超聲波發(fā)生程序流程圖，首先配置相應(yīng)系統(tǒng)寄存器，通過計(jì)數(shù)寄存器的值與設(shè)定比較寄存的值相比較，當(dāng)兩者相等時(shí)GP定時(shí)器產(chǎn)生下溢中斷，波形完成一次跳變，這樣如此循環(huán)即可產(chǎn)生40 kHz的超聲波；圖7為改變Boost電路兩端電壓的程序流程圖，首先在主程序最前面進(jìn)行外部中斷函數(shù)的申明，完成相應(yīng)寄存器的配置，設(shè)定下降沿有效，當(dāng)接收到下降沿信號(hào)時(shí)，改變相應(yīng)寄存器的值，使得控制Boost電路中開關(guān)管的占空比發(fā)生改變，完成調(diào)壓功能。

6 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論
    利用所設(shè)計(jì)的原理樣機(jī)在試驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到如圖8所示的波形，樣機(jī)的預(yù)定指標(biāo)為：發(fā)射端驅(qū)動(dòng)傳感器電壓的峰峰值>36 V；接收端可以檢測(cè)到峰峰值>2 V的電壓。

    圖8(a)為全橋逆變電路中通過DSP內(nèi)部軟件程序的編寫，實(shí)現(xiàn)的死區(qū)控制的驅(qū)動(dòng)波形，死區(qū)時(shí)間設(shè)定為0.8 μs；圖8(b)為發(fā)射端的驅(qū)動(dòng)傳感器的波形，頻率為40 kHz，峰峰值為51.3 V；圖8(c)為接收端未經(jīng)過處理的波形，電壓峰峰值為226.1 mV；圖8(d)為接收端經(jīng)過處理的波形，電壓峰峰值為9.9 V。
    最終的結(jié)果都達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能，且長時(shí)間工作電路中所有元件均無過熱現(xiàn)象。
參考文獻(xiàn)
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