（无线电物理专业论文）烟道式微波测碳仪及双参量六端口系统研究.pdf

摘要 摘要 飞灰含碳量是反映发电厂锅炉燃烧效率的重要参数，是电厂锅炉运行的主要 经济指标和技术指标之一。飞灰含碳量过高，将会造成严重的经济损失和环境污 染。随着电力体制的改革和燃烧技术的发展，电力生产企业更多地关注电厂锅炉 的燃烧效率。合理地控制飞灰含碳量，不仅能够降低生产成本，提高燃煤的有效 利用率，而且还能降低环境污染，对国民经济的发展具有十分重要的意义。 为了提高传统烟道式微波测碳仪的测量精度和系统的实时特性，降低飞灰密 度变化对含碳量所产生的影响，本研究尝试将双参量传输系统的测试原理运用到 微波测碳仪的设计中，同时测量微波信号穿过烟道后的功率衰减和相位变化，并 首次将六端口技术运用在微波测碳仪系统的设计中，开发研制出了双参量六端口 测试系统。本论文主要完成的工作包括： ( 一) 分析了微波飞灰测碳仪的工作原理和发展趋势，并根据项目需求，对传统 的设计结构进行了改进，即利用高精度的工业数据采集卡取代传统的单片 机电路，研制开发出新一代烟道在线式微波测碳仪；在实验室完成了相关 软硬件的设计和系统的搭建，并开展了大量的实验研究工作；最后根据合 作方的要求，将本系统应用于实际电厂实验，取得了良好的效果。 ( 二) 对六端口网络和双参量测试系统的工作原理进行了详细分析，包括六端口 电路的结构选择与设计、双参量测试系统的基本原理、双参量理想系统模 型和实际系统模型的建立及数学推导、六端口系统的校准方法等；再根据 系统的需求，确定了整体设计方案；最后运用电磁场仿真软件a d s 和h f s s 分别进行了六端口电路和双参量系统的仿真设计和测试。 ( 三) 根据双参量测试系统的结构设计方案，作者利用相关的微波器件及电路模 块，搭建了完善的双参量六端口测试系统，做了大量的实验研究工作并收 集了相关的实验数据；通过对实验数据与仿真结果的对比分析，验证了该 设计方案的可行性和实用性；最后对系统的测试精度和功率测量误差进行 了分析，提出了降低系统功率测量误差的改进措施。 关键词：飞灰含碳量；六端口网络；微波测碳仪；双参量系统 a b s t r a c t a b s t r a o i c a r b o nc o n t e n to ff l ya s hi so n eo f l ep r i m a r yt a r g e t so fe c o n o m ya n dt e c h n o l o g y i nb u m i n gc 0 a 1b o i l e r , w h i c hr e f l e c t s 也eb u r n i n ge 蹴e n e yo fm ep o w e rp l a n t h i g h c a r b o nc o g e n to ff l ya s hw i l lc a u s es e v e r ee c o n o m i c a ll o s i n ga n de n v i r o n m e n t a l p o l l u d o m 、m mr e a r m i n go f l ee l e c t r i cp o w e rs 弘t e ma n dd e v e l o p m e n to f 廿1 et e s t i n g t e c h n o l o g y , p o w 贫g e n e r a t i o ne n t e r p f i s 懿p a ym o r ea t t e n t i o nt 0t 1 1 ee f f i c i e n e yo f b o i l 贫 b u r n i n g c o n 仃o l l m ge 盯b o nc o n t e n ti nr a t i o n a ll e v e lc a l ln o t0 1 1 1 yr c d u c et l l ep r o d u c i n g c 0 瓯b u ta l s 0c a l li m p r o v et h eu d l i z m ge f f i c i e n c yo fc o a la n dr e d u c ee n v i r o n m e n t a l e o n t a m i n a d o 玛w 址c hh 嬲e x t r a o r d m a r yi m p o r t a n ts i g n i f i e a n c et ot l l ep r o 驰so f n a t i o n a le c o n o m y i no r d 盯t 0r e , m et l l er e a l - t i m e ，c o r n i i l u o l l s ，p r e c i s em e a s l l r e m e n to fm ec a r b o n c o g e n to fm ef l y 鹤hi nt h ef l u eo fn l ep o w c rs t a t i o n a n dt od e p r 鼯s l em f l u e n c co f c a r b o nd e n s i t ) ，, w ep r o p o a p p l y i n g 也et l l e o r yo ft w o - p a r a m 嘶s y s t e mf o rt 1 1 ef i r s t t i m et 0d e s i g nm i c r o w a v em e a s u r i n gc a r b o nm e t e ra n du s es 奴一p o r tc i r c u i tt od e v i s em e w h o l et w o - p a r a m e t e rm e a s t t r i n gs y s t e m i tc a n 台a n s f e r 也em e a s u r e m e n to fm ee a r b o n c o n t e n tt 0n l em e a s u r e m e n to f 廿l em i c r o w a v en e t w o 血p 踟e t e r s - p h a s ed e v i a t i o na n d a t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n t t h i sp a p e rm c l u d c sm cf o l l o w i n ge o c e n e ： t h eb a s i ct 1 1 e o r ya n dd e v e l o p m e n t a l 仃e n do f 仃a d i 廿o n a lm i c r o w a v em e 嬲u r i n g c a r b o nm e t e ri sp r o p o s e df i r s t l y b 硒e do nm en e e do fp r o j e c t , m ec o n v e 蚯0 n a ls y s t e m s t r u c t u r eh a sb e e n 锄d i o m t c da n dr e d e s i g n e d , w 1 1 i c hm e a n st h a t 血et r a d i d o n a ls i j l 9 1 e p 瑚e t 盯c i r c u i ti sr e p l a c e db yh i g h l yp r e c i s em d u s t r i a ld a m m o d u l e an e wk i n do f m i c r o w a v em e 嬲u r i n gc , f l l a 0 0 nm e t e r si sd 懿i g n e d 勋t l l ef i r s tl i m e f o l l o w i n gm e r e q u i r e m e n to fc 0 驴蒯o n ，t h i sn e w m i c r o w a v em e a s u r i n gc a r b o nm e t 盯h 鹪b e e nm e d i np o w e r p l a n ta n d t 1 1 em e a s u r i n gr e s d ti sc o i l s i s t e n t 诵mt 1 1 ee m u l a t i o n a ld a t a t h e w o r k i n gp r i n c i p l e o f s i ) 【p o r tn e t w o 出t e c l a n o l o g y a n dt w o p a r a m 酏e r m e 嬲u r i n gs y s t e mh a v eb e e na n a l y z e d , w h i c hm c l u d 鼹也cf r a m e w o r ka n dd e s i g no f s 投p o r te i r e u i t ，p e r f e c t 砌f a c t u a lm a t l l e m a 6 c a lm o d e lo fm e 钿，0 - p 猢e t e rt 销t i n g s y s t e m , 血ef o m “ad e d u c i n ga n dc a l i b r a t i o no f 也es i x 侧s y s t e m t h e nt 1 1 ea u l o r u s 铬a d sa n dh f s s m l ，a r et od e s i g na n da n a l y z em es i x - p o r tc i r c u i ta n d a b s t r a c t t w o - p a r a m e t e rm e a s u r i n gs y s t e m b a s e do nt h ed e s i g ns c h e m eo ft h ew h o l es y s t e m ，t h ea u t h o ru s e sd i f f e r e n ts o r t so f m i c r o w a v ea p p a r a t u sa n dc i r c u i tm o d u l e st oc o n s t r u c tan e wt w o - p a r a m e t e rs i x - p o r t t e s t i n gs y s t e m t h e nt h i ss y s t e mi st e s t e di nt h el a b o r a t o r ya n dm a s s i v et e s t i n gd a t ai s c o l l e c t e d f e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h i sp r o j e c th a v e b e e np r o v e db yt h ec o n t r a s t b e t w e e nt h ee m u l a t i o n a lr e s u l t sa n dt e s t i n gd a t a i no r d e rt od e c r e a s et h es y s t e mt e s t i n g e r r o r ，s o m ee f f e c t i v em e t h o d sa r ei n t r o d u c e da tl a s t k e y w o r d ：c a r b o nc o n t e n to ff l ya s h ；s i x - p o r tn e t w o r k ；m i c r o w a v em e a s u r i n gc a b o n h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：凄掉日期：j 。暑年上月) 8 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：t 缸立 导师签名： e l 期：】价8 年r 月) 分日 第一章绪论 1 1 论文的研究意义 第一章绪论昂一早硒化 飞灰含碳量是反映火力发电厂锅炉燃烧效率的重要参数，是发电厂燃煤锅炉 运行的主要经济指标和技术指标之一。飞灰含碳量过高，将会造成严重的经济损 失和环境污染，这不仅意味着燃煤未能充分燃烧，而且会造成大量有害气体的排 放，造成环境的污染【l 巧】。从经济和环保的角度来说，必须尽可能地减小锅炉运行 中的不完全燃烧损失，提高锅炉燃烧的控制水平；合理地控制飞灰含碳量，将有 利于正确调整风煤比，提高锅炉燃烧控制水平和降低发电成本；含碳量检测还有助 于电厂管理人员分析锅炉燃烧效率，提高制粉系统和送风系统的安全运行。 微波测碳仪主要是对火力发电厂锅炉烟道内的飞灰含碳量进行在线监测，以 便电厂工作人员能够实时地控制锅炉的燃烧效率。现有的烟道在线式微波测碳仪 主要是通过测量微波信号的幅度衰减来表征含碳量的变化，达到飞灰检测的目的。 这类测碳仪采用的是一种单参量测试技术，忽略了飞灰密度变化对含碳量检测所 产生的影响，降低了系统的测量精度。为了提高微波测碳仪的测量精度，可尝试 采用双参量的设计思路，即同时测量微波信号穿过被测烟道空间后的幅度衰减和 相位变化，利用幅度衰减和相移的相对比值，来近似地表达飞灰含碳量值。为了 准确地测量微波信号的传输衰减和相移，结合六端口网络技术应用于工业设计方 面的优势，本研究将六端口网络技术应用于微波测碳仪的设计，通过检测六端口 网络的幅度响应，准确地获得微波信号的功率衰减和相位变化，进而有效地检测 锅炉烟道内的飞灰含碳量变化，以达到提高微波测碳仪测量精度的目的。 1 2 国内外的研究现状和发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 微波测碳仪技术的发展，可以分为以下几个阶段： ( 一) 第一代灼烧式微波测碳仪系统。自六十年代起，测定飞灰含碳量一直 是沿用重量灼烧法，即将一定重量的飞灰样品在高温下进行完全燃烧，按照燃烧 前后的重量差来求得飞灰中的含碳量。其基本原理为，先将湿灰样品取出1 0 克置 电子科技大学硕士学位论文 于灰皿中，放入预先加热到1 0 5 - 1 1 0 0 c 的烘箱内干燥几个小时，冷却至室温；再 取一份试样约1 士0 1 克，均匀平摊于灰皿中并置于温度为1 0 0 0 c 的马弗炉内，打 开炉门，使炉温升至5 0 0 0 c 并保持3 0 分钟，继续升温至8 1 5 士1 0 0 c ，关闭炉门并 灼烧l 小时：最后取出灰皿放在石棉板上，在空气中冷却5 分钟，移入干燥器内 冷却至室温后称重，则有：飞灰含碳量= 样品中碳粒子的重量样品重量。 ( 二) 第二代取样式微波测碳仪系统。从八十年代开始，随着微波技术的应 用和计算机的发展，利用计算机技术对火力发电厂进行优化运行管理已经成为一 种趋势。国内外曾发表了不少专利和文章，提出了自动、连续、快速、准确测量 锅炉飞灰含碳量的方法，力图使锅炉运行人员对燃烧进行及时的调整和控制，来 减少煤粉的不完全燃烧损失，这就是第二代取样式微波测碳仪。 取样式飞灰含碳量的测量有许多种方法，但被国内外同行普遍认同并在工程 上推广使用的是微波测试法f 6 9 】。常见的两种取样式测试方法如下： 1 微波传输测试法。该方法是取一定量的飞灰样品放置在一对微波发射和接 收装置之间，当样品含碳量发生变化时，传输和反射波的强度随之发生改变，由 此来测出样品的含碳量。 2 微波谐振测试法。该方法是在一个谐振腔内放入飞灰样品，当样品的含碳 量不同时，谐振腔的谐振频率和q 值随之变化，由此可测出样品的含碳量。 上述的方法均是利用样品含碳量的多少引起电信号的变化，经过定标达到测 量含碳量的目的。这些测量方法存在着共同的缺点： 1 ) 样品缺乏代表性。取样法采集点单一且飞灰样品少，用其测量结果来表征 整个烟道内的含碳量显然是不准确的。特别是在锅炉负荷不确定的条件下，用一 次短暂的取样值来代替长时间的工作状态，其飞灰样品就更缺乏代表性。 吹扫孔 图1 1 外抽式飞灰取样器图l - 2 水平烟道内的飞灰取样器 2 ) 系统测量缺乏实时性。由于取样式微波测碳仪都加了如图1 1 和1 2 所示 2 第一章绪论 的取样装置，需要在收集到一定数量的飞灰样品后再进行测量，这就造成了测量 在时间上的相对滞后，系统的实时性得不到保障。 3 ) 系统运行存在潜在不稳定性。采样管堵灰、运行不可靠、维护量大是取样 式微波测碳仪系统最大的缺点。由于烟道中的烟气流温度较高，其中所含的水蒸 气呈过热状态，当水蒸气随飞灰样品进入取样管后，温度会快速下降而导致结露 粘结，造成管路堵塞，使装置无法可靠运行。 ( 三) 第三代烟道式微波测碳仪系统。1 9 9 3 年c u t m o r en g 提出了一种烟道 式锅炉飞灰含碳量系统方案，彻底解决了采样式微波测碳仪的堵灰问题【1 0 1 。该方 案采用单参量传输法原理，微波信号经发射天线到达接收端，在接收端测量出微 波信号的频率和q 值。通过标定，确定一个只与飞灰碳含量有关的量，最后利用 数字电路进行后级数据处理即可得到烟道内飞灰的含碳量。该设计方案的传感器 全部放置在锅炉烟道内部，没有第二代测碳仪的飞灰取样装置。 这种结构一经发表，就立即得到了国内外同行的高度关注。1 9 9 9 年上海华东 师范大学的储雪子、潘丽华等人发表了他们的研究成果f l 卜1 2 】。他们采用无灰路直 接测量的设计方案，预选某一烟道截面，并将烟道内流动的携带飞灰的烟气流作 为测量对象。同时将微波收发天线直接安装在烟道内壁两侧，用烟道内飞灰含碳 量的变化引起微波信号能量的变化，来达到飞灰含碳量的测试目标。烟道内的烟 气流是锅炉燃烧工况最直接的反映载体，直接对它进行测量，其测量时间短，真 正做到了飞灰含碳量的实时连续测量。 图l - 3 第三代烟道式微波测碳仪 如图1 3 所示，振荡器输出的微波信号先进入一个定向耦合器，分出很少的一 部分信号能量进入微波检波器，放大后作为系统的基准信号；其余绝大部分微波 电子科技大学硕士学位论文 能量经天线发射，穿过烟道后到达接收端，再将接收到的微波信号进行直流检波 放大并作为测试信号；最后将基准信号和测试信号同时送入单片机电路进行后级 数据处理和显示，就可以得到烟道内飞灰含碳量的变化趋势。 1 2 2 发展趋势 近十几年微波测碳技术已经取得了长足的进步，从早期的灼烧法，到现在通 用的烟道式微波在线测量法，系统的精度越来越高，测量时间也越来越短。微波 测碳仪系统逐步向着简单化、小型化、集成化的方向发展【1 3 4 1 。但是，第三代烟 道式微波测碳技术也存在着一些缺陷，主要表现在以下两个方面： 1 微波信号能量向烟气通道的两边逸散。烟道式微波测碳仪是通过测量微波 信号的衰减来确定飞灰含碳量，将烟道作为测量对象时，烟道相对于系统而言是 一个大空间。微波信号不再是保持直线穿过烟道空间，有一部分微波能量向通道 的两端逸散掉了，因此接收端所检测到的信号不完全由飞灰吸收微波能量所造成。 微波能量向通道两端的逸散是不固定的，它与烟道中飞灰含碳量和烟气流场密切 相关，要精确测量飞灰含碳量就必须解决此问题。 2 烟道内的飞灰密度变化会对含碳量的值产生较大的影响。由于不同电厂的 锅炉负荷和煤种的不同，会使烟道内的飞灰密度和烟气流速产生变化。微波的吸 收率和传输相位与被测物质的密度和速度都有很大关系，因而测量值会出现较大 的波动。飞灰密度变化对含碳量的具体影响，当前工业上通用的解决办法是没有 的，一般只能通过实验的方法，找出单台炉的飞灰含碳量与负荷及煤种之间的变 化特性，从而有针对性的来进行标定。 为了研究飞灰密度变化对含碳量的影响，我们可以尝试将双参量系统的原理 引入微波测碳仪的设计中，即同时测量微波信号穿过被测烟道的幅度衰减和相位 变化。通过检测信号相位的变化，来抵消飞灰密度对含碳量的影响。 消除密度影响的方法过去在微波测湿技术中已经采用过，该方法被称作与密 度无关的湿度测量技术【1 5 以6 1 。与密度无关的湿度测量技术需要测量两个参数，所 以又称作双参量法。双参量法中的一种是同时测量谐振频率和q 值，另一种则是 同时测量微波信号的传输衰减和相移。双参量传输法的基本原理是，假定传输衰 减彳和传输相移矽都是飞灰密度r 和含碳量w 的函数，即 j 彳= 石( ，7 ，w ) ( 1 - 1 ) l 伊= 厶( ，7 ，w ) 4 第一章绪论 若把上式看成是一个方程组，求解其中一个式子并代入另外一个式子，就可 以得到一个与密度无关的量，即 w = g ( a ，缈) ( 1 2 ) 只要我们能够对上式作出近似的标定，就可以根据传输衰减彳和相移够唯一地 确定飞灰含碳量的值w 。因此，我们可以尝试设计能够同时测量传输信号幅度和 相移的微波飞灰测碳仪系统，作为第三代烟道式微波测碳仪的发展，这就是第四 代微波测碳仪技术，也可以称作双参量微波测碳仪系统。随着国内火力发电厂对 微波测碳系统的需求越来越迫切，第四代微波测碳仪将会有十分广阔的前景。 1 3 论文的工作安排及创新点 六端口技术可利用幅度测量代替相位测量，具有测量精度高、电路结构简单、 制作成本低和易于实现等优点【1 丌。本文通过研究和开发双参量六端口测试系统并 进行大量的实验，验证了该设计方案的可行性。该系统可应用于电厂烟道内的飞 灰含碳量监测，对锅炉的燃烧和控制具有十分重要的指导意义。 全文共分为七章。第一章阐述了论文的研究意义、国内外研究现状及论文的 主要创新点；第二章分析了微波测碳仪的工作原理和系统结构；第三章设计了一 套烟道在线式微波测碳仪，并将系统应用于电厂实验，实验结果与标定数据十分 吻合；第四章分析了双参量测试系统，包括系统的工作原理、理想模型和实际模 型的推导、六端口在双参量系统中的应用以及六端口系统的校准方法等；第五章 运用a d s 和h f s s 软件对六端口电路和双参量系统分别进行了仿真分析，在已有 研究的工作基础上进一步完善了电路和系统的设计；第六章搭建了实际的双参量 六端口测试系统并做了大量的实验，对测试数据、功率测量误差等做了较详细地 分析；第七章对论文的研究工作进行了总结，并指出下一步的研究重点。 本论文的创新点主要有以下两点： 1 对传统烟道式微波测碳仪的数据采集电路进行了改进，利用高精度的工业 数据采集模块取代传统的单片机采集电路，简化了整个系统的结构。 2 提出利用微波信号的衰减和相移的相对比值来描述飞灰含碳量值，以补偿 飞灰密度变化对含碳量产生的影响并首次将六端口网络技术应用于微波测碳仪 的系统设计，设计出了双参量六端口测试系统并进行了大量实验。 电子科技大学硕士学位论文 第二章微波测碳仪系统 2 1 微波测碳仪的基本原理 锅炉燃烧后的飞灰主要成分为s i 、a l 、f e 、c a 、m g 、s 等氧化物及少量的金 属氧化物。由于煤种和产地的不同，这些成分的含量差别很大。从微波的特性而 言，碳粒子与灰渣之间的主要区别在于碳粒子具有导电性，而灰渣呈电中性。具 体表现为碳粒子具有很大的电损耗，而灰渣的电损耗非常小。当烟道飞灰中含有 未燃尽的碳粒子时，介质损耗就随着含碳量的增加而增大。因此，穿过锅炉烟道 的微波功率信号和烟道中的飞灰含碳量存在确定的关系，飞灰含碳量便可利用微 波测碳仪系统进行准确的测量。 在锅炉燃烧过程中，燃煤中大部分的碳被燃烧转变成热量，少量没有燃尽的 碳粒子和煤中不能燃烧的其他固体颗粒随烟气排出锅炉。烟气中的所有固体粒子 统称为飞灰。在正常燃烧条件下，飞灰中碳粒子所占的比例很小，根据煤种和锅 炉类型不同，飞灰中的碳含量可以从百分之几到百分之十几变化。煤中不能燃烧 的固体粒子主要由含有硅铝质、铁质和钙质氧化物的细小颗粒组成。在微波波段， 飞灰中除碳粒子以外的其它固体粒子的介电常数和损耗都比较小，而碳粒子的介 电常数和损耗远高于其它的固体粒子。虽然在飞灰中碳粒子所占的体积较小，但 由于它的介电常数远高于其它粒子，所以当飞灰中碳的含量发生变化时，飞灰的 等效复合介电常数将随飞灰中碳粒子含量的变化而明显改变。 发射信号 - - - _ 。啼 图2 - 1 微波测碳仪传感器示意图 6 第二章微波测碳仪系统 如图2 1 所示，烟道内未被完全燃烧的煤粉在高温条件下转化为微型碳粒子， 碳粒子具有很大的电损耗，是吸收微波的良好材料。飞灰中碳粒子浓度越高，它 吸收微波能量的作用也就越强，反之亦然。因此，可以通过测量飞灰吸收微波信 号能量的强弱来定量地反映烟道中飞灰含碳量的变化。 待测烟道内的空间可以看作是包括了空气、碳粒子和灰渣的复合介质空间【1 8 】。 设烟道内的测量空间为一个体积单位， 屹为空气的占空因子，为碳粒子的占空 因子，则总的复合介电常数f 可表示成 s = 占- j 。g 。= 屹巳+ 匕g 。+ ( 1 一- 心) s w ( 2 一1 ) 、s = 、占 。 = 屹巳+ 匕g 。+ ( 1 一v 。- 心) s w ( 2 一1 ) 其中巳为空气的介电常数，乞为碳的介电常数，毛为灰渣的介电常数。当微 波信号穿过复合介质层后，输出端功率的变化可以表示成【6 ，1 1 】 p 耐= 昂e x p ( 一2 y l ) ( 2 2 ) y = 口+ 粥 ( 2 - 3 ) 口= 2 万( 厶 g 2 【( 1 + g _ 占i ) 2 】1 ，2 1 ) 1 他) ( 2 - 4 ) = 2 石( 气 s 2 ( 1 + s v 占i ) 2 】“2 + 1 ) 2 ) ( 2 - 5 ) 其中局一微波信号的输入功率；一复合介质层厚度；y 一微波信号在烟道内 的传播常数；口一衰减常数；一相移常数；厶一自由空间波长；b o 一自由空间 的介电常数；p 、占。一复合介电常数的实部和虚部。当将烟道作为测量对象时， 烟道宽度即为复合介质层厚度三。天线的安装位置确定后，就是一个常量，微波 功率衰减就只取决于复合介质层的传播常数。飞灰含碳量越高，微波信号穿过烟 道后到达接收天线的功率就会越小，传输衰减具有如下的表达式 a = l o l o g ( p o ) = 墨口 ( 2 6 ) 同时，微波信号穿过被测烟道后，所产生的相移量可表示成 = 局 ( 2 7 ) 式中，彳一微波功率衰减；墨，k ：一与飞灰含碳量相对应的系统常数。在一 定的含碳量范围内，彳和与飞灰含碳量呈近似的线性关系。根据含碳量w 与被测 参数的关系，可以建立起三种测量模型：w - - z ( 彳) ，w - - 厶( 矽) ，w - - a ( a ，妒) 。每 一种模型在一定的含碳量范围内都表现为线性或者近似线性关系，前两个模型是 单参量的测量模型，而第三个模型是双参量的测量模型。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2 微波测碳仪的系统结构 烟道式微波测碳仪主要是由微波发射单元、微波接收单元、数据采集模块以 及主控计算机等四部分构成。微波发射单元和接收单元分别安装在待测烟道外壁 的两侧，输出的电压信号通过数据采集模块与主控计算机相连，再通过软件编程 实现对信号的采集、计算和存储。下面主要介绍微波发射单元和接收单元。 2 2 1 微波发射单元 微波发射单元主要由微波信号源、隔离器、可变衰减器、定向耦合器、微波 检波器、发射天线、直流变送器( 直流放大器) 等元件所组成。 图2 2 微波测碳仪发射单兀 如图2 2 所示，微波源所产生的功率信号首先经过隔离器，以降低反射信号对 微波源的影响，然后进入可变衰减器和定向耦合器，再分成两路信号：其中一路 信号的幅值很小，经过检波器直流检波后作为整个测试系统的参考信号；另一路 信号由发射天线发射到被测烟道空间，接收端再将接收到的功率信号进行检波和 放大，作为系统的测试信号。由于各种电厂的烟道空间尺寸均不相同，为了适应 多种工作环境，通过调节前端可变衰减器将发射功率调整至合适的输出值。 2 2 2 微波接收单元 微波接收单元主要由接收天线、微波检波器、直流变送器( 直流放大器) 、数 据采集模块和主控计算机等几个部分构成，如图2 3 所示。 8 第二章微波测碳仪系统 图2 - 3 微波测碳仪接收单元 微波发射信号穿过被测烟道空间并被飞灰大量吸收后，到达接收天线端。接 收天线将接收到的微波信号进行检波、直流放大后，作为系统的测试信号；然后 将直流参考信号和测试信号同时送入数据采集模块，通过软件编程来调用相关的 指令，进行后级数据的显示、计算和存储。为了提高系统的检测灵敏度，保证整 个测试设备在工作温度范围内的稳定性，要求接收单元和发射单元采用具有 相同性能的微波检波器。当系统安装、调试完毕后，通过调整微波信号源的 输出功率，使直流参考信号处于一个易于观察和记录的输出值。 烟道式微波测碳仪是一种单参量测试系统，它通过测量微波信号穿过待测烟 道后的幅度衰减，来近似地表达飞灰的含碳量变化，即利用参考电压和测试电压 的比值，来定量地表示含碳量值。当利用软件编程实现对两路电压的采集和计算 后，可通过传统灼烧法的方式来对整个系统进行标定，做出一条与含碳量曲线成 线性关系的模拟曲线。当锅炉正常运行时，通过查询该曲线就可以实时显示烟道 内飞灰含碳量的变化趋势。在满足一定的含碳量范围和锅炉平稳工作状态的条件 下，这种测试方法的精度很高，因此在燃煤工业系统中得到了广泛地应用。 9 电子科技大学硕士学位论文 3 1 项目简介 第三章烟道式微波测碳仪设计 为了实时地测量烟道内的飞灰含碳量，为锅炉的燃烧提供有效的指导，我们 同东方锅炉( 集团) 股份有限公司合作，共同研发新一代烟道式微波测碳仪。作者 主要负责系统的整体方案设计，包括硬件和软件的设计，以及现场测试等。 图3 - 1 烟道式微波测碳仪设计方案图 传统烟道式微波测碳仪的后级电路常采用单片机数据采集模块，单片机模块 结构比较复杂，涉及到很多电路单元，包括放大电路、a d 、d a 转换电路、数据 显示电路等。为了简化系统，通过与合作方的探讨，对传统烟道式微波测碳仪的 结构进行了改进，确立了如图3 1 所示的设计方案，即采用高精度的工业数据采 集卡来替代单片机电路。由于工业数据采集卡能够提供很高的分辨率，这样不仅 简化了整个系统的结构，而且提高了系统的测量范围和精度。 3 2 系统器件选择及参数介绍 3 2 1 微波振荡器 本次设计所选用的信号源是一种体效应管式微波振荡器【1 9 - 2 1 。这种振荡 l o 第三章烟道式微波测碳仪设计 器具有q 值高、温度稳定性好和输出功率大等特点。鉴于目前大多数工业中 使用的微波源的工作频率都在x 波段，因此我们所选用的微波源频率为 9 3 7 5 g h z ，输出功率2 0 r o w ，由于温度效应，输出功率有微小的波动。 3 2 2 隔离器 为了防止系统的反射信号对微波源产生影响，需要在微波源后面增加一 个隔离器【2 们。隔离器是非互易铁氧体二端1 ：3 微波元件，它允许电磁波从一个 方向几乎无损耗的通过，而从另一个方向传播将遇到很大的衰减。隔离器在 微波系统测量中的应用很普遍，对稳定测量信号，提高系统的匹配性能，提 高测量稳定性、准确性和可靠性等都起着十分重要的作用。 实际微波测碳仪系统根据信号源的端口类型，选用的是波导隔离器，其 工作频率为9 1 0 g h z ，反向隔离度 2 5 d b 。 3 2 3 可变衰减器 衰减器【1 9 也0 1 的作用是使通过它的微波信号得到一定量的衰减，从而减小 负载吸收的微波功率。衰减器最主要的指标就是它的衰减量，衰减量固定的 称为固定衰减器，衰减量在一定范围内可调的称为可变衰减器。 本次实验所选用的衰减器为非精密型波导可变衰减器，其工作频率为 8 2 - - - 1 2 g h z ，衰减量的动态范围为0 - - - 2 0 d b 。 3 2 4 定向耦合器 定向耦合器是一种具有方向性的多端口功率分配器件。定向耦合器的种 类多种多样，结构差异也很大，但其工作原理基本相同【1 9 】。本次实验所采用 的是波导型十字定向耦合器，其工作频率为8 2 1 2 g h z ，输入输出端口驻波 p 2 0 d b 。 3 2 5 微波检波器 检波器是利用半导体器件的非线性特性来产生直流电压，在微波系统中 可作为一个直流电压源，且电压的大小正比于微波信号功率【冽。微波检波器 的主体是一个硅晶体二极管，利用该二极管的非线性特性进行检波，将微波 信号转化为直流电压，再利用普通的电压表就可以进行相应的测量。 电子科技大学硕士学位论文 实验所选用的微波检波器为同轴检波器，这种检波器具有线性度较高、 温度漂移小、灵敏度高、端口驻波小等特点。检波器的工作频率为6 1 8 g h z ， 电压灵敏度 0 5 m v u w ，最大输入功翠p 蚴为2 5 r o w 。 3 2 6 发射( 接收) 天线 天线是一种电磁波能量的转换器，它可以将馈线中的电磁波能量转换为 空间的电磁波，这个过程叫做辐射，相反的过程叫做接收。天线的种类五花 八门，在通信、雷达、微波遥感、遥控遥测、电子对抗和射电天文学等系统 中是必不可少的部件。天线的指标参数对系统的整体性能非常关键，其设计 和研制都必须针对某一种系统对天线所提出的具体技术指标来确定。 为了便于系统的安装，实验中选用大口径喇叭天线【1 9 - 2 0 作为微波系统的 发射和接收模块，如图3 2 所示。实际系统中喇叭天线没有正对安装，而是偏 离了一个角度，如图3 3 所示。若喇叭收发天线正对安装在烟道的两侧，没有角度 的偏移，微波信号将会在烟道内壁之间多次反射，从而带来测量上的误差。而当 天线的安装偏离了一个角度，反射信号对输入信号所产生的影响就非常小。 图3 - 2 喇叭天线 3 2 7 电压隔离传感器 攘 黍 图3 - 3 天线安装位置图 天线接收到的微波信号非常小，直流检波后通常只有几十个毫伏。为了 便于系统的测量和数据显示，我们在检波器后端添加了一个电压隔离传感 器，结构如图3 4 所示。电压隔离传感器采用调制隔离原理，对电路中的电 压进行实时测量，并将其变换为标准的直流电压输出，可等效于一个标准的 直流电压放大器。隔离传感器具有高精度、高隔离、低漂移、温度范围宽等 特点，特别适用于电力系统、邮电系统和铁路系统等的实时检测。 第三章烟道式微波测碳仪设计 图3 - 4 电压隔离传感器 隔离传感器的工作电压为2 4 矿，设计中选用输入电压为0 1 0 0m v 、输 出电压为0 5v 的型号。输出电压与输入电压之间呈线性关系，若在 输入电压范围内任意给定一个值圪，则输出电压可表示成 ：监( 矿) ( 3 1 ) 。口 1 0 0 、7 7 3 2 8 数据采集模块 3 2 8 1a d a m 一4 0 1 8 数据采集卡 为了对输出信号进行正确地采集和显示，我们选用了研华科技有限公司 的a d a m 4 0 1 8 数据采集卡，如图3 5 所示。a d a m 4 0 1 8 是1 6 位a d 、8 通道的 模拟量输入输出模块，它可以采集电压、电流等模拟量输入信号，并为八个 通道都提供了可编程的输入范围。输入通道和模块之间提供了3 0 0 0 v 的电压 隔离保护，能够有效地防止模块受到高压冲击时被损坏。 图3 - 5a d a m 4 0 1 8 模块图3 - 6a d a m 4 5 2 0 模块 1 3 电子科技大学硕士学位论文 a d a m 4 0 18 模块支持6 路差分、2 路单端的输入信号。输入范围有 士5 0 胁矿、4 - 1 0 0 m v 、4 - 5 0 0m v 、4 - 1 矿、士5v 、4 - 2 0 m a 等，具体参数如下： 输入通道：6 通道差分输入，2 通道单端输入 输入类型：m v 、v 、m a ( 外接1 2 5 f 2 电阻) 采样频率：每秒l o 次采样精度；o ，5 温度漂移：4 0 u v o c分辨率：1 6 位 工作电压：2 4 v d c隔离保护：3 0 0 0 v d c 3 2 8 2a d a m - 4 5 2 0 数据转接模块 许多商业计算机都是使用r s 2 3 2 作为串口通信标准，其信号传输距离和 网络容量都十分有限。r s 4 2 2 和r s 4 8 5 通信标准，采用不同的电压线来进行 数据和信号的控制，很好的解决了r s 2 3 2 所存在的问题。a d a m 4 5 2 0 数据转 接模块即是采用r s 4 8 5 的通信标准，不需要改变电脑的任何硬件设备，能够 有效的提高信号的传输距离、质量和效率。 a d a m 4 5 2 0 数据转接模块的传输速率可达1 1 5 2 k b p s ，网络连接距离可 到4 0 0 0 英尺。其输入端为r s 4 8 5 通讯端口、输出端为r s 2 3 2 通讯端口，输出 端口直接连接到主控计算机的c o m l 串口进行数据通信。模块内部还提供了 3 0 0 0 矿的电压隔离保护，防止高瞬态信号的击穿。图3 - 6 为实验所选用的 a d a m 4 5 2 0 数据转换模块，其工作电压为2 4y 。 3 2 9 实验箱体 为了满足连续、实时运行的需要，要求系统能够在各种恶劣条件下( 比 如高温、高压、外界的各种电磁干扰等) 长时间连续稳定地工作。为了降低 各种因素对测试系统的干扰，提高系统的机械性能和稳定性，我们将系统器 件固定安装在一个封闭的控制箱体内，其结构如图3 7 。控制箱体包括发射 箱体和接收箱体，分别安装于飞灰烟道的两端。箱体采用全金属设计，底部 配有可移动的安装立柱，可自由设定安装的空间。输出电压信号线、系统电 源线和插座等均通过箱体底部开孔与外部电路进行连接。 1 4 第三章烟道式微波测碳仪设计 图3 7 实验控制箱体图3 - 8 程序流程图 3 3 软件界面设计 当前可视化编程是一大趋势，为了对系统的输出电压进行正确地采集和 处理，我们采用d e l p h i 软件编程设计了可视化数据显示界面。程序的流程 图如图3 8 所示，先通过调用软件指令提取相应的参考信号和测试信号，再 对两路信号进行显示、计算和存储等操作。系统显示界面如图3 - 9 所示，可 以将其分为测碳值曲线显示窗口、测量指示关系曲线标定窗口和初级测试数 据浏览窗口等三个模块。显示界面下方的两个空白窗口是测试数据实时显示 窗口，该窗口包括了系统启动按钮、停止按钮和退出按钮等。 参考信号和测试信号经直流检波后变成模拟电压信号，信号首先经过 a d a m 4 0 1 8 数据采集卡，将模拟信号转换成数字信号；再经过a d a m 4 5 2 0 转换模块，将数字信号读入主控计算机；最后由程序调用动态链接库，进行 后级数据的读取、计算和存储。当系统的安装位置固定好以后，就可以标定 飞灰含碳量与参考电压和测试电压比值的关系曲线，得到飞灰含碳量与电压 比值的线性关系式。在锅炉实际运行期间，就可以根据标定的关系曲线计算 出飞灰含碳量的实际数值，并通过可视化界面实时地显示出来。 电子科技大学硕士学位论文 ll l lll l l 瓣l l llll l l 瓣lll l l 燮攒戮l l ll l ll l ili e b e 口一 选捧渊览日蚜：再画面五。叠报警高隈i 定e 三至圃耍耍至三三亟甄匡二三三亘甄豳 图3 - 9软件采集界面 实时数据采集界面的特点包括以下几个方面： 1 动态、实时地反映烟道中飞灰含碳量的变化趋势和具体数值。 2 定时记录动态参考电压和测试电压数据，并可根据需求指定查询时间，以 方便找到历史数据。 3 可以有效地判断通讯状态的正常与否。 4 系统每隔3 0 秒自动记录一次数据，包括参考电压、测试电压和飞灰含碳 量值，将所有数据存入库文件并保存到指定硬盘的根目录下。 5 报警高限设置，含碳量超过一定数值后，系统会提示相关的报警信息。 3 4 收发系统的安装 经过对器件的选择和测试，我们首先在实验室搭建了烟道式微波测碳仪的测 试平台，并经过反复地调试和修正，确定了整体系统的结构；然后根据合作方的 项目需求，将本套系统安装在贵州铝热发电厂的9 号炉进行了现场测试。 系统安装时，采取在烟道壁上开孔的方法，即在水平烟道壁上割开一个长方 形孔，孔的尺寸根据喇叭天线的大小来确定，位置约在烟道壁中间偏上，如图3 1 0 和3 1 1 所示；再将耐高温的聚四氟乙烯对接固定在方形孔的位置上，聚四氟乙烯 应该在锅炉停炉后安装，而收发系统的安装调试可以在锅炉运行期间实施：最后 在烟道壁两端各安装一个高度相同的支架，以便固定微波收发装置。 1 6 第三章烟道式微波测碳仪设计 图3 1 0 水平烟道管图3 1 1 天线安装图 微波收发装置需配备有防阳光直射和防水顶棚等措施，并通过烟道外壁和收 发装置之间加放隔热材料来降低烟道内的热辐射。为了保证微波收发装置中的各 个器件能够正常地工作，降低温度变化对测试系统的影响，还需要在安装位置的 高温蒸汽管段包裹隔热材料来防止热辐射。 将整个测试系统的发射装置和接收装置分别放置于两个支架上，如图3 1 2 和 3 1 3 所示。首先接通系统电源线和数据线，检查系统是否正常工作，各数据是否 正确采集；然后调节发射端的可变衰减器，观察参考电压和测试电压的变化；经 过反复调整，找到一个最佳值，使得此时的电压数据易于观察和记录。信号穿过 的测试空间由收发系统的安装位置来决定，当系统通电调试完成以后，收发装置