基于嵌入式处理器的红外火焰检测装置的设计.doc

摘 要 I 基于嵌入式处理器的红外火焰检测装置的设计基于嵌入式处理器的红外火焰检测装置的设计 摘摘 要要 随着国民经济的高速发展 我国工矿企业等国民经济生产单位对电能和热 能的需求量正在迅猛地增长 这促使大型火力发电站 石油化工型动力站 城 市集中式供热站和厂矿废料燃烧站等重要国民经济生产单位使用的大型锅炉日 益增多 大型锅炉炉膛内燃烧情况复杂且燃料供给量大 监控锅炉的整体燃烧 情况显得尤为重要 检测装置的性能直接影响到在役电站锅炉的安全性和经济 性 研发出高性能的火焰检测装置将具有良好的社会效益和经济效益 大型锅炉运行情况复杂 运行人员在做控制决策时往往希望能够掌握尽可 能多的工况参数 同时大型锅炉用户更希望关键性设备能在故障发生之前的合 理时间范围内给出告警信息以便有针对性地安排设备检修 避免非计划性停产 造成经济损失 客户已迫切要求火焰检测装置不仅能可靠地判定出火焰是否存 在 而且能提供火焰燃烧稳定度的定量分析结果 本文首先对火焰的物理特性 进行了进一步的分析 并使用傅里叶变换 短时傅里叶变换和小波变换等多种 分析方法对采样的火焰数据进行分析和对比 并结合具体硬件处理平台分析这 几种分析方法在判定火焰存在及火焰燃烧质量方面的优缺点 以确定最优效能 的信息提取方法 只有对被检测对象的特性进行深入了解之后才能有针对性地开展工作 因 此首先对炉膛煤粉火焰的物理特性进行详细的分析 特别涉及到对煤粉火焰的 红外辐射特性的分析 通过分析后认为煤粉火焰信号是一类 准平稳 信号 确定红外型火焰检测装置的检测视场的选取原则 根据煤粉火焰的特性确定了 火焰检测装置所应采用的系统采样频率 并确定了抗混叠滤波器的相关参数的 取值范围 傅里叶变换是信号处理中最常用的处理方法之一 文中对傅里叶变换理论 基础进行了简单介绍 详细地描述了快速傅里叶变换算法的具体数学实现 对 煤粉火焰数据使用快速傅里叶变换方法进行信息提取 对提取到的信息进行了 分析 由于标准傅里叶变换只在频域中具有局部分析能力 而在时域内不具备局 部分析能力 文中介绍了短时傅里叶变换的理论基础 较为详细地描述了短时 傅里叶变换算法的具体数学实现过程 并对煤粉火焰数据使用短时傅里叶变换 成都理工大学硕士学位论文 方法进行信息提取 经过分析后认为这种方法不但可以准确地识别出燃烧器处 是否存在煤粉火焰信号 而且较为准确提供判断燃烧稳定度方面的信息 小波变换是在傅立叶变换无法满足非平稳信号的分析要求而产生的一种新 变换方法 它在本质上是一种时频分析方法 具有多分辨率分析的优秀品质 成功地克服了短时傅立叶变换的单一分辨率的缺陷 小波变换具备在时频域内 表征信号特征的能力 文中简略地介绍了小波变换的理论基础 对选择母小波 的进行了分析 同时较为详细地描述 Mallat 算法的具体数学实现过程 并对煤 粉火焰数据使用小波变换方法进行信息提取 经过分析后认为这种方法不仅可 以准确地识别出燃烧器处是否存在煤粉火焰信号 而且能准确提供出判断燃烧 稳定度方面的信息 并且能够精准地提供关键的时频域信息 考虑到火焰检测装置的硬件系统当前的发展和使用情况 认为短时傅里叶 变换是目前综合效能较佳的一种用于煤粉火焰信号信息提取的方法 小波分析 方法具有非常显著的信息提取效果 在系统硬件允许的情况下 应重点考虑使 用小波分析方法对煤粉火焰信号进行信息提取 小波分析方法在今后会日益广 泛地具体应用到火焰分析的工程实践中 针对传统火焰检测设备的探头输出信号容易出现饱和失真的情况 在探头 电路中引入了对数放大电路 将动态范围压缩到便于处理的程度之内 将传统 火焰检测设备的信号滤波方式由无源滤波方式改进为有源滤波方式 更高效地 滤除了有用频带外的干扰信号 利于后继的数字信号处理 本火焰检测装置的核心处理器是 AT91SAM9G45 嵌入式处理器 拥有强大 数据处理能力和业务管理能力 成功地在该火焰检测设备上分别实现基于短时 傅里叶变换的信息提取和基于小波变换的信息提取 目前该型号火焰检测设备 已应用于多个不同炉型的大型锅炉上 它们均能正确地识别煤粉火焰的存在 并能较准确地给出燃烧稳定度的信息 取得了良好的社会效益和经济效益 关键词关键词 火焰检测装置 红外 傅里叶变换 短时傅里叶变换 小波变换 对 数放大 嵌入式处理器 Abstract III Designing of embedded processor based infrared flame detection device Introduction of the author LiYiping male was born in July 1983 whose tutor was Professor HuangHu He graduated from Chengdu University of Technology in Electronics and Communications Engineering major and was granted the Master Degree in June 2013 Abstract Due to the complexity of the operation of large scale boiler run control decisions tend to want to be able to grasp as much as possible working parameters Large boiler users are more critical equipment within a reasonable time prior to the failure alarm information is given in order to arrange equipment maintenance to avoid unplanned shutdown caused economic losses The customer has an urgent requirement flame detection device not only be able to reliably determine the presence of the flame and flame stability Qualitative and quantitative analysis results Firstly further analysis on the physical characteristics of the flame and the use of Fourier transform short time Fourier transform and wavelet transform a variety of analytical methods for sampling Fire data analysis and comparison and combined with a specific hardware processing platform analysis of the advantages and disadvantages of several analytical methods to determine the presence of a flame and the flame quality information extraction method to determine the optimal performance Only after depth understanding of the characteristics of the object to be detected can be targeted to work First to conduct a detailed analysis of the physical characteristics of the furnace pulverized coal flame and in particular relates to the analysis of the infrared radiation characteristics of the pulverized coal flame and through analysis that the pulverized coal flame signal is a quasi stationary signal Determine the infrared flame detection device detection field of view of the principle of selecting Flame detection device to be used by the system sampling frequency is determined according to the characteristics of the pulverized coal flame and to determine the range of the anti aliasing filter parameters 成都理工大学硕士学位论文 The Fourier transform is one of the most commonly used approach in modern signal processing a brief introduction of the theoretical basis of the Fourier transform fast Fourier transform algorithm mathematical process is described in more detail Pulverized coal flame using the fast Fourier transform method of information extraction and extract the information Since the standard Fourier transform in the frequency domain with local analytical capacity and do not have the local analysis capabilities in the time domain the Dennis Gabor in 1946 introduced the concept of short time Fourier transform This paper introduces the theoretical basis of the short time Fourier transform a more detailed description of the short time Fourier transform algorithm mathematical process and the pulverized coal flame data using the short time Fourier transform method of information extraction After the analysis that this method can accurately identify the existence of a pulverized coal flame at the burner signal but more accurately determine the combustion stability information The wavelet transform is a new transformation method can not meet the requirements of the analysis of non stationary signals generated in the traditional Fourier transform Essentially it is a time frequency analysis method with a multi resolution analysis of excellent quality successfully overcome the defects of the short time Fourier transform of a single resolution The more important is the wavelet transform with the characterization of signal characteristics in the time domain This paper introduces the theoretical basis of wavelet transform the mother wavelet analysis on how to choose a more detailed description of the Mallat algorithm specific mathematical process pulverized coal flame data and information extraction using wavelet transform method After analysis this method can accurately identify the existence of a pulverized coal flame at the burner signal and can accurately judge combustion stability information and the ability to accurately provide the critical time frequency domain information Flame detection device hardware system taking into account the current development and use of the short time Fourier transform is the better overall performance of a pulverized coal flame signal information extraction method The wavelet analysis method has very significant information extraction in the case of system hardware allows should focus on information extraction using wavelet analysis of pulverized coal flame signal wavelet analysis method in the future will Abstract V increasingly wide range of specific applied to the analysis of flame engineering practice Prone to saturation distortion introduced in the probe circuit of the logarithmic amplification circuit the dynamic range is compressed to the degree of ease of handling within the probe output signal for conventional flame detecting apparatus The traditional flame detector device signal filtering methods improved by the passive filter active filter more efficiently filter out the useful band interference signals in favor of subsequent digital signal processing The flame detection device core processor is AT91SAM9G45 embedded processor with powerful data processing capability and business management capabilities Successfully in the flame detection device to achieve short time Fourier transform based information retrieval and information extraction based on wavelet transform The Model flame detection device is used in a number of different furnace large boilers They are able to correctly identify the presence of a pulverized coal flame and give more accurate information of the combustion stability and achieved good social and economic benefits Keywords Flame detection device Infrared Fourier transform Short time Fourier transform Wavelet transform Logarithmic amplification Embedded processor 成都理工大学硕士学位论文 VI 目目 录录 第第 1 1 章章引言引言 1 1 1 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义 1 1 2 光能式火焰检测装置的发展简史光能式火焰检测装置的发展简史 2 1 3 红外型火焰检测装置的检测方法红外型火焰检测装置的检测方法 2 1 3 1红外型火焰检测装置的常规检测方法 2 1 3 2对红外型火焰检测装置的改进 3 1 4 本文主要内容及成果本文主要内容及成果 3 第第 2 2 章章炉膛煤粉火焰的物理特征炉膛煤粉火焰的物理特征 5 2 1 炉膛煤粉火焰物理特征炉膛煤粉火焰物理特征 5 2 1 1煤粉火焰的物理特征 5 2 1 2锅炉燃烧器处主火焰特征和背景特性 5 第第 3 3 章章煤粉火焰的信号处理与分析煤粉火焰的信号处理与分析 8 3 1 煤粉火焰燃烧信号的特性煤粉火焰燃烧信号的特性 8 3 1 1火焰信号的采样率和抗混叠滤波 8 3 2 火焰信号的傅里叶分析火焰信号的傅里叶分析 10 3 2 1傅里叶变换的理论基础 10 3 2 2傅里叶变换的 FFT 算法分析 13 3 2 3傅里叶分析方法在煤粉火焰分析的工程应用实例 17 3 3 火焰信号的短时傅里叶分析火焰信号的短时傅里叶分析 20 3 3 1短时傅里叶变换的理论基础 20 3 3 2离散信号的短时傅立叶变换及其实现 24 3 3 3短时傅里叶分析方法在煤粉火焰分析的工程应用实例 25 3 4 火焰信号的小波分析火焰信号的小波分析 28 3 4 1小波变换的概述 28 3 4 2小波的概念 29 3 4 3连续小波变换 29 3 4 4离散小波变换 30 3 4 5二进小波变换 31 3 4 6多分辨率分析 31 3 4 7小波分解和重构的 Mallat 算法 33 目录 VII 3 4 8小波母函数的选取 35 3 4 9小波分析方法在煤粉火焰分析的工程应用实例 38 3 5 小结小结 40 第第 4 4 章章系统硬件设计系统硬件设计 42 4 1 硬件系统的总体架构硬件系统的总体架构 42 4 2 数字中央处理单元数字中央处理单元 43 4 2 1微处理器的选择 43 4 2 2模拟数字转换器 44 4 3 探头电路探头电路 46 4 3 1光电转换电路 46 4 3 2对数放大电路 48 4 3 3抗混叠滤波电路 50 4 3 4通信模块 51 结结 论论 53 致致 谢谢 55 参考文献参考文献 56 攻读学位期间取得学术成果攻读学位期间取得学术成果 59 第 1 章 引 言 1 第第 1 1 章章 引言引言 1 1 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义 随着国民经济的高速发展 我国工矿企业等国民经济生产单位对电能和热 能的需求量正在迅猛地增长 这促使大型火力发电站 石油化工型动力站 城 市集中式供热站和厂矿废料燃烧站等重要国民经济生产单位使用的大型锅炉日 益增多 在电力生产行业 使用大型电站锅炉的数量迅猛增长 已形成以 600MW 和 1000MW 型式占主体地位的局面 2010 年底我国火电厂的装机容量已达 到火电装机累计达 7 亿千瓦 占装机总容量的 73 68 到 2015 年我国火电装机 容量将达 9 33 亿千瓦 新增装机的需求约 340 亿元 1 大型锅炉炉膛内燃烧情 况复杂且燃料供给量大 监控锅炉的整体燃烧情况显得尤为重要 在某些异常 工况下会出现多个燃烧器因故障熄火 如未能及时察觉并采取必要的防护措施 则会有大量未点燃的燃料喷射进炉膛中 未燃烧的燃料积聚到一定数量后 极 易引发爆燃而酿成严重的安全事故 会带来巨大的社会经济损失 2 因此 国 家明确了对大型锅炉装备 锅炉炉膛监控系统 是解决锅炉爆裂问题的最有效 的自动保护和控制的方式 多个相关部门也明文规定 今后凡新装投产机组必 须安装火焰检测和安全防爆装置 现有机组在条件许可的情况下必须设法加装 原国家电力电力部规划设计院也颁布了 锅炉安全监控系统设计技术规定 DLGJ116 93 其中对火焰检测装置做了明确的规定 火焰检测装置的性能直接影响到在役电站锅炉的安全性和经济性 在电厂 的锅炉炉膛保护系统中 火焰检测装置的判定结果为强制的非可屏蔽信号 能 直接作用于整个发电机组系统的跳闸 如果火焰检测装置未能及时觉察燃烧器 因故障熄火而同时供料机构仍继续按正常给料量往炉膛中喷射燃料 极易发生 灾难性后果的爆燃或爆炸事故 如火焰检测装置将正常燃烧情况误判为燃烧器 故障熄火而作用于整个系统的跳闸 整个电厂将被迫进入事故停产状态并在耗 时几十小时以上完成事故定位和分析后才能重新启动机组 并且电网系统需要 在发电机组事故跳闸后进行紧急调度 这将会造成巨大的经济损失和造成严重 的社会影响 因此各大型锅炉用户对大火焰检测装置的靠性提出了极高的要求 并在设备采购资金预算中予以优先考虑 基于社会效益和经济效益的考虑 国 内外众多科研机构和设备制造厂商投入了大量的人力物力来研发高性能的火焰 检测装置 成都理工大学硕士学位论文 2 我们可以由此看出 研发出高性能的火焰检测装置将具有良好的社会效益 和经济效益 特别是将基于特定对象的高效可靠算法与特定的硬件平台相结合 起来后 将为整个产品带来巨大的经济效益和客户忠诚度 1 2 光能式火焰检测装置的发展简史光能式火焰检测装置的发展简史 传统的火焰检测装置通常使用模拟电路的方式检测燃烧器内可见光强度以 进行火焰是否存在的判断 这类火焰检测装置在保障旧式小型锅炉的安全运行 中发挥过巨大作用 但在使用中暴露出很多问题 如 模拟电路的调试整定过 程过于复杂 需要熟练的工程技术人员进行调试 模拟电路的温度特性对设备 安装位置提出了较高要求 在事后故障分析中无法提供关键时刻点的观测参数 等 随着锅炉制造技术的发展 出现了内置多组燃烧器的大型锅炉 内部的多 组燃烧器之间可并行调度投切 这时只要有一组燃烧器处于工作状态 整个炉 膛内的可见光强度会达到较高水平 传统的可见光型火焰检测装置在此工况下 已无法准确识别燃烧器的工作状况 3 这促使火焰检测装置的光敏检测对象区 间从可见光区间转向红外线或者紫外线区间 同时随着数字信号分析处理技术 和电子元器件的发展和进步 数字型火焰检测装置逐步在该领域中获占据了主 导地位 1 3 红外型火焰检测装置的检测方法红外型火焰检测装置的检测方法 1 3 1 红外型火焰检测装置的常规检测方法 火焰检测装置的光敏检测模块负责将光信号的变化转换为电信号的变化 然后再通过模数转换器将电信号的变化转换为数字处理单元可以识别的数字量 大部分火力发电厂的燃料是煤粉 通过分析煤粉燃烧时候的辐射特性 4 一般 会选用检测红外光的强度和频率的方式来判定燃烧器的运行情况 获取相关的电学信号后 需要对其进行有效的分析处理以提取出关键信息 目前国内外尚未制定出分析此类信号的规范或者标准 因此如何有效地提取和 解读信号中的信息成为研发火焰检测装置的核心难点 目前绝大多数火焰检测 装置是对主燃料进行火焰检测 通常利用不同形式的辐射能量或者频谱分析技 术来检测火焰 主要是利用快速傅立叶变换将时域信号转为频域信号进行信号 第 1 章 引 言 3 分析和提取 获取火焰信号的相应特征参数 1 3 2 对红外型火焰检测装置的改进 根据煤粉燃烧论的观点 其燃烧的脉动频率一般不超过 200Hz 5 通过对 多个在役电厂的燃烧器进行现场跟踪测试 发现某些型号的燃烧器工况良好时 也会因管道配风发生暂态波动等因素在某些时刻出现短暂的亮度突然增大的现 象 这种类型的亮度突然陡增容易导致传统的线性信号放大器出现饱和失真 使输出信号中产生新的谐波成分 改变了原信号频谱特性 通过对火焰信号特 性的分析 在光敏检测模块中引入了对数放大器 通过合理设定对数放大器的 参数 既能以非常低的非线性失真度放大使得 200Hz 以下的信号 又避免出现 饱和失真现象 这克服了线性放大器固有的缺点 为后继的信号的分析打下良 好的基础 由于大型锅炉运行情况复杂 运行人员在做控制决策时往往希望能够掌握 尽可能多的工况参数 同时大型锅炉用户更希望关键性设备能在故障发生之前 的合理时间范围内给出告警信息以便有针对性地安排设备检修 避免非计划性 停产造成经济损失 客户已迫切要求火焰检测装置不仅能可靠地判定出火焰是 否存在 而且能提供火焰燃烧稳定度的定量分析结果 本文的后续部分将对对 火焰特性进行了进一步的分析 并使用傅里叶变换 短时傅里叶变换和小波变 换等多种分析方法对采样的火焰数据进行分析和对比 并结合具体的硬件处理 平台分析这几种分析方法在判定火焰存在以及判定火焰燃烧稳定度方面的优缺 点 以确定最优效能的信息提取方法 这是研发工作的核心组成部分 它会直 接影响到火焰检测装置的最终效能和市场拥有率 1 4 本文主要内容及成果本文主要内容及成果 本文对炉膛煤粉火焰的特性进行分析 特别涉及到对煤粉火焰的红外辐射 特性的分析 以及红外信号在炉膛空间内的分布情况 确定红外型火焰检测装 置的检测视场的选取原则 对火焰的红外信号进行傅里叶变换 短时傅里叶变换和小波变换等多种分 析方法的分析和对比 分析它们在确定火焰是否存在和判断火焰燃烧稳定度方 面的优缺点及最佳应用场合 对红外型火焰检测装置的硬件电路进行了详细介绍 分析了在光敏检测模 块中引入了对数放大器的作用及效果 研究了 AT91SAM9G45 型 ARM9 处理 成都理工大学硕士学位论文 4 器系统的主要特性及功能 对该型号火焰检测装置的电厂现场应用情况进行了分析 实际应用表明该 型号火焰检测装置具有良好的效能和可靠性 第 2 章 炉膛煤粉火焰的物理特征 5 第第 2 2 章章 炉膛煤粉火焰的物理特征炉膛煤粉火焰的物理特征 2 1 炉膛煤粉火焰物理特征炉膛煤粉火焰物理特征 对炉膛煤粉火焰的特征进行深入研究 会有助于火焰检测装置的系统级综 合研发 有助于火焰检测装置中光电转换器件和有关线性放大电路的设计和选 型 有助于微处理器系统电路设计和软件功能的研究开发 2 1 1 煤粉火焰的物理特征 物体的温度高于绝对温度时 会因为其内部带电粒子的热运动而面向外界 发射不同波长的电磁波 这成为物体的热辐射 6 在物体温度未超过特定的数 值时 物体热辐射能量的分布是波长的函数 当物体温度升高时 辐射能量的 分布曲线将向波长变短的方向移动 且辐射的总量能量会增大 当温度降低时 辐射能量的分布曲线将向波长变长的方向移动 而且辐射总能量会减少 在已 知煤粉火焰的主火焰区温度范围值 约在 1200 摄氏度 时 根据维恩位移定理 7 绝对黑体的与辐射本领最大值相对应的波长 和绝对温度 T 的乘积为一常 数 推算出煤粉火焰的峰值辐射波长位于红外光谱范围 波长在 800 1200nm 内 现代燃烧论的观点认为 煤粉火焰的燃烧过程实际上是由数量庞大的小型 受限空间内的爆燃所组合而成 大量同时发生的微观小型受限空间内的爆燃在 宏观上表现为火焰具有脉动特征 称为火焰闪烁 8 煤粉通过不同结构的燃烧 器进行燃烧时 都会有特定的火焰闪烁的频率带宽 煤粉的燃烧的过程中会释 放出大量红外线能量 这些具有特定频率特征的红外线能量形式可以作为检测 煤粉火焰是否存在的物理基础 9 也对光敏器件的选型提出了参数约束 2 1 2 锅炉燃烧器处主火焰特征和背景特性 煤粉主火焰在锅炉燃烧器中的燃烧过程在时间和空间上主要分为 预热 着 火 燃烧 燃尽 四个典型阶段 在每一个典型阶段中 煤粉火焰的光谱频率分 布和火焰强度都会有明显的差异 主要的阶段如下 10 第一个阶段为预热阶段 煤粉和一次热风相混合 燃料粒子大量吸收炉膛 烟气中的热量 其本身辐射出的能量非常低 形成了黑龙区 此阶段发射的红 成都理工大学硕士学位论文 6 外光线很弱 频率与光强的变化比较复杂 该区域通常不应落入火焰检测装置 的检测视场区域内 第二个阶段为着火阶段 部分煤粉燃料颗粒开始燃烧 它们为大量颗粒燃 烧提供温度条件 随着燃料颗粒表面温度的快速升高 燃料粒子将发生爆裂 形成着火区 在着火阶段 光辐射能量不是最强 亮度不是最大 但是亮度的 变化频率却是最高的 第三个阶段为燃烧阶段 大量煤粉燃料颗粒开始爆裂并燃烧 释放出大量 热能 温度急剧上升 产生明亮的火焰 形成完全燃烧区 此阶段光的辐射最 强 亮度达到最大 但是亮度变化的频率却是最低的 在完全燃烧区 红外辐 射的强度约占煤粉火焰总体强度的 30 左右 使用红外类型的检测器能达到最 好的测量效果 第四个阶段为燃尽阶段 煤粉燃料颗粒绝大部分已燃烧完毕并形成飞灰 只有极少量较大颗粒继续进行燃烧 最后形成高温气流 形成燃尽区 此阶段 亮度变化频率较低 火焰检测装置的视场区中不仅存在燃烧器喷出煤粉火焰 而且会存在锅炉 炉膛的背景辐射光 并且有可能会存在邻近燃烧器的火焰 在分析目标主火焰 的时候需要对这两个因素加以考虑 特别需要对它们的频率和强度是如何分布 的做较为深入的分析 高温的锅炉炉壁本身也是强度极强的红外辐射源 然而它的光谱频率变化 范围是比较窄的 其频率也很低 锅炉炉壁会对煤粉火焰的红外光线起吸收和 反射的作用 反射红外光线所产生的闪烁频率也是非常低的且其强度远低于炉 壁的红外辐射强度 可知炉膛内的背景红外辐射具有低频窄带宽的特性 火焰检测装置的主要功能是对锅炉中的单个燃烧器的燃烧状况进行观测和 分析 对于四角切圆燃烧方式的锅炉 火焰检测装置的主视线可能会穿过目标 火焰的高频区射向相邻燃烧器火焰的低频区 对于对冲燃烧方式的锅炉 火焰 检测装置的主视线可能会出现既穿过目标火焰的高频区又穿过对冲火焰的高频 区的情况 但在该情况下两个火焰高频区之间的距离较远 对冲火焰的强度会 显得较弱 此时 虽然主火焰和对冲火焰的高频区是重叠的 但它们的强度差 异大 通过合理的技术手段是可以使得火焰检测装置 无视 对冲火焰的存在 11 如果将锅炉背景辐射的信号和邻近燃烧器的火焰信号视为叠加在主火焰信 号上的干扰信号 则干扰信号具有在低频区域内基本集中在直流分量附近 在 高频区域内能量分量较小的特性 因此可以使用合理选择信号的分析频段范围 第 2 章 炉膛煤粉火焰的物理特征 7 对高频区域的分析结果采取去本底值等常用的信号处理方法来减弱干扰信号对 主火焰信号的影响 对多个不同炉型的锅炉的多种煤粉燃烧器进行了火焰数据 采集 通过分析所采集到的数据 我们认为对于煤粉燃烧器将敏感信号频带设 置在 10 Hz 200 Hz 范围内是比较合理的 成都理工大学硕士学位论文 8 第第 3 3 章章 煤粉火焰的信号处理与分析煤粉火焰的信号处理与分析 火焰检测装置的核心任务是采集火焰燃烧信号并使用可靠的判别方法对燃 烧信号进行燃烧情况的判别 本章将从信号处理的视角 分析煤粉火焰燃烧信 号的物理特性 现场火焰燃烧数据采集时的参数设定 然后对煤粉火焰燃烧数 据分别进行傅里叶变换 短时傅里叶变换和小波变换的信号处理 通过分析和 对比得出识别煤粉火焰燃烧状况的信号处理流程 3 1 煤粉火焰燃烧信号的特性煤粉火焰燃烧信号的特性 从物理角度而言 信号就是承载某种信息的物理量的变化历程 从数学角 度而言 信号就是函数 就是某一变量随时间或频率或其它变量而变化的函数 工程上 信号常常表现为一组数据或者波形 这组数据通常是由某一设备从物 理系统中检测得到的 以数据的形式存储在某种介质上 12 例如煤粉火焰信号 就是一种能表征煤粉在特定工况下燃烧过程的信号 它在工程实践中通常被采 样量化后存储到存储器中以供后继的分析处理之用 可以按照不同的分类标准对信号进行分类 按照信号的性质分类 信号可 分为确定性信号和随机信号 确定性信号是指在相同的实验条件下 能重复出 现被测变量的信号 随机信号是指在相同的条件下不能重复出现被测变量值的 信号 其中确定性信号又分为周期信号和非周期信号 随机信号分为平稳随机 信号和非平稳随机信号 所谓非平稳随机信号亦即其统计特性是时间的函数 从严格的数学和物理意义而言 自然界中真实存在的信号都属于非平稳随机信 号 13 理论和实践都表明 工程实践中获得的各种物理动态信号 它们的平稳 性都是相对的和局部的 而非平稳性是绝对的和广泛的 煤粉火焰信号也是如 此 但其变化的剧烈程度远远没有语音信号那么复杂和迅速 因此可以将煤粉 燃烧火焰信号视为一种 伪平稳信号 或者 准平稳信号 煤粉燃烧火焰信号 的这种 准平稳 特性是选用分析方法的重要前提依据 3 1 1 火焰信号的采样率和抗混叠滤波 自然界中真实存在的物理信号大都是以连续形式存在的模拟信号 对这种 连续信号进行模拟方式的处理时难以做到高精度 同时也存在着受环境影响大 可靠性差 灵活性不佳和数字处理系统无法直接识别等缺点 为了让数字处理 第 3 章 煤粉火焰的信号处理与分析 9 器进行高速的信号处理 首先应对现场实验数据进行采集与存储 用离散的时 间信号不失真的表征连续时间信号 众所周知 连续的时间信号变为离散时间 信号是通过抽样来完成的 抽样就是利用周期性的抽样脉冲系列从连续信号中 抽取一系列的离散值 得到抽样信号 一个连续时间信号经过抽样后 其频谱 将以抽样频率为间隔而产生周期延拓 14 所以必须慎重选择抽样频率 为了保 证采样后的信号能真实地保留原始模拟信号的信息 采样信号的频率必须至少 为原信号中最高频率成分的 2 倍 这是采样的基本法则 称为采样定理 15 在 采样实践的时候需要注意到 在对信号进行采样时 满足了采样定理 只能保 证不发生频率混叠 保证对信号的频谱作逆傅里叶变换时 可以完全变换为原 时域采样信号 xs t 而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号 x t 16 因此 工程实践中的采样频率通常至少要求大于被采样信号最高频率成分的 3 到 5 倍 对于最高频率成分值较低的被采样信号 在工程实践中通常要求采样 频率大于被采样信号最高频率成分的 10 倍以上 燃烧器完全燃烧区处的红外光线的波动强度较小 频谱范围较窄 其燃烧 脉动频率一般不超过 200Hz 根据奈奎斯特抽样定理可知要保证抽样后能够不 失真的地还原出原始火焰燃烧信号 则抽样频率必须大于 2 倍信号频谱的最高 频率 即采样频率至少要在 400 Hz 以上 要能保证此时的采样信号能详尽真 实地反映原信号 则抽样频率应大于 10 倍信号频谱的最高频率 即采样频率 至少要在 2000 Hz 以上 为了方便后续数字信号的处理和分析 采样频率最好 选用 2 的整数次幂的数值 在项目实践中我们采用的采样频率为 2048 Hz 每 段分析数据采样 1024 个数据值 即在约 500mS 的时间间隔内采样 1024 个 数据 该采样频率的确定也考虑到了燃烧器的实际工况 在大多数情况下能保 证数据采集过程中至少采样到了一个完整的暂态工况变化过程 尽可能地将火 焰的燃烧状况准确的记录下来 在进行动态信号采样时必须考虑到要进行抗混叠滤波 否则可能出现会模 拟信号中的高频信号映射到低频段从而导入了虚假频率成分的现象 这种现象 通常称为混叠 在实践中 我们通常只关心一定频率范围内的信号成份 而不 希望这频率范围之外的信号成分映射到我们关心的频率范围内 即要防止出现 频率混叠现象 因此我们在对模拟信号进行离散化采集之前需要进行抗混叠滤 波 采用低通滤波器滤除高于 1 2 采样频率的频率成份 按照一般性的仪器设 计经验 这个低通滤波器的截止频率为 Fc fs 2 56 3 1 成都理工大学硕士学位论文 10 其中 fc 为低通滤波器的截止频率 fs 为采样频率 我们选用的采样频率 为 2048 Hz 由式 2 1 可知低通滤波器的截止频率不应高于 800 Hz 考虑到 我们关心的频率范围为 10 200 Hz 在实际设计过程中经过综合考虑之后将低 通滤波器的截止频率设定在 800 Hz 3 2 火焰信号的傅里叶分析火焰信号的傅里叶分析 3 2 1 傅里叶变换的理论基础 17 傅里叶 Fourier 1768 1830 法国人 1807 年 完成了关于热传导理 论方面的研究 并提出 任何 周期信号都可以利用正弦级数来表示 18 1829 年 狄里赫利给出了若干精确条件 为傅里叶级数和积分建立了理论基础 由 于正弦信号在科学和许多工程领域中起着重要作用 因而傅里叶级数和变换在 许多领域得到广泛应用 傅里叶分析的基本思想是将信号在一组三角函数上展 开 从而把信号的时域和频域联系起来 19 对于周期信号可以用三角函数的线性组合来表示 设为一连续时间周 tf 期函数 其周期为 角频率 将展开为傅里叶级数 有 T T 2 0 tf sin 2sin sin cos 2cos cos 00201 002010 tnbtbtb tnatataatf n n 3 sin cos 1 000 n nn tnbtnaa 2 式中 余弦分量系数 T n ttntf T adcos 2 0 正弦分量系数 T n ttntf T bdsin 2 0 直流分量 T ttf T ad 1 0 第 3 章 煤粉火焰的信号处理与分析 11 上式的积分区间常取或 如果将上式中的同频率项加以合并 0 T 2 2 TT 可以写成另一种形式 或 1 00 cos n nn tncctf 1 00 sin n nn tnddtf 严格的数字证明表明 任何满足狄里赫利条件的周期性信号可分解为直流 和许多正弦 余弦分量的系数加权和的形式 其中第一项为常数项 它是周 0 a 期信号中所包含的直流分量 式中正弦 余弦分量频率必定是基频 0 的整数倍 一般把频率为的分量称为基波 频率为 2 0 T 0 0 2 等分量分别称为二次 三次谐波等 0 3 对于非周期信号而言 可以将其看成是周期 T 趋于无限大的周期信号 当 周期信号的 T 增大时 谱线间隔变小 若周期 T 趋于无限大 则谱线的间隔趋 于无限小 这样离散频谱就变成连续频谱了 同时 谱线的长度趋于 0 nF 0 这就是说按前面所表示的频谱将不复存在 失去应有的意义 但从物理概念 上考虑 非周期信号的频谱仍应存在 基于上述原因 非周期信号不能采用傅 里叶级数展开的方法 而必须引入一个新的变换 这就是非周期连续时间信号 的傅里叶变换 tx 设一周期信号 其傅里叶级数 tf n tjn ne Ftf 0 傅里叶系数 T tjn n dtetf T nFF 0 1 0 两边乘以 T 得到 2 2 0 0 0 d 2 0 T T tjn tetf nF TnF 对于非周期信号 重复周期 重复频率 离散频率变成 T0 0 0 n 连续频率 在这种极限情况下 但量可望不趋于 0 0 nF 0 0 2 nF 成都理工大学硕士学位论文 12 0 而趋近于有限值 且变成一个连续函数 通常记为或 即 F jF tetftetf nF F tj T T tjn TT d d lim 2lim 2 2 0 0 0 其中反映单位频带内的频谱值 故称为频谱密度函数 简称 0 0 nF F 频谱函数 综上 我们利用周期信号的傅里叶级数通过求极限的方法得到非周期信号 频谱函数表示式 即傅里叶变换式 傅里叶正变换 FdtetftfF tj 积分因子 tj e 傅里叶反变换 2 1 1 tfdeFFF tj 积分因子 tj e 一般情况下为复函数 可以写成 F Im Re jeFF j 式中 和分别为的模和相位 代表各频率分量的 F F F 相对幅值 而表示各频率分量之间的相位关系 与的关系称为 F 非周期信号的幅度频谱 与的关系称为相位频谱 非周期信号的幅度谱 是频率的连续函数 其形状与相应的周期信号频谱的包络线相同 由上述的分析可知 傅里叶变换实质上就是把线性空间的原函数 f t 分解 到完备正交基 e j t 上 得到相应的在另一个线性空间的表出系数 F 从 而实现了把线性空间的元素映射到另一个线性空间中 即把对原函数的研究转 化为对其傅里叶变换系数和傅里叶基的研究 这些正交基是由正弦波及其高次 谐波组成的 因而傅里叶变换在频域内是局部化的 20 第 3 章 煤粉火焰的信号处理与分析 13 3 2 2 傅里叶变换的 FFT 算法分析 傅立叶级数和傅立叶变换在数学结构上非常优美 但它们在工程实践上并 不实用 他们都无法用有限字长的计算机进行数学和逻辑上的运算 因此 我 们必须建立起能应用在数字计算机上的傅立叶变换计算方法 即 DFT 离散傅 里叶变换 方法 当序列的点数不超过时 它的点定义为 f n NNDFT 2 1 0 01 N ikn N n F kf n ekN 反变换定义为IDFT 2 1 0 1 01 N ikn N k f nF k en