基于積化和差原理的爐管泄漏檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉志東 吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院

鍋爐爐管泄露檢測(cè)裝置是通過(guò)傳感器捕獲爐管泄露時(shí)所產(chǎn)生的具有一定響聲的聲音信號(hào)，通過(guò)對(duì)其頻譜分析，推算出真實(shí)泄漏點(diǎn)所產(chǎn)生聲音波形的頻率和幅值，當(dāng)爐管泄露頻點(diǎn)幅值或頻率超出安全值時(shí)報(bào)警。

傳統(tǒng)檢測(cè)爐管泄露與否，主要是根據(jù)工作人員現(xiàn)場(chǎng)勘察巡視，觀看現(xiàn)場(chǎng)壓力、溫度和水量等情況進(jìn)行人為判斷，但可靠性較低，易使設(shè)備發(fā)生停機(jī)事故，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)如今比較主流的是聲譜分析法，能夠檢測(cè)直徑在2mm以下的漏洞，使用方便，且安裝簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏點(diǎn)的實(shí)時(shí)報(bào)警。基于國(guó)內(nèi)外爐管泄露檢測(cè)的現(xiàn)狀，本文在聲譜分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其硬件成本降低,CPU處理時(shí)效率也會(huì)更高。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

進(jìn)入20世紀(jì)，隨著智能電子技術(shù)的快速發(fā)展，用可靠的數(shù)字集成電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜電子信號(hào)的處理，因而出現(xiàn)了一種新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案:傳感器+前置放大器+主控電路，不但增加了系統(tǒng)的可靠性，而且還節(jié)約了成本。產(chǎn)品的主要功能:爐管泄漏檢測(cè)、自檢、顯示等功能。但是這項(xiàng)技術(shù)只能檢測(cè)漏點(diǎn)的聲壓級(jí)特性，致使傳感器反應(yīng)不靈敏。

在英國(guó)（Lintvalve）、美國(guó)（ABB公司）、南非（Instrotech）等，都采用了聲譜分析技術(shù)的Inspectafft鍋爐管道泄漏檢測(cè)技術(shù)，從泄漏圓檢測(cè)聲譜特性來(lái)判斷是否泄漏，并且與“濾波電路”相融合，其典型結(jié)構(gòu)有五部分組成:檢測(cè)探頭、濾波電路、主控電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)能夠在濾出鍋爐背景噪音后檢測(cè)泄漏點(diǎn)頻譜特性，并對(duì)其加以診斷，比前一項(xiàng)技術(shù)在靈敏度上提高很多。但是對(duì)泄漏點(diǎn)的頻率和幅值上誤差較大，難以做出更加準(zhǔn)確的判斷。

2 泄漏檢測(cè)的基本理論

2.1 正弦波的合成方波原理

根據(jù)三角傅里葉級(jí)數(shù)定義可知:

對(duì)任意周期T內(nèi)的f(t)，都可以求出函數(shù)在（t1，t1+T）內(nèi)表示形式:

方波函數(shù)表達(dá)式:

把f(t)展開(kāi)為三角級(jí)數(shù)，在區(qū)間（0，T）內(nèi)表示為:

2.2 積化和差基本原理

積化和差，是指高等數(shù)學(xué)三角函數(shù)中的一組恒等式。 所有乘積項(xiàng)中的三角函數(shù)是否同名，化為和差形式時(shí)，都應(yīng)是同名三角函數(shù)的和差。設(shè)正弦波與方波的峰值相同且為1，

相當(dāng)于對(duì)上式子在時(shí)間T內(nèi)進(jìn)行積分運(yùn)算。又因三角函數(shù)的正交性質(zhì)，故除第一項(xiàng)之外，后面所有項(xiàng)的積分為零，即為:

則由積化和差原理可得:

上述信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器，由于低通濾波器濾波作用，最終表達(dá)式為:

綜上所述，若正弦波與方波的峰值分別為Um，Un，則有；

3 MATLAB系統(tǒng)仿真

作為新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)的前提條件，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行軟件仿真。在MATLAB下的SIMLINK仿真模塊，具備強(qiáng)大的仿真能力，能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)做出很好的仿真效果。進(jìn)行MATLAB仿真模型搭建，如圖2所示。信號(hào)輸入為正弦波與方波，再將兩種波相乘，利用四階低通濾波器的積分作用，觀察輸出結(jié)果。由積化和差基本原理可知:當(dāng)頻率相合的時(shí)，輸出結(jié)果只有直流分量；當(dāng)頻率不相合時(shí)，輸出為兩輸入波形差值的正弦波。如圖3、圖4所示。

圖2 仿真模型搭建

圖3 頻率相合輸出直流分量

圖4 頻率不相合輸出正弦波

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