专利名称：全数字控制智能微波测碳仪及其测碳方法
技术领域：
本发明涉及一种锅炉飞灰含碳量检测装置及检测方法，具体的说是一种全数字控 制智能微波测碳仪及其测碳方法。
背景技术：
微波测碳仪主要用于自动监测火电厂和城市集中供热燃煤锅炉中煤粉燃烧以后 生成的灰中尚未燃尽的碳的百分数(称为“飞灰含碳量”)，根据飞灰含碳量监测系统给出 的数据及时适当地采取控制给煤粉量和调节鼓风等措施使飞灰含碳量尽可能保持在较低 的数值，达到节煤降耗，提高锅炉效率的目标。现有技术中，美国专利US5109201和US5173662都提出了一种微波测碳的传感器 装置，通过测量入射功率、反射功率、投射功率和飞灰重量给出飞灰含碳量的测量值；中国 专利00240532. 6，提出了一种用于锅炉飞灰含碳量检测的微波谐振腔传感器，通过测量品 质因数Q值来确定飞灰含碳量；中国专利200410026275. 9，提出了一种不受煤种变化影响 的微波测碳传感器，则是利用环形器直接测量反射功率，检波后得到测量值；中国实用新型 专利 ZL200520079395. 5 和 ZL200620078384. X 均是在 200410026275. 9 专利技术的基础上 进行改进。以上现有技术均未提及微波测碳系统的智能控制，美国专利均未有论述，中国专 利则侧重于系统功能实现，对微波测碳仪在实际应用中的误读误判、重大测量误差和较差 的人机接口方面没有给出解决方法。总结来讲，在现有技术的实际应用中存在以下技术问 题(1)微波测碳装置中的微波信号发生器(或微波振荡器或微波频率源)质量较差，频率 容易发生漂移，幅度不稳定，杂散信号大，相位噪声差，这就导致检波器输出信号不稳，测量 结果非常不准确，容易造成误读误判；(2)已有专利中均未提及在检波器输出信号后采用 AD模数转换器来进行数字处理，实现测碳各种功能延时和精确判读；(3)已有专利中未提 及人机接口的实现方式和数据通信方式，在实际应用中存在非常不方便的人机交互过程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对以上现有技术存在的问题，提出一种全数字 控制智能微波测碳仪及其测碳方法，可以智能控制微波测碳系统的工作，自动锁定谐振频 率点，通过数字信号处理完成校准和测量，实现自动、快速、精确和稳定的在线测量。本发明解决以上技术问题的技术方案是全数字控制智能微波测碳仪，包括微波频率发生器、谐振腔和检波器，谐振腔与微 波频率发生器通信连接，检波器与谐振腔通信连接；还设有数字信号处理器、显示器和上位 机电脑；数字信号处理器通过通用IO 口与微波频率发生器通信连接，用以控制微波频率发 生器对谐振腔发射电磁波，并通过数字方式控制微波频率发生器进行谐振频率扫描；数字 信号处理器通过AD模数转换器与检波器通信连接，用于将检波器传来的测碳回波模拟信 号转化为数字信号，并进行碳灰填充状态检测、测碳功率校准和含碳量计算的处理；数字信号处理器通过串行接口与显示器通信连接，用以将含碳量数值传输液晶显示器；数字信号 处理器通过另一个串行接口与上位机电脑通信连接，将含碳量数据传到上位机电脑进行保存。全数字控制智能微波测碳仪的测碳方法，包括以下步骤(1)数字信号处理器自 动控制微波频率发生器的扫频频率源锁定在谐振腔的谐振频率上；(2)微波频率发生器扫 描到谐振频率时，检波器将接收到谐振腔内测碳后的回波信号最大的包络，并传至数字信 号处理器(3)数字信号处理器通过内部的AD转换器将模拟信号转化为数字信号，数字信 号处理器采用数字信号处理算法和DSP技术来实现智能处理，自动完成炭灰的填充状态检 测、测碳的功率校准和含碳量的计算；(4)数字信号处理器通过串行接口将含碳量数值传 输到人机接口，通过数字信号完成系统的人工干预控制，并将测量数据通过串行数据接口 备份存储，方便后处理和分析。作为本发明进一步限定的技术方案还设有键盘，数字信号处理器通过通用IO 口与所述键盘相连，用以输入控制指令。核心控制部件为数字信号处理器，其结构内部包括CPU内核，用于工作寄存器设 置和初始化操作；包括存储器，用于数据随机存储和程序存储；包括串行接口和并行接口， 用于数据通信；AD模数转换器和DA数模转换器可以集成于其内部，也可以置于器件的外 部。数字信号处理器由系列单片机MCU类芯片、复杂指令集计算机RISC类芯片、数字 信号处理器芯片DSP芯片和现场可编程门阵列FPGA芯片构成。数字信号处理器由以下典 型芯片构成美国Cygnal公司的C8051F020单片机系列；美国ALMEL公司的AT91SAM9260 处理器单片机系列；美国TI公司的PIC系列单片机TMS320C2x、TMS320C54x、TMS320C6x ； 美国ARM公司的ARM7x、ARM9x、ARMllX嵌入式产品系列；美国Xilinx公司的FPGA系列；美 国Altera公司的FPGA系列。这样，通过数字信号处理器控制微波频率发生器的扫频频率源锁定在谐振腔的谐 振频率上，检波器将接收到最大的包络，解决了微波信号发生器质量较差，频率容易发生漂 移，幅度不稳定，杂散信号大，相位噪声差的问题，可以使检波器输出信号稳定，测量结果准 确；在检波器输出信号后采用AD模数转换器来进行数字处理，可以进行灵活编程实现测碳 各种功能延时和精确判读；人机接口的实现和数据通信的方式，在实际应用中非常方便人 机交互过程。由此可见，本发明通过设置通过数字信号处理器，可以智能控制微波测碳系统 的工作，自动锁定谐振频率点，通过数字信号处理完成校准和测量，实现自动、快速、精确和 稳定的在线测量。
图1是本发明的系统框图。图2是DSP的连接框图。图3是DSP的内部模块框图。
具体实施例方式实施例一
本实施例是一种全数字控制智能微波测碳仪，如图1所示，包括微波频率发生器、 谐振腔、检波器、数字信号处理器、显示器、上位机电脑和键盘；谐振腔与微波频率发生器通 信连接，检波器与谐振腔通信连接；数字信号处理器通过通用IO 口与微波频率发生器通信 连接，用以控制微波频率发生器对谐振腔发射电磁波，并通过数字方式控制微波频率发生 器进行谐振频率扫描；数字信号处理器通过AD模数转换器与检波器通信连接，用于将检波 器传来的测碳回波模拟信号转化为数字信号，并进行碳灰填充状态检测、测碳功率校准和 含碳量计算的处理；数字信号处理器通过串行接口与显示器通信连接，用以将含碳量数值 传输液晶显示器；数字信号处理器通过另一个串行接口与上位机电脑通信连接，将含碳量 数据传到上位机电脑进行保存；数字信号处理器通过通用IO 口与键盘相连，用以输入控制 指令。本发明采用先进的DSP数字信号处理技术。早期的计算机或微处理器的内部乘法 运算是靠加法器反复移位相加实现的，需要数十个时钟周期。而DSP设置了硬件乘法/累 加器，能在单个指令周期内完成乘/加运算。为满足FFT、卷积等数字信号处理的特殊要求， DSP在指令系统中设置了 “循环寻址”及“位倒序”寻址指令和其他特殊指令，使得寻址、排 序的速度大大提高。高速数据的传输能力是高速实时处理的关键之一。DSP集成了高速运行的DSP内核及控制功能丰富的嵌入式处理器内核。例如，DSP 可以是内部集成有TI公司的C54XCPU内核和ARM公司的ARM7TDMIE内核的DSP，既具有高 速的数据处理能力，又有各种类型的外设接口和位控能力，大大拓宽DSP在控制领域的应 用；还可以是美国Cygnal公司的C8051F020 8位单片机，内部采用流水线结构，大部分指令 的完成时间为1或2个时钟周期，峰值处理能力为25MIPS，片上集成有8通道A/D，两路D/ A，两路电压比较器，内置温度传感器定时器、可编程数字交叉开关和64个通用I/O 口、电源 监测、看门狗、多种类型的串行总线(两个UART、SPI等)。核心控制部件为数字信号处理器，内部模块如图3所示，包括CPU内核，用于工作 寄存器设置和初始化操作；包括存储器，用于数据随机存储和程序存储；包括串行接口和 并行接口，用于数据通信；AD模数转换器和DA数模转换器可以集成于其内部，也可以置于 器件的外部。数字信号处理器由系列单片机MCU类芯片、复杂指令集计算机RISC类芯片、数 字信号处理器芯片DSP芯片和现场可编程门阵列FPGA芯片构成。数字信号处理器由以下典 型芯片构成美国Cygnal公司的C8051F020单片机系列；美国ALMEL公司的AT91SAM9260 处理器单片机系列；美国TI公司的PIC系列单片机TMS320C2x、TMS320C54x、TMS320C6x ； 美国ARM公司的ARM7x、ARM9x、ARMllX嵌入式产品系列；美国Xilinx公司的FPGA系列；美 国Altera公司的FPGA系列。全数字控制智能微波测碳仪的测碳方法，包括以下步骤(1)数字信号处理器自 动控制微波频率发生器的扫频频率源锁定在谐振腔的谐振频率上；(2)微波频率发生器扫 描到谐振频率时，检波器将接收到谐振腔内测碳后的回波信号最大的包络，并传至数字信 号处理器(3)数字信号处理器通过内部的AD转换器将模拟信号转化为数字信号，数字信 号处理器采用数字信号处理算法和DSP技术来实现智能处理，自动完成炭灰的填充状态检 测、测碳的功率校准和含碳量的计算；(4)数字信号处理器通过串行接口将含碳量数值传 输到人机接口，通过数字信号完成系统的人工干预控制，并将测量数据通过串行数据接口 备份存储，方便后处理和分析。
自动扫频方法为最大值法，通过程序控制数字信号处理器输出控制字，和锁相频 率合成器接口，Fe为参考信号频率，一般由高稳定度和高频谱纯度的晶振来提供，F0为环路 输出的信号频率，R和N为可编程分频器。Fk经过R分频后作为鉴相器的参考输入信号，F0 经过N分频后作为鉴相器的另一路输入信号，在环路锁定的情况下，F。/N将锁定到FK/R频 率上，所以有F0/N = Fe/R顺序改变分频N的数值，从而实现输出频率在一定带宽内的频率扫描，当检波器 输出最大值时，不再进行扫频过程，将该频率点作为谐振工作频率。自动进行碳灰的填充状态检测，当飞灰加入谐振腔动态过程中，由于谐振频率和 幅度的变换，导致检波器输出信号的快速变换，经过AD变换后的数据呈现不稳定的数值， 直到飞灰填充状态完成，静态情况下测试得到的检波器输出才是稳定的信号，AD变换后得 到稳定的数值；因此，通过数字信号处理器的程序控制，在人机接口中将不显示动态填充过 程中的测试数值，将填充完成后稳定的数值加以显示，从而自动完成碳灰的填充状态检测。自动完成功率校准和含碳量计算，通过程序控制记录谐振腔空载时的数字信号处 理器输出作为系统的定标值，填充碳灰后达到稳定状态的输出值同该值进行比较的得到的 百分数，含碳量的数值正比于该百分数，具体算法为C = K -^Xl00%
P0.C为含碳量，K为比例因子，P0为空载时检波器输出值，Pin为碳灰填充完成后的检 波器输出值。本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均 落在本发明要求保护的范围之内。
权利要求
全数字控制智能微波测碳仪，包括微波频率发生器、谐振腔和检波器，所述谐振腔与微波频率发生器连接，所述检波器与谐振腔连接；其特征在于还设有数字信号处理器、显示器和上位机电脑；所述数字信号处理器通过通用IO口与微波频率发生器通信连接，用以控制微波频率发生器对谐振腔发射电磁波，并通过数字方式控制微波频率发生器进行频率扫描；所述数字信号处理器通过AD模数转换器与检波器通信连接，用于将检波器传来的测碳回波模拟信号转化为数字信号，并进行碳灰填充状态检测、测碳功率校准和含碳量计算的处理；所述数字信号处理器通过串行接口与显示器通信连接，用以将含碳量数值传输液晶显示器；所述数字信号处理器通过另一个串行接口与上位机电脑通信连接，将含碳量数据传到上位机电脑进行保存。
2.如权利要求1所述的全数字控制智能微波测碳仪，其特征在于还设有键盘，所述数 字信号处理器通过通用10 口与所述键盘相连，用以输入控制指令。
3.如权利要求1所述的全数字控制智能微波测碳仪，其特征在于所述数字信号处理 器包括CPU内核，用于工作寄存器设置和初始化操作；所述数字信号处理器包括存储器，用 于数据随机存储和程序存储；所述数字信号处理器包括串行接口和并行接口，用于数据通fn °
4.如权利要求1所述的全数字控制智能微波测碳仪，其特征在于所述AD模数转换器 集成于所述数字信号处理器内部，或置于所述数字信号处理器的外部。
5.如权利要求3或4所述的全数字控制智能微波测碳仪，其特征在于所述数字信号 处理器由系列单片机MCU类芯片、复杂指令集计算机RISC类芯片、数字信号处理器芯片DSP 芯片和现场可编程门阵列FPGA芯片构成。
6.如权利要求5所述的全数字控制智能微波测碳仪，其特征在于所述数字信号处理 器由以下典型芯片构成美国Cygnal公司的C8051F020单片机系列；美国ALMEL公司的 AT91SAM9260处理器单片机系列；美国TI公司的PIC系列单片机TMS320C2x、TMS320C54x、 TMS320C6x ；美国ARM公司的ARM7x、ARM9x、ARM11X嵌入式产品系列；美国Xilinx公司的 FPGA系列；美国Altera公司的FPGA系列。
7.用于权利要求1所述全数字控制智能微波测碳仪的测碳方法，其特征在于包括以 下步骤(1)数字信号处理器自动控制微波频率发生器的扫频频率源锁定在谐振腔的谐振频率上；(2)微波频率发生器扫描到谐振频率时，检波器将接收到谐振腔内测碳后的回波信号 最大的包络，并传至数字信号处理器(3)数字信号处理器通过内部的AD转换器将模拟信号转化为数字信号，数字信号处理 器采用数字信号处理算法和DSP技术来实现智能处理，自动完成炭灰的填充状态检测、测 碳的功率校准和含碳量的计算；(4)数字信号处理器通过串行接口将含碳量数值传输到人机接口，通过数字信号完成 系统的人工干预控制，并将测量数据通过串行数据接口备份存储，方便后处理和分析。
全文摘要
本发明涉及一种锅炉飞灰含碳量检测装置及方法，是一种全数字控制智能微波测碳仪及方法，包括微波频率发生器、谐振腔和检波器，还设有数字信号处理器、显示器和上位机电脑；核心采用先进的DSP数字信号处理技术。系统自动控制扫频频率源锁定在谐振腔的谐振频率上保证系统的稳定工作；谐振腔内测碳后的回波信号通过AD采样数字化，采用DSP技术和数字信号处理算法来实现智能处理，自动完成炭灰的填充状态检测、测碳的功率校准和含碳量的计算；设计良好的人机接口包括液晶显示屏和数字键盘，通过数字信号完成系统的人工干预控制；并将测量数据通过串行数据接口备份存储，方便后处理和分析，实现完全智能化。
文档编号G01N22/00GK101936920SQ20101020194
公开日2011年1月5日 申请日期2010年6月17日 优先权日2010年6月17日
发明者胡伟东 申请人:胡伟东