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1、(10)申请公布号 CN 101936920 A (43)申请公布日 2011.01.05 CN 101936920 A *CN101936920A* (21)申请号 201010201944.7 (22)申请日 2010.06.17 G01N 22/00(2006.01) (71)申请人 胡伟东 地址 102208 北京市昌平区回龙观云趣园 3 区 14-1-602 (72)发明人 胡伟东 (74)专利代理机构 南京苏科专利代理有限责任 公司 32102 代理人 姚姣阳 (54) 发明名称 全数字控制智能微波测碳仪及其测碳方法 (57) 摘要 本发明涉及一种锅炉飞灰含碳量检测装置及 方法， 。
2、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。 (51。
3、)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 CN 101936921 A1/1 页 2 1. 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。
4、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 IO 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。
5、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 信。 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。
6、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。
7、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。 权 利 要 求 书 CN 101936920 。
8、A CN 101936921 A1/4 页 3 全数字控制智能微波测碳仪及其测碳方法 技术领域 0001 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 0002 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。 0003 现有技术中， 美国专利 US5109201 和 US5173662 都。
9、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。 0004 以上现有技术均未提及微波测碳系统。
10、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。
11、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 0005 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。 0006 本发明解决以上技术问题的技术方案是 ： 0007 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。
12、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 说 明 书 CN 101936920 A CN 101936921 A2/4 页 4 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。 0008 全数字控。
13、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 。
14、备份存储， 方便后处理和分析。 0009 作为本发明进一步限定的技术方案 ： 0010 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。 0011 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。 0012 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。
15、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、 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。 0013 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。
16、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。 附图说明 0014 图 1 是本发明的系统框图。 0015 图。
17、 2 是 DSP 的连接框图。 0016 图 3 是 DSP 的内部模块框图。 具体实施方式 0017 实施例一 说 明 书 CN 101936920 A CN 101936921 A3/4 页 5 0018 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。
18、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。 0019 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， 。
19、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。 0020 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C80。
20、51F020 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 )。 0021 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。
21、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、 ARM11X 嵌入式产品系列 ； 美国 Xilinx 公司的 。
22、FPGA 系列 ； 美 国 Altera 公司的 FPGA 系列。 0022 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。
23、 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。 说 明 书 CN 101936920 A CN 101936921 A4/4 页 6 0023 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， FR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， Fo为环路 输出的信号频率， R 和 N 为可编程分频器。FR经过 R 分频后作为鉴相器的参考输入信号， Fo 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， Fo/N 将锁定到 FR/R 频 率上， 所以有 。
24、： 0024 Fo/N FR/R 0025 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。 0026 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。
25、自动完成碳灰的填充状态检测。 0027 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 ： 0028 0029 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。 0030 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。 说 明 书 CN 101936920 A CN 101936921 A1/1 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 101936920 A 。