【CN109556753A】基于声学传感器的炉膛温度场与炉管泄漏在线检测系统与泄露点定位方法【专利】
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2 .基于声学传感器的炉膛温度场与炉管泄漏在线检测方法，其特征在于，利用权利要 求1所述的基于声学传感器的 炉膛温度场与炉管泄漏在线检测系统 ，其中 ，温度场的 测量利 用处于同一平面的8个声波发射器和声波传感器S1～S8获得，包括如下步骤：主控单元控制 不同位置的声波发射器依次发声，声波传感器的输出信号依次经过放大器，滤波器处理后 至数据采集模块，数据采集模块采集声波发射端声波传感器输出信号和声波接收端声波传 感器的输出信号，对每条路径上的声波传感器信号进行多点采样求平均，之后，主控单元采 用互相关算法对声波传感器信号进行运算处理，求取互相关函数的峰值，结合采样频率、互 相关函数峰值的位置 ，获取此路径上的 声波飞行时间 ，进而求得声波速度与传播介 质的温 度，其中，声波在炉膛内部的传播速度通过公式(1)求得：
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910071752 .X
(22)申请日 2019 .01 .25
(71)申请人 沈阳航空航天大学 地址 110136 辽宁省沈阳市沈北新区道义 南大街37号
(72)发明人 田丰 张宏光
(74)专利代理机构 沈阳维特专利商标事务所 (普通合伙) 21229
式中 ，c表示声波在介质中的 传播速度 ，单位为m/s ；γ表示炉膛烟气的绝热指数 ；R表示
气体常数，单位为kJ/(mol·K) ；M表示气体的摩尔质量，单位为g/mol；T表示介质的绝对温
度，单位为K； 之 后 ，采 用PHAT 加权广义互 相关法 ，并采 用快速傅里叶 变换处理采集的 声波传感器信
2
CN 109556753 A
权 利 要 求 书
2/3 页
式中 ，τ表示路径上声波飞行时间 ，单位为ms ；k表示互 相关函数峰值的 位置 ；Fs表示采 样频率 ，单位为kHz ；d 表示声波传播路径的 长度 ，单位为m ；T表示声波传播路径介 质的 平均 温度，单位为℃；
在温度测量结束后，禁止滤波器，采集炉膛内部声波信息，并通过快速傅里叶变换对采 样信号进行频谱分析，判断是否存在高于阈值频率的异常声波信号，如果存在异常信号，则 说明炉管发生泄漏。
号，其表达式为：
式中 ，FFT[·]表示快速傅里叶 变换 ；IFFT[·]表示傅里叶 逆变换 ；x1 (n) 表示声波发射
端声波传感器输出 信号 ；x2 (n) 表示声波接收 端声波传感器输出 信号 ； 表示PHAT加权因子；
接下来，通过广义互相关算法求得互相关函数，获取相关函数峰值的位置，路径上的声 波飞行时间与路径平均温度通过公式(3)求得：
代理人 李丹
(51)Int .Cl . G01K 11/24(2006 .01) G01M 3/24(2)
(10)申请公布号 CN 109556753 A (43)申请公布日 2019.04.02
( 54 )发明 名称 基于声学传感器的炉膛温度场与炉管泄漏
在线检测系统与泄露点定位方法 ( 57 )摘要
本发明公开了一种基于声学传感器的炉膛 温度场与炉管泄漏在线检测系统与泄露点定位 方法 ，其中 ，检测系统包括声波发射器、声波传感 器 、声波导管 、前置放大器 、滤波器 、电 磁阀 切换 模块 、数据采集模块 和主控单元 ，且声波传感器 S1～S8在同 一水平面 ，声波发射器与声波传感器 S1～S8相对应 ，主控单元控制不同 位置的 声波发 射器依次发射声波，并由数据采集模块对不同路 径上的声波传感器信号进行多点采样，并运用广 义互相关法对采样信号进行运算，依据温度场重 建算法还原炉膛温 度场 ，完成 炉膛温 度测量 后 ， 禁止滤波器 ，对声波传感器信号进行频谱分析 ， 进行炉管泄漏判断 ，泄漏点的定位采用由9个声 波传感器构成的双五元立体阵列泄漏定位方法 实现。
权利要求书3页 说明书8页 附图2页
CN 109556753 A
CN 109556753 A
权 利 要 求 书
1/3 页
1 .基于声学传感器的炉膛温度场与炉管泄漏在线检测系统，其特征在于，包括：声波发 射器、声波传感器、声波导管、前置放大器、滤波器、电磁阀切换模块、数据采集模块和主控 单元 ，其中 ，声波发射器为8个 ，声波传感器、声波导管均为9个 ，9个声波传感器分别安装在9 个声波导管中，其中，8个声波传感器S1～S8位于锅炉四壁的同一水平面上且均匀分布，另一 个声波传感器S0与所述8个声波传感器S1～S8不在同一水平面，所述声波导管均固定在锅炉 炉膛四壁外侧，9个声波导管的一端均与炉膛内部连通，声波传感器S1～S8所在的声波导管 的另一端一一对应连接至8个声波发射器，声波发射器由电磁阀控制发射声波，电磁阀的切 换由 主控单元控制电 磁阀 切换模块实现 ，声波传感器的 输出信号依次经过前置放大器、滤 波器处理 后发送至数据采集模块 ，主控单元控 制不同 位置的 声波发射器依次发射声波 ，并 由数据采集模块对不同路径上的声波传感器信号进行多点采样，之后，运用广义互相关法 对采样信号进行运算 ，求取声波飞行时间 ，结合路径长度 ，间接获取路径平均温度 ，依据温 度场重建算法还原炉膛温度场，在完成炉膛内部所有路径的测量后，禁止滤波器，并通过声 波传感器获取炉膛内部信号 ，对采样后的 声波传感器信号进行频谱分析 ，若持续出现高于 阈值频率的异常信号，则判定有炉管泄漏发生。
3 .基于声学传感器的炉管泄漏点定位方法，其特征在于，利用权利要求1所述的基于声 学传感器的炉膛温度场与炉管泄漏在线检测系统，包括如下步骤：
S1 ：将锅炉炉膛四壁的 9个声波传感器分为两组 ，构成双五元立体阵 列 ，并构建坐标系 ， 其中 ，第1个五元立体阵 列包括声波传感器S0 ，S1 ，S3 ，S5 ，S7 ，第2个五元立体阵 列包括声波传 感器S0，S2，S4，S6，S8；
S2：定义各个声波传感器Si的坐标为ai(xi ,yi ,zi) ，分别在两个五元立体阵列中定位泄 漏点的位置，得到炉管泄漏点在第1个五元立体阵列中的定位结果为S ′a(x ′a ,y ′a ,z ′a) ，在 第2个五元立体阵列中的定位结果为S″a(x″a ,y″a ,z″a)；
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910071752 .X
(22)申请日 2019 .01 .25
(71)申请人 沈阳航空航天大学 地址 110136 辽宁省沈阳市沈北新区道义 南大街37号
(72)发明人 田丰 张宏光
(74)专利代理机构 沈阳维特专利商标事务所 (普通合伙) 21229
式中 ，c表示声波在介质中的 传播速度 ，单位为m/s ；γ表示炉膛烟气的绝热指数 ；R表示
气体常数，单位为kJ/(mol·K) ；M表示气体的摩尔质量，单位为g/mol；T表示介质的绝对温
度，单位为K； 之 后 ，采 用PHAT 加权广义互 相关法 ，并采 用快速傅里叶 变换处理采集的 声波传感器信
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CN 109556753 A
权 利 要 求 书
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式中 ，τ表示路径上声波飞行时间 ，单位为ms ；k表示互 相关函数峰值的 位置 ；Fs表示采 样频率 ，单位为kHz ；d 表示声波传播路径的 长度 ，单位为m ；T表示声波传播路径介 质的 平均 温度，单位为℃；
在温度测量结束后，禁止滤波器，采集炉膛内部声波信息，并通过快速傅里叶变换对采 样信号进行频谱分析，判断是否存在高于阈值频率的异常声波信号，如果存在异常信号，则 说明炉管发生泄漏。
号，其表达式为：
式中 ，FFT[·]表示快速傅里叶 变换 ；IFFT[·]表示傅里叶 逆变换 ；x1 (n) 表示声波发射
端声波传感器输出 信号 ；x2 (n) 表示声波接收 端声波传感器输出 信号 ； 表示PHAT加权因子；
接下来，通过广义互相关算法求得互相关函数，获取相关函数峰值的位置，路径上的声 波飞行时间与路径平均温度通过公式(3)求得：
代理人 李丹
(51)Int .Cl . G01K 11/24(2006 .01) G01M 3/24(2)
(10)申请公布号 CN 109556753 A (43)申请公布日 2019.04.02
( 54 )发明 名称 基于声学传感器的炉膛温度场与炉管泄漏
在线检测系统与泄露点定位方法 ( 57 )摘要
本发明公开了一种基于声学传感器的炉膛 温度场与炉管泄漏在线检测系统与泄露点定位 方法 ，其中 ，检测系统包括声波发射器、声波传感 器 、声波导管 、前置放大器 、滤波器 、电 磁阀 切换 模块 、数据采集模块 和主控单元 ，且声波传感器 S1～S8在同 一水平面 ，声波发射器与声波传感器 S1～S8相对应 ，主控单元控制不同 位置的 声波发 射器依次发射声波，并由数据采集模块对不同路 径上的声波传感器信号进行多点采样，并运用广 义互相关法对采样信号进行运算，依据温度场重 建算法还原炉膛温 度场 ，完成 炉膛温 度测量 后 ， 禁止滤波器 ，对声波传感器信号进行频谱分析 ， 进行炉管泄漏判断 ，泄漏点的定位采用由9个声 波传感器构成的双五元立体阵列泄漏定位方法 实现。
权利要求书3页 说明书8页 附图2页
CN 109556753 A
CN 109556753 A
权 利 要 求 书
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1 .基于声学传感器的炉膛温度场与炉管泄漏在线检测系统，其特征在于，包括：声波发 射器、声波传感器、声波导管、前置放大器、滤波器、电磁阀切换模块、数据采集模块和主控 单元 ，其中 ，声波发射器为8个 ，声波传感器、声波导管均为9个 ，9个声波传感器分别安装在9 个声波导管中，其中，8个声波传感器S1～S8位于锅炉四壁的同一水平面上且均匀分布，另一 个声波传感器S0与所述8个声波传感器S1～S8不在同一水平面，所述声波导管均固定在锅炉 炉膛四壁外侧，9个声波导管的一端均与炉膛内部连通，声波传感器S1～S8所在的声波导管 的另一端一一对应连接至8个声波发射器，声波发射器由电磁阀控制发射声波，电磁阀的切 换由 主控单元控制电 磁阀 切换模块实现 ，声波传感器的 输出信号依次经过前置放大器、滤 波器处理 后发送至数据采集模块 ，主控单元控 制不同 位置的 声波发射器依次发射声波 ，并 由数据采集模块对不同路径上的声波传感器信号进行多点采样，之后，运用广义互相关法 对采样信号进行运算 ，求取声波飞行时间 ，结合路径长度 ，间接获取路径平均温度 ，依据温 度场重建算法还原炉膛温度场，在完成炉膛内部所有路径的测量后，禁止滤波器，并通过声 波传感器获取炉膛内部信号 ，对采样后的 声波传感器信号进行频谱分析 ，若持续出现高于 阈值频率的异常信号，则判定有炉管泄漏发生。
3 .基于声学传感器的炉管泄漏点定位方法，其特征在于，利用权利要求1所述的基于声 学传感器的炉膛温度场与炉管泄漏在线检测系统，包括如下步骤：
S1 ：将锅炉炉膛四壁的 9个声波传感器分为两组 ，构成双五元立体阵 列 ，并构建坐标系 ， 其中 ，第1个五元立体阵 列包括声波传感器S0 ，S1 ，S3 ，S5 ，S7 ，第2个五元立体阵 列包括声波传 感器S0，S2，S4，S6，S8；
S2：定义各个声波传感器Si的坐标为ai(xi ,yi ,zi) ，分别在两个五元立体阵列中定位泄 漏点的位置，得到炉管泄漏点在第1个五元立体阵列中的定位结果为S ′a(x ′a ,y ′a ,z ′a) ，在 第2个五元立体阵列中的定位结果为S″a(x″a ,y″a ,z″a)；