超聲波功率驅(qū)動(dòng)與測(cè)量裝置設(shè)計(jì) (1)2011-05-30 02:06:22來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用

摘 要：在超聲波法測(cè)量的理論基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一次風(fēng)煤粉濃度測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)的硬件部分主要包括超聲波傳感器驅(qū)動(dòng)電路、超聲波接收電路和控制電路部分。驅(qū)動(dòng)電路的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為單相全橋逆變電路，接收電路主要由兩級(jí)放大電路和濾波電路實(shí)現(xiàn)?？刂菩酒x擇TI公司的TMS320F2812型號(hào)的DSP芯片，其內(nèi)部程序在CCS3.3環(huán)境下編寫(xiě)。
關(guān)鍵詞：超聲波； 單相全橋； 功率變換； DSP； 帶通濾波

在火力發(fā)電廠的鍋爐運(yùn)行中，一次風(fēng)煤粉的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要的作用。缺乏可靠的一次風(fēng)煤粉濃度的監(jiān)測(cè)手段，鍋爐極易發(fā)生火焰中心偏斜、燃燒不穩(wěn)等情況，從而導(dǎo)致鍋爐局部結(jié)焦、高溫腐蝕，鍋爐熱效率下降，嚴(yán)重時(shí)直接引起鍋爐滅火事故[1-3]。煤粉顆粒在一次風(fēng)中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是非常復(fù)雜的氣固兩相流動(dòng)，煤粉濃度的測(cè)量一直是工程上的前沿問(wèn)題之一，也是工程技術(shù)人員致力解決的難題[2,4]。因此，研究一次風(fēng)煤粉濃度測(cè)量技術(shù)，尋求適合電廠鍋爐在線測(cè)量煤粉濃度的方法，有著十分重要的意義。從已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看[5],應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)煤粉鍋爐風(fēng)粉系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)改造已經(jīng)非常普遍，在監(jiān)測(cè)對(duì)象和流量測(cè)量方式上各有特色，但是主要集中在各個(gè)支路的風(fēng)量的準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)字化，對(duì)煤粉濃度準(zhǔn)確測(cè)量和煤粉濃度在線測(cè)量系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)比較少。

本文將電力電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種超聲波收發(fā)裝置的測(cè)量系統(tǒng)。該裝置的發(fā)射電路以型號(hào)為TMS320F2812的DSP為核心控制芯片，采用單相全橋逆變電路,發(fā)射端的頻率可以精確控制，采用Boost升壓電路使發(fā)射端的驅(qū)動(dòng)電壓靈活可調(diào)，接收電路使用四階有源模擬濾波器,抗干擾能力強(qiáng)。

1 測(cè)量原理
聲速法是利用不同固相濃度條件下具有不同聲速來(lái)完成相濃度測(cè)量。與現(xiàn)有的各種方法相比，它具有一些特殊的優(yōu)點(diǎn)，如測(cè)量結(jié)果與固相成分、顆粒的粒度分布以及當(dāng)?shù)亓魉贌o(wú)關(guān)；自清潔作用可防止傳感器污染；沒(méi)有堵塞問(wèn)題等。


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2 超聲波收發(fā)裝置的總體結(jié)構(gòu)
超聲波發(fā)射與接收電路的硬件框圖如圖1所示。DSP芯片TMS320F2812是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部件，用來(lái)產(chǎn)生40 kHz的超聲波信號(hào)源，并控制相應(yīng)的電路對(duì)所發(fā)出的超聲波形進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，超聲波接收傳感器接收到的信號(hào)被放大器放大后，經(jīng)過(guò)四階有源帶通濾波器，使接收的信號(hào)更加穩(wěn)定可靠。


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發(fā)射電路的功能是在外接的壓電式超聲傳感器上施加40 kHz的交流電壓，進(jìn)而發(fā)射出超聲波；接收電路的功能是對(duì)壓電式傳感器輸出的微弱感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行調(diào)理輸出。

3 超聲波發(fā)射裝置
發(fā)射電路由單相全橋逆變電路和Boost電路組成，整體由DSP芯片進(jìn)行控制。單相全橋逆變電路使發(fā)射頻率可以精確控制,Boost電路使得驅(qū)動(dòng)傳感器的電壓靈活可調(diào)。

圖2為單相全橋硬件電路設(shè)計(jì)圖，圖中Q1～Q4選用的是MOSFET管 IRF630,它能承受200 V電壓，25℃時(shí)承受電流9.0 A，90℃時(shí)承受電流5.7 A，滿足設(shè)計(jì)要求，柵極和源極之間的驅(qū)動(dòng)電壓在10 V～20 V之間，而且其關(guān)斷與開(kāi)通電壓的時(shí)間都在17 ns左右,相比設(shè)計(jì)中超聲波的周期25 μs(頻率40 kHz)已經(jīng)足夠快了，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。這四只管子構(gòu)成了單相全橋電路的兩個(gè)橋臂，當(dāng)開(kāi)關(guān)Q1、Q4閉合，Q2、Q3斷開(kāi)時(shí)單相全橋之間有一個(gè)回路，此時(shí)的輸出電壓Uo為+Ud；當(dāng)開(kāi)關(guān)Q2、Q3閉合，Q1、Q4斷開(kāi)時(shí)，單相全橋電路之間又出現(xiàn)一個(gè)回路，此時(shí)的輸出電壓Uo為-Ud，這樣就把直流電變成了交流電，改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率；改變橋臂兩端的電壓就可以改變輸出交流電壓的峰峰值的大小，基于這樣的原理就可以產(chǎn)生所需要的超聲波傳感器發(fā)生端所需要的交流電[6]。