超聲波功率驅(qū)動與測量裝置設計-DSP
摘 要：在超聲波法測量的理論基礎上開發(fā)設計了一次風煤粉濃度測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)的硬件部分主要包括超聲波傳感器驅(qū)動電路、超聲波接收電路和控制電路部分。驅(qū)動電路的主要拓撲結(jié)構(gòu)為單相全橋逆變電路，接收電路主要由兩級放大電路和濾波電路實現(xiàn)?？刂菩酒x擇TI公司的TMS320F2812型號的DSP芯片，其內(nèi)部程序在CCS3.3環(huán)境下編寫。
關鍵詞：超聲波； 單相全橋； 功率變換； DSP； 帶通濾波
在火力發(fā)電廠的鍋爐運行中，一次風煤粉的準確測量對鍋爐的安全經(jīng)濟運行起著重要的作用。缺乏可靠的一次風煤粉濃度的監(jiān)測手段，鍋爐極易發(fā)生火焰中心偏斜、燃燒不穩(wěn)等情況，從而導致鍋爐局部結(jié)焦、高溫腐蝕，鍋爐熱效率下降，嚴重時直接引起鍋爐滅火事故[1-3]。煤粉顆粒在一次風中的運動過程是非常復雜的氣固兩相流動，煤粉濃度的測量一直是工程上的前沿問題之一，也是工程技術人員致力解決的難題[2,4]。因此，研究一次風煤粉濃度測量技術，尋求適合電廠鍋爐在線測量煤粉濃度的方法，有著十分重要的意義。從已經(jīng)發(fā)表的文獻來看[5],應用計算機對煤粉鍋爐風粉系統(tǒng)進行在線監(jiān)測的技術改造已經(jīng)非常普遍，在監(jiān)測對象和流量測量方式上各有特色，但是主要集中在各個支路的風量的準確測量和監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)字化，對煤粉濃度準確測量和煤粉濃度在線測量系統(tǒng)的研究開發(fā)比較少。
本文將電力電子技術與計算機控制技術相結(jié)合，設計了一種超聲波收發(fā)裝置的測量系統(tǒng)。該裝置的發(fā)射電路以型號為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。
1 測量原理
聲速法是利用不同固相濃度條件下具有不同聲速來完成相濃度測量。與現(xiàn)有的各種方法相比，它具有一些特殊的優(yōu)點，如測量結(jié)果與固相成分、顆粒的粒度分布以及當?shù)亓魉贌o關；自清潔作用可防止傳感器污染；沒有堵塞問題等。
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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是整個系統(tǒng)的核心控制部件，用來產(chǎn)生40 kHz的超聲波信號源，并控制相應的電路對所發(fā)出的超聲波形進行調(diào)節(jié)控制，超聲波接收傳感器接收到的信號被放大器放大后，經(jīng)過四階有源帶通濾波器，使接收的信號更加穩(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，進而發(fā)射出超聲波；接收電路的功能是對壓電式傳感器輸出的微弱感應電動勢進行調(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)動傳感器的電壓靈活可調(diào)。
圖2為單相全橋硬件電路設計圖，圖中Q1～Q4選用的是MOSFET管 IRF630,它能承受200 V電壓，25℃時承受電流9.0 A，90℃時承受電流5.7 A，滿足設計要求，柵極和源極之間的驅(qū)動電壓在10 V～20 V之間，而且其關斷與開通電壓的時間都在17 ns左右,相比設計中超聲波的周期25 μs(頻率40 kHz)已經(jīng)足夠快了，能夠滿足設計要求。這四只管子構(gòu)成了單相全橋電路的兩個橋臂，當開關Q1、Q4閉合，Q2、Q3斷開時單相全橋之間有一個回路，此時的輸出電壓Uo為+Ud；當開關Q2、Q3閉合，Q1、Q4斷開時，單相全橋電路之間又出現(xiàn)一個回路，此時的輸出電壓Uo為-Ud，這樣就把直流電變成了交流電，改變兩組開關的切換頻率，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]。
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