超声波功率驱动与测量装置设计

花俊，靳鹏云，陈劲操

(1.中国科学院电工研究所微纳加工研究部,北京100080;2.中国科学院研究生院,北京100049;3.南京理工大学,江苏南京210094)

在火力发电厂的锅炉运行中，一次风煤粉的准确测量对锅炉的安全经济运行起着重要的作用。缺乏可靠的一次风煤粉浓度的监测手段，锅炉极易发生火焰中心偏斜、燃烧不稳等情况，从而导致锅炉局部结焦、高温腐蚀，锅炉热效率下降，严重时直接引起锅炉灭火事故[1-3]。煤粉颗粒在一次风中的运动过程是非常复杂的气固两相流动，煤粉浓度的测量一直是工程上的前沿问题之一，也是工程技术人员致力解决的难题[2,4]。因此，研究一次风煤粉浓度测量技术，寻求适合电厂锅炉在线测量煤粉浓度的方法，有着十分重要的意义。从已经发表的文献来看[5],应用计算机对煤粉锅炉风粉系统进行在线监测的技术改造已经非常普遍，在监测对象和流量测量方式上各有特色，但是主要集中在各个支路的风量的准确测量和监测系统的数字化，对煤粉浓度准确测量和煤粉浓度在线测量系统的研究开发比较少。

本文将电力电子技术与计算机控制技术相结合，设计了一种超声波收发装置的测量系统。该装置的发射电路以型号为TMS320F2812的DSP为核心控制芯片，采用单相全桥逆变电路,发射端的频率可以精确控制，采用Boost升压电路使发射端的驱动电压灵活可调，接收电路使用四阶有源模拟滤波器,抗干扰能力强。

1 测量原理

声速法是利用不同固相浓度条件下具有不同声速来完成相浓度测量。与现有的各种方法相比，它具有一些特殊的优点，如测量结果与固相成分、颗粒的粒度分布以及当地流速无关；自清洁作用可防止传感器污染；没有堵塞问题等。

根据均相模型的假定，气固混合物的当地声速α遵从关系式:α2=dp/dρ,对于定熵过程，有:

推导式(1)得到式(2):

设气相的声速为α0:

则有式(4)成立:

式(5)是一个无量纲关系式。只要符合均相模型的假定，利用该方程就可以通过测量τ*来求取粉气比β。

2 超声波收发装置的总体结构

超声波发射与接收电路的硬件框图如图1所示。DSP芯片TMS320F2812是整个系统的核心控制部件，用来产生40 kHz的超声波信号源，并控制相应的电路对所发出的超声波形进行调节控制，超声波接收传感器接收到的信号被放大器放大后，经过四阶有源带通滤波器，使接收的信号更加稳定可靠。

发射电路的功能是在外接的压电式超声传感器上施加40 kHz的交流电压，进而发射出超声波；接收电路的功能是对压电式传感器输出的微弱感应电动势进行调理输出。

3 超声波发射装置

发射电路由单相全桥逆变电路和Boost电路组成，整体由DSP芯片进行控制。单相全桥逆变电路使发射频率可以精确控制,Boost电路使得驱动传感器的电压灵活可调。

图2为单相全桥硬件电路设计图，图中Q1～Q4选用的是MOSFET管IRF630,它能承受200 V电压，25℃时承受电流9.0 A，90℃时承受电流5.7 A，满足设计要求，栅极和源极之间的驱动电压在10 V～20 V之间，而且其关断与开通电压的时间都在17 ns左右,相比设计中超声波的周期25 μs(频率40 kHz)已经足够快了，能够满足设计要求。这四只管子构成了单相全桥电路的两个桥臂，当开关Q1、Q4闭合，Q2、Q3断开时单相全桥之间有一个回路，此时的输出电压Uo为+Ud；当开关Q2、Q3闭合，Q1、Q4断开时，单相全桥电路之间又出现一个回路，此时的输出电压Uo为-Ud，这样就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率；改变桥臂两端的电压就可以改变输出交流电压的峰峰值的大小，基于这样的原理就可以产生所需要的超声波传感器发生端所需要的交流电[6]。

为了增强DSP芯片GPIO口的驱动能力，防止后面电路的电压或电流对DSP芯片造成损坏，在连接驱动电路时给驱动芯片的接口加上一个非门74LS04。驱动芯片选择IR2103来实现，电源电压为+12 V的电压，自举电容为0.01 μF。

为了防止同一桥臂的上下两个管子同时导通造成短路现象，在DSP芯片里面设置了死区时间，PWM1和PWM2是带有死区时间且互补的两路PWM信号，频率为40 kHz。

图2中的单相全桥桥臂两端的电压Ud由Boost电路提供，Boost电路硬件电路图如图3所示。

当开关管Q导通时，二极管接Ui的负极，承受反压而截止。电容C向负载R供电，极性上正下负。电源电压Ui全部加到电感两端UL=Ui，在该电压的作用下电感电流线性增长，储存的磁场能量也逐渐增加。在一个开关周期TS内开关管Q导通的时间为Ton。在Q导通期间，电感电流的增量如式(6)所示:

图1 超声波发射与接收电路的硬件结构框图

当Q截止时，iL经二极管流向输出侧，电感L的磁场将改变L两端的电压极性，以保持iL不变，这样电源电压Ui与电压串联(高于Ui)给C和R供电，负载R端电压Ud仍是上正下负。电感上的电压为Ui-Ud＜0，电感电流iL线性减小。在一个周期Ts内开关管Q断开的时间为Ts-Ton。到Ts时刻，iL达到最小值。在Q截止期间，电感电流的减小量的绝对值为式(7)所示:

稳态工作时，开关管Q导通期间电感的电流增长量ΔiL+等于Q截止期间的减少量ΔiL-，即ΔiL+=ΔiL-，所以由式(6)和式(7)可得电压增益为式(8)所示:

由式(8)可知Dc是一个小于1的数，因此输出电压与输入电压的比值始终大于等于1,即输出电压高于输入电压，在电源输入电压Ui不变的情况下，输出电压Uo随着PWM波形占空比的变化而变化。

图3中的PWM驱动信号和图2中的原理一样，二极管D选用快恢复的肖特基二极管IN4148，为了使电感上的电流连续，纹波在1%，并考虑一定的裕量，这里选择铁氧体材质的功率电感150 μH，考虑到纹波以及电压大小容量的问题,电容选择两个47 μF耐压值为100 V的电容并联，为了防止电阻两端的电压过高时电阻烧坏，选择功率为2 W的1 kΩ电阻。

4 超声波接收装置

接收电路的作用就是将接收换能器输出的微小电信号经过充分放大而得到足够大的信号，以便处理器能够识别处理。发射接收电路的原始接收信号数量级为毫伏甚至微伏。如图4所示，在电路中采用以TLC2272为核心的放大电路，TLC2272是单芯片双运放放大器，与其他CMOS型放大器相比，具有高输入阻抗、低噪声、低输入偏置电流、低功耗的优点，并且具有轨对轨的输出特性，因此其动态应用范围大，可以提供2 MHz的带宽和3 V/μs的摆率。如图4所示，R1是作为接收时的匹配电阻，该电阻阻值影响放大后正弦波的波形质量，其放大倍数由R3与R2的比值决定。

超声波传感器接收到的微弱信号经过放大器放大后，为了提高信噪比，通常要对信号进行滤波处理。本接收电路采用MAX275有源带通滤波器来实现滤波功能，减小温漂、零漂和直流偏置，提高信噪比，从而满足接收电路高精度和高稳定性的要求。

为获得阻带内的最大衰减，提高Q值，采用四阶滤波器设计，可通过将MAX275内部的两个二阶滤波器级联实现，即A部分的输出接B部分的输入，电路图如图5所示。更为方便的设计方法是使用MAXIM274/275有源滤波器设计软件(在MAXIM网站上可免费下载)，根据滤波器的性能指标，如中心频率f0、带内最大衰减、阻带内最小衰减、通带宽度、阻带宽度、Q值等，软件就会执行相关命令，程序会分析结果，自动装入数据，并显示各级的实际连接框图和外接电阻的阻值，该带通滤波电路的中心频率为40 kHz，Q值为10，带通增益为8 dB。

图5 四阶巴特沃思带通滤波器电路图

5 系统软件设计

该软件的设计主要是完成以下两个功能:完成单相全桥逆变器的控制，使之能够产生40 kHz的超声波传感器的驱动交流电；通过外部中断控制Boost电路中开关管的占空比，实现超声波驱动电压的可调。

图6产生40 kHz的超声波程序流程图

图6 为40 kHz的超声波发生程序流程图，首先配置相应系统寄存器，通过计数寄存器的值与设定比较寄存的值相比较，当两者相等时GP定时器产生下溢中断，波形完成一次跳变，这样如此循环即可产生40 kHz的超声波；图7为改变Boost电路两端电压的程序流程图，首先在主程序最前面进行外部中断函数的申明，完成相应寄存器的配置，设定下降沿有效，当接收到下降沿信号时，改变相应寄存器的值，使得控制Boost电路中开关管的占空比发生改变，完成调压功能。

6 实验与结论

利用所设计的原理样机在试验室进行实验得到如图8所示的波形，样机的预定指标为:发射端驱动传感器电压的峰峰值＞36 V；接收端可以检测到峰峰值＞2 V的电压。

图8(a)为全桥逆变电路中通过DSP内部软件程序的编写，实现的死区控制的驱动波形，死区时间设定为0.8 μs；图8(b)为发射端的驱动传感器的波形，频率为40 kHz，峰峰值为51.3 V；图8(c)为接收端未经过处理的波形，电压峰峰值为226.1 mV；图8(d)为接收端经过处理的波形，电压峰峰值为9.9 V。

最终的结果都达到了预期的目标，实现了相应的功能，且长时间工作电路中所有元件均无过热现象。

[1]杨建华，屈卫东.电站锅炉风粉在线检测系统的设计与开发[J].锅炉制造，2002(1):7-8.

[2]尹静，杨兴森.电站锅炉一次风煤粉浓度测量方法的研究与应用[J].仪器仪表学报，2003，24(4):9-10.

[3]尹静，杨兴森.一次风煤粉浓度的测量方法[J].山东电力技术，2002(6):3-5.

[4]高宝桐，金安中.储制粉系统一次风煤粉浓度在线监测系统[J].华北电力技术，2002(9):9-10.

[5]蔡小舒，欧阳新.电厂煤粉在线实测研究[J].工程热物理学报，2002(6):753.

[6]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2007.