基于碰撞声特征的生物质发电燃料颗粒粒径识别系统及方法

技术领域

本发明涉及一种生物质发电燃料颗粒粒径识别技术，尤其涉及一种基于碰撞声特征的生物质发电燃料颗粒粒径识别系统及方法。

背景技术

生物质材料是一种易于获得和制备的新型发电燃料。与传统的燃烧煤炭发电相比，生物质燃料发电具有碳排放量少、节能环保等优点，在国家节能减排的大背景下，生物质燃料发电具有广阔的应用前景。但是生物质燃料在加工制备的过程中，颗粒尺寸难以精确控制，从而导致制备出的燃料颗粒尺寸存在较大变化的问题。

生物质燃料颗粒粒径的检测对生物质循环流化床锅炉的燃烧效率、送风供氧量控制、受热面的积灰和磨损都有很大的影响。如果燃料颗粒粒径不能正确检测和识别，将无法得到正确的送风供氧量，继而造成炉内颗粒分布不均、燃烧不充分、燃烧产物中的有害成分增加，这样既影响了锅炉的整体运行效率，也增加了经济成本和环保压力。因此，综合考虑经济成本、燃料效率和节能减排效果，开展生物质燃料颗粒的粒径检测和识别是十分必要的，具有重要的科研意义和工程应用价值。

现有的生物质发电燃料颗粒粒径识别方法主要包括人工识别法和图像识别法两种。其中，人工识别法具有效率低、识别速度慢的问题；图像识别法通过对生物质颗粒进行拍照和图像处理实现颗粒粒径的识别，这种方法需要检测现场光线明亮(或提供额外补光)，且存在易受颗粒堆叠遮挡影响、镜头易受现场灰尘影响等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于碰撞声特征的生物质发电燃料颗粒粒径识别系统，通过生物质燃料颗粒与测量板碰撞，根据碰撞产生的能量分析结果识别出生物质燃料颗粒的尺寸，具有装置简单、成本低、识别速度快、识别准确度高的优点。

为实现上述目的，本发明提供了基于碰撞声特征的生物质发电燃料颗粒粒径识别系统，包括：

颗粒随机取样和分散模块，用于对需要识别的生物质颗粒进行随机取样和分散，避免颗粒之间存在粘连；

碰撞测量板模块，用于完成生物质颗粒的碰撞发声过程；

声学传感器模块，用于接收生物质颗粒与所述碰撞测量板模块发生碰撞时的声发射信号；

信号采集处理模块，用于同步采集声学传感器接收的碰撞声信号，检测碰撞是否发生在有效的碰撞区域，并且判断在检测过程中发生的是单次碰撞还是多次碰撞；若是单次碰撞，则对信号进行保留并且送至颗粒粒径识别模块；若是多次碰撞，则删除该数据；

颗粒粒径识别模块，用于对碰撞声信号进行特征提取和分析，并根据声特征的声能量和声主频率实现颗粒粒径的识别并且输出识别结果；

颗粒回收模块，用于回收碰撞检测完成之后的颗粒，并将颗粒送回料仓；

通讯模块，用于将颗粒识别结果发送给监控终端；

供电模块，用于为上述模块供电；

所述颗粒随机采样和分散模块的输出端设置有所述碰撞测量板模块，所述碰撞测量板模块布置有所述声学传感器模块，所述声学传感器模块与所述信号采集处理模块相通讯，所述信号采集处理模块与所述颗粒粒径识别模块相通讯，所述颗粒粒径识别模块经所述通讯模块与所述监控终端相通讯。

优选的，所述颗粒随机取样和分散模块包括用于从需要识别的生物质燃料仓当中随机抓取部分取样颗粒的机械臂、用于将所述机械臂获取的取样颗粒进行分散的振动器、用于将所述振动器分散后的取样颗粒进行转运的传送带、用于将所述传送带输出颗粒的方向调整为垂直方向的漏斗；

所述传动带的输出端和漏斗的输入端位于所述碰撞测量板模块的上方且两者间存在设定高度差。

优选的，所述碰撞测量板模块为质地坚硬的金属板材或玻璃钢板材，所述碰撞测量板模块设置成用以使颗粒碰撞次数最少的倾斜角。

优选的，所述声学传感器模块的为宽频声发射传感器，采样频率设置为高频，从而完成对碰撞产生的声信号进行宽频带和高精度的采集。

优选的，所述通讯模块为有线通讯或者无线通讯；

所述有线通讯包括光纤宽带；

所述无线通讯包括蓝牙、红外、手机网络通讯。

优选的，所述监控终端为管理调度中心、控制中心、电脑或者手机APP。

基于碰撞声特征的生物质发电燃料颗粒粒径识别系统的方法，包括以下步骤：

S1、利用机械臂从生物质燃料仓中随机取出部分取样颗粒，然后放至振动器进行分散，然后送至传送带的输入端；

S2、传送带将取样颗粒转运至漏斗，漏斗调整颗粒的下降方向为垂直向下，落料，颗粒自由落体至碰撞测量板模块，由碰撞测量板模块上的声学传感器模块采集生物质颗粒与碰撞测量板模块发生碰撞时的宽频声发射信号，并传送至信号采集处理模块；

S3、信号采集处理模块同步采集声学传感器模块接收的信号，并且对数据进行处理分析，检测碰撞是否发生在有效碰撞区域，并且判断在检测过程中发生的是单次碰撞还是多次碰撞；若是单次碰撞，则对信号进行保留，同时将单次碰撞的声信号传送至颗粒粒径识别模块；若是多次碰撞，则删除该数据；

S4、颗粒粒径识别模块对碰撞声信号进行特征提取和分析，根据声学特征实现颗粒粒径的识别，然后判断识别结果是否正确，若正确则经通讯模块将识别结果输出至监控终端。

优选的，在步骤S4中，假定落料差为h，则根据自由落体计算公式，从高度为h位置下落的生物质颗粒，到达下方碰撞测量板模块时，垂直方向的速度，即碰撞初速度计算公式为：

其中，g为重力加速度；

当生物质颗粒与碰撞测量板模块发生碰撞的过程中，即动态接触力F(t)和声压P(t)表示为：

其中，D和ρ分别为碰撞颗粒的直径和密度，γ为调节系数，β为声压转换系数，ΔA为单位面积；T

常数K为由下式计算获得：

其中，E

优选的，在步骤S3中，所述碰撞信号的声特征包括声能量E和声主频率f，计算公式如下：

其中，α为调节系数；

而后，颗粒粒径识别模块通过计算和比较实际测量的声特征值和理论计算的声特征值是否匹配，如果匹配或者误差小于5％即可判断识别结果准确，并将识别结果上传至监控终端。

因此，本发明采用上述结构具有以下有益效果：

(1)结构简单、易于安装，对现场光线条件没有特殊要求；

(2)安装完成之后不需要人员值守，可以自动完成颗粒粒径识别并且上传识别结果；

(3)识别原理基于碰撞声发射和数据库信息查寻，具有原理可靠、计算量小、运算速度快、识别精度高的优点。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的颗粒随机取样和分散模块结构示意图；

图3为本发明的信号采集处理模块的碰撞区域划分图；

图4为本发明的单次碰撞和多次碰撞示意图；

图5为本发明的不同粒径颗粒产生的碰撞声压分析图；

图6为本发明的不同粒径颗粒产生的碰撞声能量分析图；

图7为本发明的不同粒径颗粒产生的碰撞声主频率分析图；

其中：1、生物质燃料仓；2、机械臂；3、振动器；4、传送带；5、漏斗；6、碰撞测量板模块；7、声发射传感器模块；8、颗粒回收模块。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

图1为本发明的结构框图；图2为本发明的颗粒随机取样和分散模块结构示意图；图3为本发明的信号采集处理模块的碰撞区域划分图；图4为本发明的单次碰撞和多次碰撞示意图；图5为本发明的不同粒径颗粒产生的碰撞声压分析图；图6为本发明的不同粒径颗粒产生的碰撞声能量分析图；图7为本发明的不同粒径颗粒产生的碰撞声主频率分析图；如图1-图7所示，本发明的结构包括：

颗粒随机取样和分散模块，用于对需要识别的生物质颗粒进行随机取样和分散，避免颗粒粘连；优选的，颗粒随机取样和分散模块包括用于从需要识别的生物质燃料仓1当中随机抓取部分取样颗粒的机械臂2、用于将所述机械臂2获取的取样颗粒进行分散的振动器3、用于将所述振动器分散后的取样颗粒进行转运的传送带4、用于将所述传送带4输出颗粒的方向调整为垂直方向的漏斗5，传送带4的输出端和漏斗5的输入端位于碰撞测量板模块的上方且存在设定高度差。在本实施例中高度差需要根据生物质颗粒的材料属性(如：类型、湿度等)和现场噪声条件决定，如果生物质颗粒材料较硬、现场噪声较小，该高度差可以设置的较小(比如0.5米)，如果生物质颗粒材料较软、现场噪声较大，该高度差可以设置的较大(比如1米)。

碰撞测量板模块6，用于完成生物质颗粒的碰撞发声过程；优选的，碰撞测量板模块6为质地坚硬的金属板材或玻璃钢板材，所述碰撞测量板模块设置成用以使颗粒碰撞次数最少的倾斜角。需要说明的是，在本实施例中倾斜角度需要根据生物质颗粒的材料属性(如：类型、湿度等)和碰撞高度等条件决定，目的是保证生物质颗粒与碰撞测量板发生较少次数的碰撞(最好是单次碰撞)，避免发生多次反弹碰撞对声信号造成干扰；

声学传感器模块7，用于采集生物质颗粒与碰撞测量板模块6发生碰撞时的声信号；优选的，声学传感器模块7为宽频声发射传感器，采样频率设置为高频，从而完成对碰撞产生的声信号进行宽频带、高精度的采集；宽频设置保证对碰撞产生的宽频带声信号进行全频段的接收；高频采样率的设置目的是保证对宽频带声信号进行高精度的采集、保证较高的时间分辨率和频率分辨率，从而更好的区分某个时间段内为单次碰撞还是多次碰撞；本实施例的宽频声发射传感器的工作频率范围优选为20Hz—500kHz，高频采样率优选在1MHz及以上。

信号采集处理模块，用于同步采集声学传感器接收的碰撞声信号，并且对数据进行处理分析，检测碰撞是否发生在有效碰撞区域，判断在检测过程中发生的是单次碰撞还是多次碰撞；若是单次碰撞，则对信号进行保留；若是多次碰撞，则删除该数据；需要说明的是有效碰撞区域是指漏斗垂直方向在碰撞测量板的投影区域(如图3)，其他区域则判定为无效区域，这是为了保证碰撞初速度和声特征计算的准确性；区分碰撞次数的时间间隔Δt计算如下式所示，如果在该时间间隔内，只有1个声信号包络则判定为单次碰撞，如果有多个声信号包络则判定为多次碰撞(如图4)。

区分碰撞次数的时间间隔Δt表示为：

其中，a为调节系数。

颗粒粒径识别模块，用于对碰撞声信号进行特征提取和分析，并根据声特征的声能量和声主频率实现颗粒粒径的识别并且输出识别结果；

颗粒回收模块，用于回收碰撞检测完成之后的颗粒，并将颗粒送回料仓，节约资源；

通讯模块，用于将颗粒识别结果发送给监控终端；优选的，通讯模块为有线通讯或者无线通讯；有线通讯包括光纤宽带；无线通讯包括蓝牙、红外、手机网络通讯。优选的，监控终端为管理调度中心、控制中心、电脑或者手机APP；

供电模块，用于为上述模块供电；

颗粒随机取样和分散模块的输出端设置有碰撞测量板模块6，碰撞测量板模块6上的颗粒碰撞区域布置有声学传感器模块7，声学传感器模块7与信号采集处理模块相通讯，信号采集处理模块与颗粒粒径识别模块相通讯，颗粒粒径识别模块经通讯模块与监控终端相通讯。

基于碰撞声特征的生物质发电燃料颗粒粒径识别系统的方法，包括以下步骤：

S1、利用机械臂2从生物质燃料仓1中随机取出部分取样颗粒，然后放至振动器3进行分散，然后送至传送带4的输入端；

S2、传送带4将取样颗粒转运至漏斗5，漏斗调整颗粒下降方向为垂直方向，落料，颗粒自由落体至碰撞测量板模块6，由碰撞测量板模块6上的声学传感器模块7采集生物质颗粒与碰撞测量板模块7发生碰撞时的声信号，并传送至信号采集处理模块；

S3、信号采集处理模块同步采集声学传感器模块接收的信号，并且对数据进行处理分析，检测碰撞是否发生在有效碰撞区域(有效碰撞区域是指漏斗垂直方向在碰撞测量板的投影区域)，并且判断在检测过程中发生的是单次碰撞还是多次碰撞；若是单次碰撞，则对信号进行保留，同时将单次碰撞信号传送至颗粒粒径识别模块；若是多次碰撞，则删除该数据；

S4、颗粒粒径识别模块对碰撞声信号进行特征提取和分析，根据信号声特征实现颗粒粒径的识别，然后判断识别结果是否正确，若正确则经通讯模块将识别结果输出至监控终端。

优选的，在步骤S4中，假定落料差为h，则根据自由落体计算公式，从高度为h位置下落的生物质颗粒，到达下方碰撞测量板模块6时，垂直方向的速度，即碰撞初速度计算公式为：

其中，g为重力加速度；

当生物质颗粒与碰撞测量板模块发生碰撞的过程中，即动态接触力F(t)和声压P(t)表示为：

其中，D和ρ分别为碰撞颗粒的直径和密度，γ为调节系数，β为声压转换系数，ΔA为单位面积；T

常数K为由下式计算获得：

其中，E

优选的，在步骤S3中，所述碰撞信号的声特征包括声能量E和声主频率f，计算公式如下：

其中，α为调节系数；可以看出，颗粒粒径越大，声能量越大，而声主频率越小；

而后，颗粒粒径识别模块通过计算和比较实际测量的声特征值(声能量实测值和声主频率实测值)和理论计算的声特征值(声能量理论值和声主频率理论值)是否匹配，如果匹配或者误差小于5％即可判断识别结果准确，并将识别结果上传至监控终端

因此，本发明采用上述结构的基于碰撞声特征的生物质发电燃料颗粒粒径识别系统，通过生物质燃料颗粒与测量板碰撞，根据碰撞产生的能量分析结果识别出生物质燃料颗粒的尺寸，具有装置简单、成本低、识别速度快、识别准确度高的优点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。