專利名稱：電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多相流測量技術(shù)，特別是電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)。 二
背景技術(shù)：
在電廠鍋爐的運(yùn)行過程中，煤粉燃燒器一次風(fēng)和煤粉量(即煤粉濃度)的均勻性 對鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要作用。保持適當(dāng)?shù)拿悍蹪舛仁墙⒘己玫臓t內(nèi)空氣動 力工況和穩(wěn)定燃燒的必要條件，國內(nèi)外的許多學(xué)者在煤粉濃度的測量方面做過大量的 研究，現(xiàn)有的測量方法主要分為直接法和間接法，間接法包括阻力壓差法、能量法、 溫度法、熱平衡法；直接法包括光學(xué)波動法、激光法、電容法和超聲波法。這些測 量方法在測量原理、適用性、可靠性、反應(yīng)速度、系統(tǒng)復(fù)雜程度上有較大差異。
間接測量方法的一個最主要的測量缺陷就是它所測量的參數(shù)不是煤粉濃度，而是 通過測量其它參數(shù)如溫度、壓力等來間接反映濃度，從而也就造成這些方法受其它因 素的影響很多,如鍋爐的燃燒器的布置、爐膛內(nèi)部結(jié)構(gòu)、周圍的環(huán)境溫度等，所以要 想通過間接測量方法來實(shí)現(xiàn)煤粉濃度的準(zhǔn)確測量非常困難。
直接測量法雖然不存在間接測量法固有的缺點(diǎn)，但是上述直接測量法各自也存在 嚴(yán)重的缺陷，應(yīng)用前景不是很廣泛。具體體現(xiàn)如下
光學(xué)波動法的測量精度主要受光纖探頭的結(jié)構(gòu)、被測量微粒的直徑、煤粉濃度的 高低影響，探頭是否被污染也直接影響到測量的準(zhǔn)確性，同時儀器存在著價格高、校 核難、操作維護(hù)困難的問題，因此在工廠使用中推廣有較大的難度；電容法的檢測場 屬于"軟場"，有其固有的靈敏度分布不均勻性問題，使測量結(jié)果不僅與煤粉濃度有關(guān)， 而且受煤粉分布及流型變化的影響很大，測量誤差較大，這使電容法在管道煤粉濃度 測量中受到很大限制，只能用于測量低濃度的煤粉流；激光法的探頭容易受煤粉污染、 所以該方法因受工作環(huán)境及設(shè)備造價等因素影響而少有電廠應(yīng)用。
而微波測量法作為一種新型的煤粉濃度測量法，屬于直接測量法范疇，不存在間 接測量法的缺陷，另外它也不像其它的幾種直接測量方法那樣受諸多額外因素影響。 對于微波測量系統(tǒng)而言，目前應(yīng)用最多的是采用探頭作為信號接收和發(fā)射裝置，也有
采用喇叭天線作為收發(fā)裝置的。但是這兩種收發(fā)裝置的測量系統(tǒng)都有一定的局限性， 不能準(zhǔn)確的測量煤粉濃度值。
采用探頭作為信號發(fā)射裝置時，需要將探頭插入到輸煤管內(nèi)，這會對測量造成嚴(yán) 重影響，不能準(zhǔn)確的測得煤粉濃度值，因?yàn)橐环矫孑斆汗軆?nèi)的煤粉流會磨損探頭，影 響測量結(jié)果，同時也會造成探頭更換頻繁；另一方面管內(nèi)的煤粉流會在探頭頂端形成 繞流區(qū)，導(dǎo)致微波信號傳輸通過輸煤管時產(chǎn)生較大波動，對測量也會造成較大影響。 采用喇叭天線作為收發(fā)裝置的微波系統(tǒng)，在系統(tǒng)的設(shè)計上存在較大的差異；并且對微 波信號的處理上也不是很合理，導(dǎo)致即使在同一測量條件下其測量結(jié)果也會發(fā)生較大 變化，不能有效的測量煤粉濃度值。
目前，電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)一般采用喇叭天線(或探頭)作為信號 發(fā)射和接收裝置，其不同的放置方式會使得微波系統(tǒng)的測量結(jié)果相差很大。目前常用 的探頭和喇叭天線的放置方式有兩種(1)在輸煤管兩側(cè)對等放置，微波信號垂直于 管內(nèi)煤粉流動的方向被接收；(2)在輸煤管同側(cè)放置，微波信號在管壁反射幾次后被 接收。這兩種放置方式的微波系統(tǒng)在進(jìn)行煤粉濃度在線測量時，都存在有一定的問題， 無法準(zhǔn)確的實(shí)施測量。
采用前一種放置方式的微波系統(tǒng)，由于其測量沿程較短，測量段內(nèi)的煤粉量較少， 所以對微波信號的吸收衰減也較小，使得衰減前后的電壓值變化較小。這較小的電壓 差值有時無法被測出，因此也就無法確定出煤粉濃度值。
采用后一種放置方式的微波系統(tǒng)，由于微波信號在管壁上有一個反射過程，測量 沿程較長，測量段內(nèi)的煤粉量較大，所以對微波的吸收衰減也較大，使得衰減前后的 電壓值變化較大，這種情況下的電壓差值較易被測出。但是由于輸煤管是圓管，當(dāng)微 波在管壁上反射時，會有很大一部分微波信號被反射到其他方向上無法被接收裝置接 收到，這也會導(dǎo)致衰減前后的電壓值發(fā)生變化，所以該系統(tǒng)測得的電壓差值不僅僅是 由管內(nèi)煤粉對微波的吸收衰減引起的，還包括因一部分微波信號被反射掉而引起的， 因此不能用其測得的電壓差值來確定煤粉濃度值。
另外，微波發(fā)射和接收裝置一般都是通過喇叭天線或探頭來實(shí)現(xiàn)的，喇叭天線是放置在輸煤管外的，而探頭是放置在管內(nèi)的。輸煤管內(nèi)流動的是煤粉和空氣的混合物， 而煤粉顆是表面粒一種多松孔的結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的粘著力，較容易黏附到管內(nèi)壁面。 而管內(nèi)的一次風(fēng)速較高， 一般在15m/s以上，這一較高的風(fēng)速在輸送煤粉的過程中會 不斷的吹掃管內(nèi)壁面，使得黏附在壁面上的煤粉不至于過多，但是由于不可能完全吹 掃去所有黏附在管壁面上煤粉，殘留在管壁這一部分煤粉會對微波測量產(chǎn)生影響，會 增大測量誤差。 三

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠提高 測量電壓差值，減小測量誤差，同時有效的消除了管壁粘煤粉的影響，提高測量精度， 實(shí)現(xiàn)煤粉濃度的準(zhǔn)確測量。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)解決方案是 一種電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)，包括 輸煤管，發(fā)射器和接收器設(shè)置在輸煤管兩側(cè)，并沿徑向錯位安裝以使發(fā)射器發(fā)射的微 波信號傳輸方向與輸煤管內(nèi)的煤粉流動方向成偏角。
本發(fā)明電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)的發(fā)射器發(fā)射的微波信號傳輸方向與煤
粉流動方向之間的偏角0為30° ~60° 。
本發(fā)明電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)的微波振蕩器、功分計和發(fā)射器構(gòu)成發(fā) 射裝置，而接收裝置包括測量信號接收裝置和參考信號接收裝置，測量信號接收裝置 包括接收器、第一檢波器、第一直流放大電路和第一低通濾波器，參考信號接收裝置 包括第二檢波器、第二直流放大電路、第二低通濾波器和差放電路；所述的輸煤管兩 側(cè)設(shè)置發(fā)射器和接收器，微波振蕩器產(chǎn)生的微波信號經(jīng)隔離器濾除噪聲信號后輸入到 功分計，該微波信號被分成兩束相同的信號， 一束作為參考信號，另一束作為測量信 號；該測量信號由發(fā)射器發(fā)射到輸煤管，被管內(nèi)的煤粉吸收產(chǎn)生衰減后被接收器接收， 并傳輸?shù)降谝粰z波器上將微波衰減信號轉(zhuǎn)化為直流電壓信號，并通過第一直流放大電 路將轉(zhuǎn)化后的直流電壓信號放大，再經(jīng)第一低通濾波器濾除低頻信號后傳輸?shù)讲罘蛛?路中；所述的參考信號直接傳輸?shù)降诙z波器上將微波信號轉(zhuǎn)化為直流電壓信號，并 經(jīng)過第二直流放大電路將轉(zhuǎn)化后的直流電壓信號放大，再經(jīng)第二低通濾波器濾除低頻
信號后，傳輸?shù)讲罘蛛娐分校粎⒖夹盘柡蜏y量信號在差分電路中產(chǎn)生電壓差值，該電 壓差值與輸煤管內(nèi)的煤粉濃度之間存在一一對應(yīng)關(guān)系，并在電壓測量端中測出，從而 確定與電壓差值相對應(yīng)的煤粉濃度值。
本發(fā)明電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)的發(fā)射器和接收器沿徑向錯位設(shè)置在輸 煤管兩側(cè)形成測量區(qū)域，在靠近該測量區(qū)域的輸煤管上開孔設(shè)置噴口，壓縮空氣通過 該噴口吹掃測量區(qū)域的輸煤管管壁，壓縮空氣的吹掃方向與輸煤管內(nèi)的煤粉流動的方 向相同。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是(1)改變傳統(tǒng)微波信號收發(fā)裝置的布置 方式，將收發(fā)裝置在輸煤管兩側(cè)傾斜布置，微波信號與管內(nèi)煤粉流動方向成一定偏角 被接收，因而增加了測量沿程，充分利用了多卜勒效應(yīng)，增大了煤粉對微波的吸收衰 減作用，從而增大了測量的電壓差值，而且避免了采用反射測量時出現(xiàn)的問題，能準(zhǔn) 確的測出煤粉濃度值，可以有效的用于電站鍋爐煤粉濃度的在線測量。(2)利用煤粉 對微波的吸收作用，選用喇叭天線作為微波信號收發(fā)裝置，結(jié)合微波發(fā)射裝置和接收 裝置，將微波衰減信號轉(zhuǎn)化為電壓差值信號，通過測量電壓差值來確定煤粉濃度值， 避免了采用探頭測量時存在的問題；通過測量電壓差值信號的方法，有效的解決了測 量結(jié)果不一致的問題，能夠準(zhǔn)確的測出煤粉濃度值。(3)在輸煤管上開兩個孔安裝噴 口，通過噴口向管內(nèi)加壓縮空氣，吹掃管壁面黏附的煤粉，壓縮空氣的吹掃方向與煤 粉流動方向相同，壓縮空氣的流速要大于一次風(fēng)速，因而消除管壁粘煤粉的影響，提 高了微波測量的精度。(4)結(jié)構(gòu)簡單，具有安裝方便、測量精高、實(shí)時性好，能夠有 效的用于煤粉濃度的在線測量。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。 四


圖1是本發(fā)明電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)的差值電壓隨煤粉濃度的變化曲 線圖。
五具體實(shí)施方式
結(jié)合圖l，本發(fā)明電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)，包括輸煤管14，發(fā)射器4 和接收器5設(shè)置在輸煤管14兩側(cè)，并沿徑向錯位安裝以使發(fā)射器4發(fā)射的微波信號傳 輸方向與輸煤管14內(nèi)的煤粉17流動方向成偏角e，該偏角^最宜為30。 ~60° 。發(fā)射 器4和接收器5可以為探頭或者喇叭天線，如果發(fā)射器4和接收器5為探頭時設(shè)置在 輸煤管14的內(nèi)側(cè)，如果發(fā)射器4和接收器5為喇叭天線時設(shè)置在輸煤管14的外側(cè)。 當(dāng)發(fā)射器4和接收器5為喇叭天線時，為了消除管壁對微波信號的吸收作用，在發(fā)射 器4和接收器5設(shè)置在輸煤管14兩側(cè)的管壁上開孔設(shè)置兩塊聚四氟乙烯平板。
本發(fā)明利用煤粉對微波的吸收作用，設(shè)計微波發(fā)射裝置和接收裝置，將微波衰減 信號轉(zhuǎn)化為電壓差值信號，通過測量電壓差值來確定煤粉濃度值。即微波振蕩器l、功 分計3和發(fā)射器4構(gòu)成發(fā)射裝置，而接收裝置包括測量信號接收裝置和參考信號接收 裝置，測量信號接收裝置包括接收器5、第一檢波器6、第一直流放大電路7和第一低 通濾波器8，參考信號接收裝置包括第二檢波器ll、第二直流放大電路12、第二低通 濾波器13和差放電路9;所述的輸煤管14兩側(cè)設(shè)置發(fā)射器4和接收器5，微波振蕩器 1產(chǎn)生的微波信號經(jīng)隔離器2濾除噪聲信號后輸入到功分計3，該微波信號被分成兩束 相同的信號， 一束作為參考信號，另一束作為測量信號；該測量信號由發(fā)射器4發(fā)射 到輸煤管14，被管內(nèi)的煤粉吸收產(chǎn)生衰減后被接收器5接收，并傳輸?shù)降谝粰z波器6 上將微波衰減信號轉(zhuǎn)化為直流電壓信號，并通過第一直流放大電路7將轉(zhuǎn)化后的直流 電壓信號放大，再經(jīng)第一低通濾波器8濾除低頻信號后傳輸?shù)讲罘蛛娐?中；所述的 參考信號直接傳輸?shù)降诙z波器11上將微波信號轉(zhuǎn)化為直流電壓信號，并經(jīng)過第二直 流放大電路12將轉(zhuǎn)化后的直流電壓信號放大，再經(jīng)第二低通濾波器13濾除低頻信號 后，傳輸?shù)讲罘蛛娐?中；參考信號和測量信號在差分電路9中產(chǎn)生電壓差值，該電 壓差值與輸煤管內(nèi)的煤粉濃度之間存在一一對應(yīng)關(guān)系，并在電壓測量端10中測出，從 而確定與電壓差值相對應(yīng)的煤粉濃度值。因此，在鍋爐現(xiàn)場進(jìn)行煤粉濃度微波測量時， 要事先標(biāo)定出電壓差值隨煤粉濃度的變化曲線，并為該曲線建立一個數(shù)據(jù)庫。在以后 的測量過程中，將測得的電壓差值自動輸入到數(shù)據(jù)庫中，即可找出該差值下對應(yīng)的煤 粉濃度值，完成總個的測量過程。為了消除管壁粘煤粉17的影響，發(fā)射器4和接收器5沿徑向錯位設(shè)置在輸煤管14 兩側(cè)形成測量區(qū)域15，在靠近該測量區(qū)域15的輸煤管14上開孔設(shè)置噴口 16，壓縮空 氣18通過該噴口 16吹掃測量區(qū)域15的輸煤管管壁，壓縮空氣18的吹掃方向與輸煤 管14內(nèi)的煤粉17流動的方向相同。在輸煤管14內(nèi)的煤粉17的測量過程中，通過發(fā) 射器4發(fā)射的微波信號傳輸通過一側(cè)測量區(qū)域15，被煤粉17吸收，再穿過另一側(cè)的測 量區(qū)域被接收。壓縮空氣18是通過安裝在輸煤管14上的噴口 16加入，并吹掃測量區(qū) 管壁，其吹掃方向與管內(nèi)煤粉17流動的方向相同，防止流動的煤粉17堵塞噴口。噴 口 16的尺寸依據(jù)測量區(qū)域的寬度而定，基本要求是從噴口 16噴進(jìn)的壓縮空氣18能完 全吹掃測量區(qū)域15的內(nèi)管壁，而且壓縮空氣18的流速大于一次風(fēng)速。
總之，本發(fā)明電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)是利用煤粉對微波的吸收作用研 制的。微波信號被分成兩束相同的信號(測量信號和參考信號)。測量信號經(jīng)過煤粉吸 收后產(chǎn)生衰減。參考信號沒有被煤粉17吸收，與衰減前的測量信號具有相同的電壓值。 則參考信號和測量信號之間的電壓差值即是測量信號被煤粉吸收前后的電壓變化值， 這一變化值與煤粉媒粉濃度之間存在一一對應(yīng)關(guān)系，通過測量電壓差值即可用來確定 煤粉濃度值。采用發(fā)射器4和接收器5錯位放置，是為了增大測量沿程，產(chǎn)生多卜勒 效應(yīng)，增大測量電壓值，提高測量精度。開孔設(shè)置噴口 16是為了消除管壁粘煤粉的影 響，減小微波測量的誤差。
結(jié)合圖2，利用本發(fā)明電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)測得的四種不同煤粉的電 壓差值隨煤粉濃度變化曲線圖，圖中的煤粉濃度在0 0.8kg/kg之間變化，與現(xiàn)場煤粉 濃度范圍一致。由圖可知，通過本發(fā)明電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)測得的電壓 差值與煤粉濃度之間存在一種單調(diào)曲線關(guān)系，在現(xiàn)場測量時，只要將測得的電壓差值 與該曲線對比，即可確定出煤粉濃度值，因此可以有效的用于鍋爐現(xiàn)場的煤粉濃度測 量。
權(quán)利要求
1、一種電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)，包括輸煤管[14]，其特征在于發(fā)射器[4]和接收器[5]設(shè)置在輸煤管[14]兩側(cè)，并沿徑向錯位安裝以使發(fā)射器[4]發(fā)射的微波信號傳輸方向與輸煤管[14]內(nèi)的煤粉[17]流動方向成偏角。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)，其特征在于發(fā)射 器[4]發(fā)射的微波信號傳輸方向與煤粉[17]流動方向之間的偏角^為30° ~60° 。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)，其特征在于微波 振蕩器[l]、功分計[3]和發(fā)射器[4]構(gòu)成發(fā)射裝置，而接收裝置包括測量信號接收裝置和 參考信號接收裝置，測量信號接收裝置包括接收器[5]、第一檢波器[6]、第一直流放大 電路[7]和第一低通濾波器[8]，參考信號接收裝置包括第二檢波器[ll]、第二直流放大 電路[12]、第二低通濾波器[13]和差放電路[9];所述的輸煤管[14]兩側(cè)設(shè)置發(fā)射器[4]和 接收器[5]，微波振蕩器[1]產(chǎn)生的微波信號經(jīng)隔離器[2]濾除噪聲信號后輸入到功分計 [3]，該微波信號被分成兩束相同的信號， 一束作為參考信號，另一束作為測量信號； 該測量信號由發(fā)射器[4]發(fā)射到輸煤管[14]，被管內(nèi)的煤粉吸收產(chǎn)生衰減后被接收器[5] 接收，并傳輸?shù)降谝粰z波器[6]上將微波衰減信號轉(zhuǎn)化為直流電壓信號，并通過第一直 流放大電路[7]將轉(zhuǎn)化后的直流電壓信號放大，再經(jīng)第一低通濾波器[8]濾除低頻信號后 傳輸?shù)讲罘蛛娐穂9]中；所述的參考信號直接傳輸?shù)降诙z波器[11]上將微波信號轉(zhuǎn)化為 直流電壓信號，并經(jīng)過第二直流放大電路[12]將轉(zhuǎn)化后的直流電壓信號放大，再經(jīng)第二 低通濾波器[13]濾除低頻信號后，傳輸?shù)讲罘蛛娐穂9]中；參考信號和測量信號在差分 電路[9]中產(chǎn)生電壓差值，該電壓差值與輸煤管內(nèi)的煤粉濃度之間存在一一對應(yīng)關(guān)系， 并在電壓測量端[10]中測出，從而確定與電壓差值相對應(yīng)的煤粉濃度值。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)，其特征在 于發(fā)射器[4]和接收器[5]沿徑向錯位設(shè)置在輸煤管[14]兩側(cè)形成測量區(qū)域[15]，在靠近 該測量區(qū)域[15]的輸煤管[14]上開孔設(shè)置噴口[16]，壓縮空氣[18]通過該噴口[16]吹掃測 量區(qū)域[15]的輸煤管管壁，壓縮空氣[18]的吹掃方向與輸煤管[14]內(nèi)的煤粉[17]流動的方 向相同。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)，其特征在于壓縮空氣[18]的流速大于一次風(fēng)速。
6、根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)，其特征在 于發(fā)射器[4]和接收器[5]為探頭或者喇叭天線。
7、根據(jù)權(quán)利要求7所述的電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)，其特征在于發(fā)射器[4]和接收器[5]為探頭時設(shè)置在輸煤管[14]內(nèi)，或者發(fā)射器[4]和接收器[5]為喇叭天線 時設(shè)置在輸煤管[14]外。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)，其特征在于在發(fā) 射器[4]和接收器[5]為喇叭天線時，在輸煤管[14]的管壁上開孔設(shè)置兩塊聚四氟乙烯平 板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電站鍋爐煤粉濃度的微波測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括輸煤管，發(fā)射器和接收器設(shè)置在輸煤管兩側(cè)，并沿徑向錯位安裝以使發(fā)射器發(fā)射的微波信號傳輸方向與輸煤管內(nèi)的煤粉流動方向成偏角；并從電壓差值與輸煤管內(nèi)的煤粉濃度之間存在一一對應(yīng)關(guān)系通過發(fā)射裝置和接收裝置來確定與電壓差值相對應(yīng)的煤粉濃度值。本發(fā)明將收發(fā)裝置在輸煤管兩側(cè)傾斜布置，微波信號與管內(nèi)煤粉流動方向成一定偏角被接收，因而增加了測量沿程，增大了煤粉對微波的吸收衰減作用，從而增大了測量的電壓差值，而且避免了采用反射測量時出現(xiàn)的問題，能準(zhǔn)確的測出煤粉濃度值；通過測量電壓差值信號的方法，有效的解決了測量結(jié)果不一致的問題，能夠準(zhǔn)確的測出煤粉濃度值。
文檔編號G01N22/00GK101344473SQ200710025018
公開日2009年1月14日 申請日期2007年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月10日
發(fā)明者宣益民, 朱芳波, 強(qiáng) 李 申請人:南京理工大學(xué)