專利名稱：用于測量多相介質(zhì)流動的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種用于測量多相介質(zhì)流動的方法和設(shè)備，尤其涉及一種用微波無接觸地監(jiān)視管道中兩相介質(zhì)質(zhì)量流的方法和設(shè)備。
該方法和設(shè)備可以用來監(jiān)視或測量通過管道以渦流形式輸送的物質(zhì)的質(zhì)量流、介質(zhì)的運(yùn)動速度以及諸如濕度和介電性質(zhì)等其他特性。例如，本發(fā)明的原理可以應(yīng)用于通過管道輸送至發(fā)電廠燃燒爐的氣態(tài)或液態(tài)載體介質(zhì)中懸浮的煤粉。煤粉通過適當(dāng)?shù)墓艿酪詢上嗔鞯男问捷斔?，流動中引起的渦旋是必要的輸送速度所導(dǎo)致的。當(dāng)要用一種運(yùn)載氣體輸送固體時，由于渦旋，已知的輸送或傳送技術(shù)會使一些部分的密度增大，下文稱之為“股”，它們并不被局限。
與其他工廠相比，對于燃煤的發(fā)電廠，監(jiān)視煤粉的濃度或密度更為重要，因為通過管道輸送至個別爐的煤粉在管道截面上的分布是不均勻的，而是在管道的某些地方趨于形成所謂的股，在股處，煤粉濃度顯著大于其他地方的濃度。這尤其會使煤粉在從一接頭延伸出的不同管道中的分布不相等。同樣也使煤在各燃燒爐中的燃燒低于或超過理想配比。形成股的另一結(jié)果是不可能在管道的任何一點測量煤粉的密度，這是因為管道內(nèi)煤粉的流動圖形是動態(tài)變化的，所以不能建立具有代表性的測量點。由于該原因，通常的做法是，每隔一段時間，在分布于整個截面的多個測量位置上，用等動力吸管(isoki-netic suction tube)手動抽出煤，以對管道截面進(jìn)行所謂的網(wǎng)讀(net-work readings)。這種測量極花時間，而且?guī)讉€小時后才能獲得結(jié)果。它們是管道中恒定設(shè)置閥門的基礎(chǔ)，而閥門的設(shè)置會影響個別管道中煤粉的分布。因此，只能對某些恒定的值設(shè)置閥門。至今，還未能提供可自動調(diào)節(jié)發(fā)電廠中使用的不同密度條件和不同類型煤的控制。
本發(fā)明的一般目的是提供一種方法和設(shè)備，用來監(jiān)視管道和類似裝置中的質(zhì)量流。
本發(fā)明另一個更加具體的目的是提供一種方法和設(shè)備，用來無接觸地測量或監(jiān)視一封閉的輸送系統(tǒng)中多相介質(zhì)的質(zhì)量流。
本發(fā)明另一個目的在于提供一種方法和設(shè)備，用來無接觸地監(jiān)視一管道中動態(tài)變化的多相介質(zhì)質(zhì)量流。
本發(fā)明另一個目的是提供一種方法和設(shè)備，用來無接觸地監(jiān)視管道內(nèi)懸浮于一氣態(tài)或液態(tài)載體介質(zhì)中的煤粉的質(zhì)量流量。
本發(fā)明一個更具體的目的是提供一種方法和設(shè)備，它們用微波無接觸地監(jiān)視或測量管道內(nèi)懸浮于一載體介質(zhì)中的煤粉的質(zhì)量流。
本發(fā)明還有一個目的是提供一種方法和設(shè)備，用來監(jiān)視向大的燃煤發(fā)電廠輸送的管道內(nèi)載體介質(zhì)中煤粉濃度的變化。
另外，本發(fā)明的一個目的是提供一種方法和設(shè)備，監(jiān)視或測量管道內(nèi)懸浮于載體介質(zhì)中的煤粉的質(zhì)量流，并導(dǎo)出其平均測量結(jié)果。
本發(fā)明的其他目的，一部分將是明顯的，一部分將在后文中表現(xiàn)出來。
為實行這些和其他目的，本發(fā)明提供了一種方法，該方法通過觀察微波在被輸送介質(zhì)不同的介電相圖情形中的傳播時間和衰減，無接觸地監(jiān)視或測量管道中兩相介質(zhì)(諸如懸浮在液態(tài)載體介質(zhì)中的煤粉)的質(zhì)量流。最好至少有一部分管道包含一段圓形截面的、可作為監(jiān)視或測量通路的空心通道，并備有微波輸入和輸出耦合器，用來周期性地傳播沿軸向和方位角方向有位移的微波脈沖。例如，通過適當(dāng)選擇激勵頻率，可以使輸入微波相對于監(jiān)視通道的管道直徑和介質(zhì)的介電常數(shù)以基模形式傳播。可以用已知的相位差沿方位角方向控制微波，從而使輸入的微波圓極化或橢圓極化。根據(jù)所需的靈敏度，從微波的輸入位置開始，在沿饋送通道軸向位移的截面上測量微波。最好用多個頻率以及發(fā)送和接收裝置來確定質(zhì)量流。為確定密度，可從密度的變化導(dǎo)出傳播時間，而傳播時間是通過形成監(jiān)視信號的互相關(guān)函數(shù)確定的。
后附的權(quán)利要求詳細(xì)闡述了本發(fā)明的新特征。而參照附圖閱讀下列較佳實施例將最透徹地理解發(fā)明本身的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和布置，還有制造技術(shù)和本發(fā)明的其他目的和長處，其中

圖1是實施本發(fā)明的裝置簡圖，它包括構(gòu)成一開槽的發(fā)送和接收耦合器的管道部分；圖2示出了沿不同方位角輸入的橫電(TE)波(基模)；圖3是一張旋轉(zhuǎn)電磁場輸入的示意圖；圖4示出了用來與管道耦合的連接條；圖5是管道的截面，示出了管道與連接條的耦合。
為依照本發(fā)明執(zhí)行和使用所述方法，介紹下面的做法在煤粉輸送管道的幾個分立部分開幾個孔。管道不再需要其他的變化或改變。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員易于理解，以下使用的“測量”和“監(jiān)視”表述除非另作說明，將是同義詞。
下文中有時會總稱多個孔為一個孔或槽的陣列，而由特征相干距離(即兩接收天線間的距離)、渦流以及適于高測量靈敏度的發(fā)射器和接收器間的間隔，確定孔的軸向安排和布置。槽陣列圖形依賴于傳送物質(zhì)的吸收圖形和管道截面內(nèi)的流動狀態(tài)。
可以用各種方式將微波能量通過槽陣列輸入至管道中。例如，可以將波導(dǎo)導(dǎo)向或接至各別的槽陣列或孔來實現(xiàn)。
沿槽和孔的軸向安裝必要的接收天線，相隔距離小于移動或流動物質(zhì)的特征相干長度。用這種方式，可以通過輸入或反射的監(jiān)視或測量信號的互相關(guān)性，測量從一個天線到另一個天線的傳播時間。
如果流動是不足渦流，則可以通過注入傳輸圖形與材料的兩相都不同的載體氣體或液體，產(chǎn)生局部渦流，從而測出速度。
圖1至5所描述的實施例還可用來測量管道中的平均載料密度和質(zhì)量流，其中管道用另一種介質(zhì)(液體或氣體)輸送很薄的固體(煤粉)，該測量將在管道內(nèi)介質(zhì)的截面上進(jìn)行，即沿與流動垂直的方向進(jìn)行。
為此，管道部分1起一圓形波導(dǎo)的作用，并充當(dāng)發(fā)送和接收耦合器2，3(圖1)。
微波從一發(fā)生器10通過例如波導(dǎo)、同軸波導(dǎo)或平行波導(dǎo)等饋線4輸出，并通過一孔6a導(dǎo)入管道1，以在管道中傳輸一預(yù)定距離。在軸向偏離輸入連接處的距離大得足以保證足夠靈敏度的地方，至少從管道1通過其壁上的孔6b取出部分微波，并將其送至一比較器11，以將該部分微波的位相和衰減與輸入波作比較。該過程可以通過一熟知的方式來實現(xiàn)，即把未改變的輸入波從發(fā)生器10通過一參考線12直接饋送到比較器(Mischer)11。比較器11中檢測到的相移和衰減經(jīng)適當(dāng)處理，成為控制信號，用來控制管道系統(tǒng)中的預(yù)定參數(shù)。為此，下文有時把比較器11稱為信號處理器。
管道部分1構(gòu)成一帶槽或帶孔的耦合器，并在其壁上配備有相應(yīng)的開口6，起輸入和輸出孔的作用。根據(jù)其預(yù)期的目的和功能，管道部分具有兩個部分2、3，部分2用于輸入微波而部分3用于輸出微波。部分2和3通過一預(yù)定長度的測量部分5相互連接。用來傳播未改變輸入微波且不發(fā)生任何衰減或相移的參考線12平行于測量部分5延伸。
作為安裝的另一部件，還備有諸如比較器11等裝置(Mischer)，用來測量分別通過管道部分5和參考線12發(fā)送的波的位相差。位于相同方位的發(fā)送部分2和接收部分3上的孔6a和6b分別用于發(fā)送和接收。例如，圖1所示發(fā)送部分2的上連接孔6a與接收部分3的上孔6b配合使用。
在進(jìn)行了該特殊的測量或監(jiān)視操作后，接著用類似的方式操作中孔和下孔。圖2示出了相隔90度方位角的三個耦合孔處因輸入基模橫電(TE)波而產(chǎn)生的場分布。正如本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將看到的，本發(fā)明最好使用電磁(EM)波的電場分量(ET)。
另一種方法是，通過相互成90°方位角的兩個耦合孔6、7(圖4)輸入圓極化波。例如，可以用電磁波激勵兩個耦合孔6、7來做到這點，其中電磁波在兩耦合孔處相角偏移π/4。用這種方式，可產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)電場，然后通過兩耦合孔輸出。僅測量一次，便可在旋轉(zhuǎn)方位角取向由電場透過煤粉股8。根據(jù)所給的應(yīng)用，用下面將要描述的方式向幾對孔施加脈沖，以用于測量。
在圖2中，標(biāo)號6表示主動或輸入孔，而標(biāo)號7表示被動或輸出孔。線9表示橫電波(以下稱為“TE波”)電力線的走向，而標(biāo)號8表示管道部分1內(nèi)部形成的煤粉股。圖3也示出了TE波電力線9的走向。圖中還示出了輸入耦合處電場強(qiáng)度隨時間的變化。
一般地說，管道中裝入煤粉會使電磁波的傳播時間延長。未改變的傳輸波與通過材料發(fā)送的波兩波傳播時間的差隨測量部分長度的增長而加大，因為每波長的延遲在整個測量部分上疊加，總延遲等于每波長延遲的n倍(總長度/波長＝n)。另外，電磁波的衰減程度也依賴于長度。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)0°和180°之間的相移最適于測量測量信號和參考信號間的位相差，因為在該范圍中不會發(fā)生相角的混淆。因此，將這樣選擇測量部分的長度，使這些相角遵守實際的裝料條件。
圖4和5中，示出了與耦合開口6、7相連的導(dǎo)電條4。圖4描繪了導(dǎo)電條4的上表面和下表面，而圖5則示出了導(dǎo)電條4與管道部分1相連的布置情況。
由于所用微波的頻率依賴于管道的口徑(直徑)，并且作為波導(dǎo)的管道具有高通特性，所以電磁波的基模特別適于測量，因為低頻的電磁波不能在管道中傳播。因此，不會產(chǎn)生對位相測量不利的更低的附加模式。所以，必須以合適的頻率運(yùn)行設(shè)備。
激勵源或電磁波發(fā)生器例如可以是釔鐵石榴石(YIG)諧振器。
還可以在發(fā)送耦合器的側(cè)對面進(jìn)一步增加帶槽的接收耦合器來擴(kuò)大設(shè)備，以通過煤粉密度的互相關(guān)測量顯示煤粉的運(yùn)動速度。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將看到，本發(fā)明的方法及其附屬設(shè)備一般依賴于那些測量微波的已知方法，發(fā)送微波所通過的被輸送材料在所描述的實施例中為煤粉。本發(fā)明已考慮了這樣的因素，即諸如碳等材料中固有的復(fù)數(shù)介電常數(shù)會使微波有衰減和相移，使該常數(shù)有虛數(shù)部分。
因此，3兆赫茲時煤和水的介電常數(shù)ε*如下煤 水ε′＝2.5ε′＝81ε″＝0.3ε″＝12其中，ε*＝ε′＋jε″。
ε′是復(fù)數(shù)介電常數(shù)的實數(shù)部分，而ε″是復(fù)數(shù)介電常數(shù)的虛數(shù)部分。
如果管道內(nèi)的材料只包含一種成份，那么可以根據(jù)其吸收和相移確定發(fā)送波信號所通過的材料的質(zhì)量。如果被輸送的材料是幾種成份的復(fù)合物，則將由單個吸收系數(shù)組合而成的有效吸收系數(shù)確定吸收。在煤粉為均勻(不變)復(fù)合物的場合，可以確定煤粉相對于運(yùn)載氣體的比例。
當(dāng)把諸如空氣或水等運(yùn)載介質(zhì)和諸如煤等被輸送材料裝入管道中時，根據(jù)下列條件可以確定兩種介質(zhì)的比例a)兩種介質(zhì)的每一種材料成份對于微波的衰減特性和相移隨時間保持不變；b)兩種介質(zhì)在微波的衰減和相移特性方面相對于發(fā)送微波所通過的體積的變化效果有明顯不同，即測量充有第一種介質(zhì)的管道所得的結(jié)果必須明顯不同于測量充有另一種介質(zhì)的管道所得的結(jié)果。
當(dāng)測量管道中的煤粉時，滿足條件a)，這是因為，由于上游煤粉磨機(jī)容積大，所以就時間常數(shù)而言，與管道內(nèi)的流動特性相比，材料成份將慢慢發(fā)生變化，并且還因為可以通過一上游的快速測量系統(tǒng)單獨(dú)測量各物質(zhì)，例如測量煤粉的剩余濕度。當(dāng)測量僅限于兩管道間的差別時，甚至可以省去條件a)。在這種情況下，唯一的要求是各相的物質(zhì)成份皆相同。
依照本發(fā)明的方法是一種無接觸的方法，也就是說，它不要求與將被測量或被監(jiān)視的介質(zhì)直接接觸。微波能量從管道外部導(dǎo)入其內(nèi)部，然后再把通過管道發(fā)送的能量取出至外部。首先，對管道內(nèi)橫截面上煤粉的裝載密度和質(zhì)量流作平均測量。然后，將微波從諸如波導(dǎo)、同軸波導(dǎo)或平行波導(dǎo)等饋線轉(zhuǎn)移，并將它們送入管道，從而使微波在管道中傳輸一預(yù)定的距離。從管道中其壁上一開口處取出一部分微波，開口的位置沿軸向偏離輸入耦合器的位置，偏離距離大得足以保證足夠的靈敏度，并且將這部分微波的相位和衰減與未改變的微波作比較。為此，未改變的微波通過一參考波導(dǎo)送入一比較器。
依照本發(fā)明，在不同方位角處用連續(xù)脈沖將EM波(電磁波)送入管道，那些饋入微波的耦合孔稱為“有源”耦合孔。其余的孔用“無源”來表述。脈動發(fā)生得足夠快，以避免在脈沖串期間煤粉的位置發(fā)生顯著變化。用這種方式，高和低的場強(qiáng)交替穿過煤粉股?？梢詫λ羞@些測量的總和求平均。因此，煤粉濃度的不均勻分布對該測量的影響比對從單個脈沖獲得測量的影響要小得多。另外，在不同的方位角將發(fā)生不同的相移。也可對這些求平均。
鑒于煤粉股不穩(wěn)定但沿管道橫向移動的事實，這類稱之為在前(supra)的重復(fù)測量將產(chǎn)生一代表性很強(qiáng)的值。除了用脈動的方式連續(xù)激勵天線耦合孔之外，或作為代替，可以成對地同時激勵兩個耦合孔。用這種方式可以輸入一圓極化波，圓極化波由于其旋轉(zhuǎn)電場會提供進(jìn)一步的測量數(shù)據(jù)。管道內(nèi)的流動條件以及特殊的應(yīng)用(例如，必要的精度)確定了孔的數(shù)目和激勵方式。
無接觸測量是通過把耦合孔直接放在管道中來完成的，其中耦合孔用來將微波輸入至管道的內(nèi)部，然后再從內(nèi)部取出微波。
為此，可以使用一個與耦合孔聯(lián)用的耦合器。依照本發(fā)明，將開口鉆入管道壁，并使一導(dǎo)電條與開口相接或耦合。這種安裝成本低廉，因為這些導(dǎo)電條可以象箔或蝕刻鍍銅電路板一樣大量生產(chǎn)。由于考慮了發(fā)電廠中管道占據(jù)空間的范圍、其大量的燃燒爐以至大量潛在的測量位置，所以本發(fā)明推薦的耦合方法具有明顯的好處。將多個插頭插入各開口中，在管道的內(nèi)部提供光滑的連續(xù)表面以防止煤粉的沉積污染鉆孔是有益。這種插頭可以由例如石英玻璃等能透過電磁波或至少其電場分量ET的介電材料組成。
此外，依照本發(fā)明，定向耦合連接可以賦予電磁波優(yōu)先的傳播方向。由于它們減少了不希望的反射，所以在管道接頭附近特別有好處。
利用本發(fā)明的設(shè)備，第一次可以定量地監(jiān)視管道在為大型燃燒爐送料時截面上煤粉密度或濃度的偏差。因此，上游球磨機(jī)提供的煤粉成份的均勻性允許對煤粉裝載量進(jìn)行足夠準(zhǔn)確的測量。由于可以實時獲得測量值，所以本發(fā)明的方法和設(shè)備有益于用來控制諸如燃燒爐二次風(fēng)等燃燒操作的特殊參數(shù)。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將明顯地看到，不脫離本發(fā)明的精神和范圍，可以對這里描述的各實施例進(jìn)行某些修改和變化，本發(fā)明的保護(hù)范圍唯一由后附的權(quán)利要求確定。例如，雖然目前在應(yīng)用本發(fā)明時最好利用電磁波的電場分量(TE波)，但利用磁場分量(TM波)也是可行的。
權(quán)利要求
1.一種無接觸測量管道中多相介質(zhì)的至少一種預(yù)定流動特性的方法，其特征在于，包括在所述管道中提供第一和第二部分，它們通過一預(yù)定長度的中間部分相互連接；在所述第一和第二部分的每一部分中，按預(yù)定的設(shè)計提供多個孔；從所述第一部分至所述第二部分，使所述介質(zhì)產(chǎn)生渦流；產(chǎn)生預(yù)定頻率的電磁波；通過所述第一部分中的所述孔發(fā)送所述電磁波第一部分的脈沖，通過所述介質(zhì)傳播至所述部分中的所述孔；設(shè)置一條在所述第一和第二部分之間延伸的參考線；通過所述參考線傳播所述電磁波的另一部分；通過所述第二部分中的所述孔取出所述脈沖；將所述電磁波的所述其余部分與所述電磁波的所述第一部分比較，以至少確定其衰減和相移中的一個量；以及從所述衰減和相移中那個所述的量導(dǎo)出所述流動特性的表示。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，周期性地沿軸向和沿角向相互移動發(fā)送所述脈沖。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，以不同的相角發(fā)送所述脈沖。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述相角在0°和180°間測量。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述電磁波是以基模傳播的該波的橫向電場分量。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定頻率的選擇與所述管道的內(nèi)徑有關(guān)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述電磁波由釔鐵石榴石(YIG)諧振器產(chǎn)生。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在一比較器(Mischer)中比較所述電磁波的所述第一部分和所述其余部分。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個孔沿方位角分布，并且通過所述多個孔中的不同孔將所述微波的所述第一部分脈沖導(dǎo)入所述中間部分。
10.一種用來實施權(quán)利要求1至9所述方法的設(shè)備，其特征在于，包括在一管道中有第一和第二部分，它們通過一預(yù)定長度的中間部分連接；在所述第一和第二部分的每一部分中，有多個可通過電磁波的孔；用來將所述第一部分中的所述多個孔接至一電磁波源的裝置，以便從中接收預(yù)定頻率電磁波第一部分的脈沖，用以通過所述中間部分傳播至所述第二部分的所述孔；用來將所述電磁波的另一部分從所述源發(fā)送至信號處理裝置的裝置；將所述第二部分中的所述孔接至所述信號處理裝置的裝置(Mischer)；用來將所述電磁波的另一部分從所述信號發(fā)生器發(fā)送至所述處理裝置的裝置；在所述信號處理裝置中，用來在所述電磁波的所述第一和其余部分間產(chǎn)生差值的裝置。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一和第二部分中的所述孔沿方位角相互間有位移。
12.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，使所述孔朝所述微波之所述第一部分的較佳傳播方向傾斜。
13.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，用一種能透過所述電磁波的電介質(zhì)覆蓋裝置覆蓋住所述孔。
14.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述連接裝置包括波導(dǎo)裝置。
15.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述連接裝置包括同軸波導(dǎo)裝置。
16.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述連接裝置包括平行波導(dǎo)裝置。
17.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，在兩個相互位移為90°方位角的孔處以相角差π/4的電磁波同時激勵，從而將圓極化微波引入中間部分。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用來監(jiān)視或測量通過一管道輸送的諸如煤粉等多相介質(zhì)的流動特性的方法和設(shè)備，方法是通過所述介質(zhì)將多個預(yù)定頻率電磁波的脈沖從管道的一個地方發(fā)送至另一個地方，并通過與未改變微波的比較至少確定所述被發(fā)送波衰減和相移中的一個量?？梢园巡钪堤幚沓捎脕砜刂扑隽鲃犹匦缘男盘枴?br> 文檔編號H01P1/08GK1139203SQ9511989
公開日1997年1月1日 申請日期1995年12月13日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月13日
發(fā)明者漢斯·喬治·康拉德 申請人:漢斯·喬治·康拉德