CN100429506C - 用于检测两相流体载荷的微波测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波测量装置，其用于测定具有包含细小和微小固体和/或液体微粒的气体载体介质的两相流体的载荷，以及测定包含在流体流中的气体，优选通过波导载波方式。本发明优选用于包含在大容量气动固体物质传输系统的气流中的固体微粒的测定。该微波测量装置设有场杆，该场杆伸出到给料管道内，设置在由传输和接收天线形成的测量区段前面和后面，场杆与导电性材料制成的给料管道相交，作为通过传输天线输入给料管道的微波的谐振器，作为在测量区段外的衍射、重叠和/或反射的结果在它们的偏振平面和/或相位与输入微波不同的微波基本上被短路，以防止测量结果失真。该装置具有甚至在大容量和分支的给料管道系统中也构造简单和易于安装的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波测量装置，该装置用于确定包括具有细小和微小的固体微粒和/或波体微粒的气体载体介质的两相流体的载荷，以及确定包含在流体流中的气体。本发明的优选应用领域涉及在这种大容量气动固体传输系统中，例如，在烧煤的发电站的粉煤炉中，用于确定带有固体微粒的气流的载荷。
背景技术
借助于微波的方法确定包括气体载体介质的两相流体的载荷，以及包含在流体流中的气体比例是已知的。在许多这种已知系统中，将某些频率的微波耦合到准备用做测量管道的给料管道(feed duct)的一部分，并且在管道的末端记录微波振幅和相位的任何变化。操作的优选方法涉及波导基波以避免过于复杂化和干扰。测量原理的物理背景在于，具有固体和/或液体的载体气体的载荷的变化或者流体流中气体比例的变化导致给料管道中复合介电常数的变化，以及微波经历作为该介电常数的函数的衰减和相移。德国公开专利说明书44 26 280A1描述了一种通过测定作为沿传送气流的测量管道电磁波衰减的函数的气流的固体含量来测定具有固体微粒的气流的载荷的方法，更具体地讲，用于控制在烧煤的发电站中锅炉的煤粉燃烧。如德国专利33 17 215C1中所描述的，废气的微粒载荷量近似地从微波在穿过承载微粒的废气的过程中的微波衰减获得。在WO91/05243中描述了一种方法，在其中，通过评估微波沿测量导管的衰减和相移来测定水油混合物中油或水的含量以及其速率。因为被反射的微波引起的干扰作用或者因为给料管道系统中几何变化，上面描述的各种方法遇到显著的问题。由于载荷小，尤其是微波衰减非常小，以致于微波，例如在波导中，长距离传播并且在狭窄部分、分支处、弯曲处或末端被反射和/或衍射。其结果是传播到末端和自末端传播的波的外差作用，因此，测量结果难以计算或者计算中存在显著失真。
为了避免这种干扰的影响，已经开发出一些利用几何学确定的微波谐振器的系统。这种类型的装置已经在欧洲公开专利说明书0，669，522 A2中描述过，在该装置中，在粉末气体混合物通过给料管道馈送的同时，测量粉末气体混合物中的粉末质量流量。在该系统中，微波谐振器以空腔谐振器的方式或者安装在给料管道的外部，或者围绕给料管道。如果空腔谐振器安装在给料管道外部，那么只进行粉末气体混合物的流量的一部分的测量。在给料管道的横截面上出现粉末气体混合物的不同的微粒载荷时，这在大容积的给料管道的情况是常有的事，或者，在有时必须考虑到增加的微粒含量的具体状况时，由安装在给料管道外部的空腔谐振器获得的测量结果会出现显著误差。在空腔谐振器围绕给料管道时不会出现这种误差。但是，这种谐振器必然伴有显著的结构复杂性，而且，在大容量给料管道中因为缺少空间它们通常不能实现。因此，这种装置的应用被限制在出现比较小的进给横截面的领域，例如在强力涂覆(power coating)装置中。
作为欧洲公开专利说明书所描述的系统的进一步发展，德国专利196 50112 C1描述了一种微波谐振器，其特征在于比较低的结构复杂性。在原理上，该谐振器大体上由围绕绝缘部分的圆柱线圈构成，并且通过导电性圆柱体(螺旋谐振器)与外部屏蔽。通过高频率交变电压(在微波范围)引起该线圈谐振。众所周知的，通过计算谐振频率电流的偏移，能够确定粉末质量流量。该装置同样不可以用于通常由导电材料(金属)构成的大容量给料管道，或者如果给料管道的一部分必须由绝缘材料制成给料管道，则必然伴随显著的结构复杂性。在相应的结构尺寸和合成的低谐振频率下，由线圈和导电性屏蔽构成的螺旋谐振器将非常庞大。
为了确定气油水混合物在传输管线中的比例，美国专利5,351,521A描述了一种用于测量复合介电常数的大的变化的系统。这是通过一种在传输管线内具有直径减小的阶梯状连续管区段的连续装置实现的。在管区段内设置用于测量和计算的测量电极，根据管区段直径减小，设置不同的阈值频率，并且因此，设置输入微波的不同频率范围。管区段由在每个管区段外壁到传输管线内壁之间径向延伸的导电棒支撑。所描述的导电棒装置防止被输入的微波穿过传输管线内壁与管部外壁之间的空间。该装置的特征在于具有比较大的测量范围。无论如何，对于在所采用的这种类型的大容量气动固体传输系统中确定固体微粒的气体流动的载荷的优选应用，例如，在烧煤的发电站的煤粉燃烧系统中，可以获得的测量精度是不足的。此外，将管区段安装到传输管线中所必需的安装是复杂的，并且对传输管线内的气流条件具有显著的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波测量装置，其用于确定具有气体载体介质和细小及微小固体和/或液体微粒的两相流体的载荷(the load of a two phaseflow)，以及确定流体流(fluid flow)中的气体，该装置可以经济地实现高测量精度，具有广泛的应用，并且特别适合应用于低载荷或低载荷差的大容量给料管道。本发明的另一个目的是开发一种结构比较简单的微波测量装置，该装置可以以简单的方式结合，并且给料管道横截面的整个流量始终包含在测量中。
根据本发明，该目的是在一个微波测量装置中实现的，该装置通过将导电棒(下文称作场杆，field rod)沿一测量路径的前后纵向插入一由导电性材料制成的给料管道区段，使得由场杆限定的这种给料管道区段连同场杆作为输入微波的谐振器，这样来确定具有气体载体介质和细小及微小固体和/或液体微粒的两相流体的载荷，以及确定流体流中的气体，所述测量路径由用于将微波输入给料管道的传输天线(transmission antenna)和用于接收沿测量路径在频率、振幅和/或相位上的变化的微波的接收天线确定。场杆之间的间距，并因此由场杆限定的给料管道区段连同场杆一起确定谐振器的谐振频率。
给料管道场杆准备大致设置在被输入的微波的偏振平面中并且大致在导电性给料管道区段的截面内，方向相同或相反。场杆的设置应使得它们大致径向地指向截面的中心或与截面的中心相交。场杆的长度为使其至少延伸至截面的中心，或者有利地，通过横截面延伸2/3。
对于本发明的功能来说，与场杆相连接作为微波谐振器的给料管道区段并非必须为圆形横截面。横截面还可以是椭圆形、方形、矩形或多边形。本文中，术语平均直径理解为指的是给料管道两相对壁表面元件之间的平均距离。
有利地，关于测量结果的无歧义性以及可获得的测量精度，输入微波的频率应当对应于波导的基波。
从优选使用波导基波确定介电常数的变化，到确定载荷，在传输和接收天线之间的测量路径应当使得它对应于给料管道截面的平均直径的0.8～3倍，优选是1.5倍。于是，场杆将沿给料管道纵向在传输天线前面和接收天线后面排列成直线。因此，由场杆和导电性给料管道区段组成的电系统作为用于波导基波的谐振器。
通过在测量部分外或者给料管道内在其偏振平面和/或相位位置中的反射、衍射和外差作用已经改变以及导致测量结果失真的微波，将基本上被场杆短路。
电场强度在场杆位置处等于零的微波被排除在场杆的这种作用之外。为了防止这些微波进入包含测量路径并且作为用于输入微波的谐振器的给料管道区段并且导致测量结果失真，在由场杆限定的给料管道区段前面和后面提供辅助场杆是有效的。辅助场杆与场杆被定向相同或相反，即它们都被设置在输入微波的偏振平面内。它们自场杆算起和自由场杆和给料管道区段形成的输入微波的谐振器算起的距离的尺寸将被确定为使得电场强度在场杆处等于零的微波在谐振器外部被短路。因为谐振器谐振频率的两倍或三倍的频率的微波基本上被短路，对应于谐振器谐振频率的波长的1/8的距离是合适的。辅助场杆的长度应当相当于场杆的长度。
由于优选使用用于确定载荷的基波中空波导，辅助场杆应当设置为与场杆的距离为给料管道区段的平均直径的7/8。
此外，特别是与对称横截面(圆形、正方形、六边形)的给料管道有关，将辅助场杆放置在测量路径中心、被旋转90度(在相对于场杆的横截面和偏振平面中)是有利的。以这种方式，测量路径的波导特性垂直于输入微波的偏振平面被改变，使得在谐振器的谐振频率的范围内，没有由于微波被旋转90度(在相对于输入微波的偏振平面中)而产生谐振作用。
关于本发明的功能，给料管道区段相对于其纵轴为直的并不重要。即使给料管道区段相对于其纵轴为曲线或者弯曲，根据本发明的微波装置的功能仍保持不变。
令人信服地，这些构成了本发明的一个方面，在各自的横截面可以设置多个场杆，例如，以网格图案，特别是在非常大的给料管道横截面的情况下。在横截面内多个场杆的设置中，场杆无需指向或者穿过横截面的中心。在这种情况下，场杆无论如何应当设置在输入微波的偏振平面内。
根据本发明的测量器件的特殊优点在于其相对简单并且从而成本经济的结构。该结构是这样的，使得对它可以加以调整以适用几乎所有尺寸的给料管道。在空间紧张的条件下，根据本发明的测量装置也可以没有任何困难地集成到给料管道中。发明人发现，用根据本发明的测量装置获得的测量结果比使用微波测量的常规方法获得的测量结果令人惊讶地准确。
下文将在实施方案的基础上更加详细地说明根据本发明的微波测量装置。
附图说明
图1示意性地表示具有根据本发明的微波测量装置的给料管道的一个区段。
具体实施方式
附图以局部剖开的方式描绘了用于气动传输煤粉的给料管道1的一个区段。给料管道1属于通常用于发电站的煤粉燃烧炉的那种类型。给料管道1由抗腐蚀钢制成。它具有大致为圆形的横截面，其直径D＝200mm。传输天线2和接收天线3从外部延伸到给料管道内，在给料管道的纵向以300mm的间距连续安装，并且形成测量路径S。频率在840和860MHZ之间的微波通过传输天线2被耦合。这些微波对应于给料管道1的波导基波。沿给料管道1的纵向，在传输天线2前面和接收天线3后面，在输入微波的偏振平面内，设有径向延伸到给料管道1内的场杆4和5。场杆4和5彼此隔开700mm的距离Fa，并且每个场杆4，5与传输天线2和接收天线3隔开200mm的距离。沿给料管道1的纵向，场杆4，5与传输和接收天线2，3对准排列。场杆4，5的长度为140mm。场杆4，5由直径4mm的抗磨损圆钢构成。通过在给料管道区段内设置场杆4，5构成的上述系统作为波导基波微波的谐振器。按照这种方式，通过传输天线2耦合入给料管道1并且在测量路径外由于在其偏振平面和/或相位的衍射、反射和/或外差作用经历了改变的那些微波将被短路，即它们不传输到接收天线3，并且从而无法影响测量结果。但是，在场杆处电场强度等于零的被反射或者被致差的(heterodyned)微波，不会被所述的测量装置所短路，并且因此能够使测量结果失真。为了防止这种现象，在由场杆4，5限定的给料管道区段1的前面和后面安装径向延伸到给料管道区段1内的辅助场杆6，7。辅助场杆6，7也设置在输入微波的偏振平面内。在给料管道1的纵向，辅助场杆6，7分别与场杆4，5隔开175mm的间距Fb，Fc。它们的长度与场杆4，5相同，为140mm。此外，在纵向，大致在测量路径的中心处，设有在横截面内并且相对于场杆、从而相对于输入微波的偏振平面旋转90度的辅助场杆8。辅助场杆8的用途是防止在由场杆4，5和给料管道区段1形成的谐振器内，相对于场杆4，5在偏振平面旋转90度的被反射的微波的谐振作用。
Claims (15)
1.一种微波测量装置，用于确定具有包含小的和微小的固体微粒和/或液体微粒的气体载体介质的两相流体的载荷，以及用于确定包含在流体流中的气体，设置有传输天线和接收天线(2，3)，在导通所述两相混合物的由导电性材料构成的给料管道系统的纵向上，布置成彼此隔开一距离以形成测量路径，
其特征在于：
在测量路径(S)的前面和后面与测量路径(S)对准的纵向方向上，由导电性材料构成的场杆(4，5)设置到所述给料管道(1)的内部，使得所述场杆(4，5)和在给料管道(1)的纵向设置在它们之间的由导电性材料构成的给料管道区段(Fa)作为一注入微波的一谐振器。
2.根据权利要求1的微波测量装置，其特征在于，所述场杆(4，5)设置在所述给料管道区段(Fa)的截面内，并且相同或相反地设置。
3.根据权利要求1或2的微波测量装置，其特征在于，所述场杆(4，5)设置得指向所述给料管道区段(Fa)的截面的中心或者与所述给料管道区段(Fa)的截面的中心相交。
4.根据权利要求1或2所述的微波测量装置，其特征在于，延伸到所述给料管道(1)内的所述场杆(4，5)的延伸程度超过所述给料管道区段(Fa)截面的至少一半。
5.根据权利要求1或2所述的微波测量装置，其特征在于，延伸到所述给料管道(1)内的所述场杆(4，5)的延伸程度超过所述给料管道区段(Fa)截面的2/3。
6.根据权利要求1或2所述的微波测量装置，其特征在于，辅助场杆(6，7)设置在由所述场杆(4，5)限定的所述给料管道区段(Fa)的前面和后面。
7.根据权利要求6所述的微波测量装置，其特征在于，所述辅助场杆(6，7)被设置得平行于所述场杆(4，5)，并且其方向与所述场杆(4，5)相同或相反。
8.根据权利要求6所述的微波测量装置，其特征在于，所述辅助场杆(6，7)被设置得分别相对于所述场杆(4，5)隔开一距离(Fb，Fc)，所述距离为由所述场杆(4，5)和所述给料管道区段(Fa)形成的谐振器的谐振频率波长的1/8。
9.根据权利要求6所述的微波测量装置，其特征在于，所述辅助场杆(6，7)的长度对应于所述场杆(4，5)的长度。
10.根据权利要求1或2所述的微波测量装置，其特征在于，在传输天线和接收天线(2，3)之间的中部，将另一辅助场杆(8)设置在所述给料管道(1)的横截面内，相对于所述场杆(4，5)旋转90度。
11.根据权利要求1或2所述的微波测量装置，其特征在于，在所述给料管道区段(Fa)的给定截面内彼此平行地设置两个或更多的场杆(4，5)，而不是设置一个场杆(4，5)。
12.根据权利要求1所述的微波测量装置，其特征在于，在传输天线和接收天线(2，3)之间设置的所述测量路径(S)对应于所述给料管道区段(Fa)的平均直径(D)的0.8～3倍。
13.根据权利要求1所述的微波测量装置，其特征在于，在传输天线和接收天线(2，3)之间设置的所述测量路径(S)对应于所述给料管道区段(Fa)的平均直径(D)的1.5倍。
14.根据权利要求12或13所述的微波测量装置，其特征在于，所述场杆(4)与所述传输天线(2)之间或者所述场杆(5)与所述接收天线(3)之间的距离(A，B)对应于所述给料管道区段(Fa)的平均直径(D)。
15.根据权利要求6所述的微波测量装置，用于借助于波导基波确定载荷，其特征在于，所述辅助场杆(6，7)和所述场杆(4，5)之间的距离(Fb，Fc)对应于所述给料管道区段(Fa)的平均直径(D)。
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