CN102507404A - 一种气固两相流固相浓度在线测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业生产过程在线实时测量技术领域，特别是一种气固两相流固相浓度的在线测量系统及测量方法。该测量系统包括超声波发送装置T、超声波接收装置R、信号调理器、数据采集器、数据处理与输出装置，其特征在于还包括超声波驱动振幅调制装置和隔热防尘防护装置，超声波发送装置T和超声波接收装置R分别设置在隔热防尘防护装置内并对向设置；该测量方法依次为驱动信号调制、超声波信号接受、测量信号调理、测量信号的采集、测量信号处理和测量结果的输出等步骤。本发明能够克服工业生产过程在线测量中的高温高粉尘等恶劣工作环境特别是复杂电磁环境干扰所带来的影响，从而实现高精度和高可靠性的测量。

Description

一种气固两相流固相浓度在线测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于工业生产过程在线实时测量技术领域，特别是一种气固两相流固相浓度的在线测量系统及测量方法。

背景技术

在石油、冶金、化工、电力等诸多工业领域的生产过程中，应用气固两相流固相参数在线实时测量手段，对生产过程实施优化控制、安全环保和高效运行具有十分重要的作用。但气固两相流固相参数在线实时测量与气固两相流的速度测量相比，固相浓度在线测量的难度极大。一是两相流的流动情况比较复杂，存在着难以控制的各种流型，在流动过程中，各组分在流体混合物中的空间分布往往是不均匀的，而且分布随时间变化，很难找到其流动规律，无法采用数学建模等手段；二是固相本身的尺寸大小、含水量、组分等物理特性的改变也会影响到传感器的输出信号，给固相浓度的在线测量带来极大困难；三是固相颗粒对探头的污染、磨损、堵塞以及部分场合高温送料带来的热防护等存在的实际问题直接影响到传感器的可靠性。

为探索气固两相流固相参数在线实时测量的技术解决方案，目前国内外已公开的相浓度的测量方法有：基于衰减原理的声学法、光学法、辐射法或微波法等；基于电学原理的静电法、电容法；采用谐振原理的核磁共振法(NME)、电子磁共振法(EMR)，采用热线风速仪原理的传热法；采用PIV或普通CCD拍摄清晰粒子图像后进行处理的图像法；还有采用流体力学差压原理的如文丘里管差压法等。

中国专利92114912.3公开了一种“非均匀气固两相流颗粒浓度和速度的测量方法及探针”，该方法通过减小探针端部的体积接受有限体积内颗粒的反射光来测量某一局部的瞬时颗粒浓度和动压强，以获得局部的颗粒浓度，但由于探针本身的存在就会干扰颗粒浓度场，使得测量结果存在较大误差，同时由于颗粒的冲刷作用使得此方法无法长期在线使用。

中国专利93212914.5公开了一种“工业用电容式气固两相流相浓度检测装置”该装置利用离散相浓度的变化会引起电极间电容值的变化来实现气固两相流相浓度的检测，属于非接触式测量，不干扰流场，但无法抗拒现场复杂电磁环境的干扰，使得实际使用效果不佳。

中国专利00119531.X公开了一种“气固两相流流量和浓度的气动式测量方法”，该方法在主管路的弯头处设置一个气动支路，通过气动支路的参数测量获得主管路弯头处内外壁的压力差，从而算得气固两相流的流量和固相浓度。该方法同样会对颗粒的浓度场造成干扰，另外由于颗粒的冲刷作用使得此方法无法长期在线使用。

中国专利申请200510045723.4公开了一种“超声波和电容传感器的两相流浓度测量装置及测量方法”，该方法使用电容传感器和超声波传感器测量离散相浓度，利用数据融合提高测量精度，虽然在测量精度上有所提高，但仍无法避免收到现场复杂电磁环境的干扰，实际使用效果不佳。

中国专利200710069863.4公开了一种“测量气固两相流中固体颗粒三维浓度场、速度场的方法和装置”，该方法利用高速摄影机拍摄粒子图像，然后利用粒子图像的相关性得到粒子三维运动轨迹和三维速度场，虽然可以同时得到粒子的速度场和浓度场，但缺点是对于密相浓度场，只能得到表面的浓度，另外由于装置价格昂贵，光学条件要求高，不适合工业现场在线使用。

中国专利200710071293.2公开了一种“基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度的检测装置及方法”，该方法利用基于微波与红外光之间的太赫兹电磁波通过颗粒场前后的幅值变化来测量颗粒浓度场，属于非接触式测量，可以在线使用，但电磁波幅值的衰减收到的影响因素较多，如颗粒的粒径，气固两相流中的含水量都会对测量结果造成影响。而国内外目前可以使用的在线式气固两相流浓度的非接触式测量方法是是同位素的射线式仪表，如X射线、γ射线、β射线等，这些方法都存在安全防护问题，操作要求高，需要定期标定射线源，且价格昂贵。

综上所述，气固两相流固相浓度测量技术目前仍然处于工程应用的探索阶段，尚未有突破性的技术方案出现。因此，如何克服现有技术的不足，已成为当今工业生产在线实时测量技术领域中亟待解决的一项重大难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种气固两相流固相浓度的在线测量系统及测量方法，本发明能够克服工业生产过程在线测量中的高温高粉尘等恶劣工作环境所带来的影响，从而实现高精度和高可靠性的测量。

根据本发明提出的一种气固两相流固相浓度在线测量系统，包括超声波发送装置T、超声波接收装置R、信号调理器、数据采集器、数据处理与输出装置，超声波接收装置R、信号调理器、数据采集器、数据处理与输出装置依次连接，信号调理器由带通滤波器和信号放大器组成，超声波发送装置T与超声波接收装置R对向设置，其特征在于还包括超声波驱动振幅调制装置和隔热防尘防护装置，超声波驱动振幅调制装置分别与超声波发送装置T和数据采集器连接，超声波发送装置T设置在隔热防尘防护装置1内，超声波接收装置R设置在隔热防尘防护装置2内。

根据本发明提出的一种气固两相流固相浓度在线测量系统的测量方法，其特征在于：第一步驱动信号调制，即对超声波发射装置T的正弦或方波的驱动信号进行调幅，首先用振幅10-20V的正弦或方波信号驱动，然后显著增加驱动信号的增幅使其达到40-80V并持续1-80毫秒时间，最后回到振幅10-20V的正弦或方波信号驱动；第二步超声波信号接受，即超声波信号经过测量段，声速发生改变，改变后的超声波信号被超声波接受装置R接受；第三步测量信号调理，将超声波接受装置R接受的信号进行滤波和放大；第四步测量信号采集，即利用数据采集器采集调理后的测量信号；第五步测量信号处理，数据处理和输出装置对采集到的信号进行相关运算并代入计算公式算得固相浓度；第六步测量结果输出，即数据处理和输出装置算出的固相浓度结果进行输出显示。

本发明的测量原理是：根据不同固相浓度条件下具有不同的声速，通过测量声速即可完成相浓度测量。根据均相模型，对于等熵过程，气固混合物的声速α与气粉混合物的粉气比β具有下列关系：

$\mathrm{\α}=(1+\mathrm{x\β})\×{[\frac{\mathrm{\γ}+\mathrm{\δ\β}}{1+\mathrm{\δ\β}}\·\frac{1}{1+\mathrm{\β}}]}^{\frac{1}{2}}{\left[\mathrm{RT}\right]}^{1/2}---\left(1\right)$

其中：γ为气体的绝热指数；β为固气比热比；x为气固密度比。

如果在气粉混合物中安装相隔距离为L的一个超声波发射器和一个超声波接收器；气粉混合物中声波从发射端传播到接收端所需时间设为ΔT，是测量时的实际检测参数。则可计算出声速：

$\mathrm{\α}=\frac{L}{\mathrm{\ΔT}}---\left(2\right)$

考虑到超声波探头从接受信号开始振动到正常振动有个起振阶段，该阶段内波形较差，加上噪声信号的干扰，很难精确确定开始起振时间，因此为了提高时间差ΔT测量的准确性，本发明将发送信号端的驱动信号进行了调幅处理，形成“带有显著特征”的驱动信号，即在非测量时段用振幅很小的信号驱动信号发送器，使之在接受端刚刚能得到区别与噪声的信号，定义为“维持驱动”，而在测量阶段显著增加驱动信号幅度并持续一段时间，在该段时间内信号幅度可按照预设某种特征进行变化，如振幅信号进行阶跃变化等，使得接收端得到明显的带有预设特征的信号，完成一次测量后再次回到“维持驱动”阶段。而将带特征的发送信号与接受段的信号进行相关计算，将相关性最大时的时间偏移量作为时间差ΔT。

测得时间差ΔT后，结合测得的气固两相流温度T，代入以上本发明测量原理的公式(1)和公式(2)可求得气粉混合物的粉气比β，即可换算得到固相浓度。

本发明提出的一种气固两相流固相浓度在线测量系统及测量方法与现有技术相比其显著优点是：第一，发射装置具有自清洁作用，可较好地防止传感器污染；第二，隔热防尘装置有效保护发送和接受装置不受高温高粉尘等恶劣工作环境带来的影响，大大提高了系统测量的可靠性；第三，实施系统非插入式装配，从而减轻磨损；第四，克服了固相成分、颗粒的粒度分布以及实时流速对测量结果的影响，保证了测量结果准确性；第五，采用调幅处理的特征波驱动，使得数据相关性加强，具有更高的测量精度，测量误差小于5％。本发明广泛适用于石油、冶金、化工、电力等工业领域的生产过程中对气固两相流固相参数在线实时测量。

附图说明

附图1是本发明的一种气固两相流固相浓度在线测量系统的结构示意图。

附图2是本发明的气固两相流固相参数测量系统的测量段装配示意图。

附图3是本发明的一种气固两相流固相浓度在线测量系统的测量方法的流程示意图。

附图：4是本发明的超声波驱动振幅调制装置结构示意图。

附图5是本发明的超声波传感器防尘隔热用防护装置结构示意图。

附图6是本发明用于煤粉浓度自相关测量系统的结构示意图。

附图7是本发明的测量方法用于煤粉浓度自相关测量的超声波驱动信号示意图。

附图8是本发明用于煤粉浓度带参考信号测量系统的结构示意图。

附图9是本发明的测量方法用于煤粉浓度带参考信号测量的超声波驱动信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以直吹式制粉系统电厂煤粉锅炉的一次风风粉管道中煤粉浓度的测量为例，我国大型电厂煤粉炉直吹式制粉系统通常配置中速磨煤机，这类磨煤机常采用单台磨为同层各一次风喷口供粉，实际运行发现存在风粉分配偏差，煤粉分配不均匀的问题，如不采取改善措施，磨煤机出口煤粉分配偏差可达20％以上；如考虑煤粉输送管路系统阻力特性的差异，四角燃烧器中风粉的偏差可达到30％-40％。为解决前述问题，特提出应用本发明的气固两相流固相浓度在线测量系统和测量方法，满足其生产过程中的精确和可靠的测量，以便通过有效的调节手段，达到中速磨煤机直吹式制粉系统同层燃烧器各一次风管之间的煤粉和空气应均匀分配，风量偏差应小于8％、煤粉偏差应小于10％的目标要求。

结合图1和图2，本发明提出的一种气固两相流固相浓度在线测量系统，它包括超声波发送装置T、超声波接收装置R、信号调理器、数据采集器、数据处理与输出装置、超声波驱动振幅调制装置和隔热防尘防护装置。超声波发送装置T设置在隔热防尘防护装置1内，超声波接收装置R设置在隔热防尘防护装置2内，并相互对向设置；信号调理器由带通滤波器和信号放大器组成；超声波接收装置R、信号调理器、数据采集器、数据处理与输出装置依次连接，超声波驱动振幅调制装置分别与超声波发送装置T和数据采集器连接。

结合图3，实现本发明提出的一种气固两相流固相浓度在线测量系统的测量方法是：第一步驱动信号调制，即对超声波发射装置T的正弦或方波的驱动信号进行调幅，首先用振幅10-20V的正弦或方波信号驱动，然后显著增加驱动信号的增幅使其达到40-80V并持续1-80毫秒时间，最后回到振幅10-20V的正弦或方波信号驱动；进一步的优选方案是，首先用振幅10-20V的正弦或方波信号驱动，然后显著增加驱动信号的增幅使其达到40-50V并持续1-40毫秒时间，再次显著增加驱动信号的增幅使其达到70-80V并持续1-40毫秒时间，最后回到振幅10-20V的正弦或方波信号驱动。第二步超声波信号接受，即超声波信号经过测量段，声速发生改变，改变后的超声波信号被超声波接受装置R接受。第三步测量信号调理，将超声波接受装置R接受的信号进行滤波和放大。第四步测量信号采集，即利用数据采集器采集调理后的测量信号。第五步测量信号处理，数据处理和输出装置对采集到的信号进行相关运算并代入计算公式算得固相浓度。第六步测量结果输出，即数据处理和输出装置算出的固相浓度结果进行输出显示。

本发明提出的一种气固两相流固相浓度在线测量系统及测量方法的进一步优选方案是：

结合图4，本发明所述的超声波驱动振幅调制装置由正弦或方波信号源、幅值调制控制器、特征信号电压放大器和特征信号功率放大器依次连接组成，其中，幅值调制控制器连接幅值调制电路。正弦或方波信号源产生固定频率的正弦或方波信号，正弦或方波信号在幅值调制控制器的控制下由幅值调制电路完成幅值调制，得到调制后的初始特征信号，初始特征信号依次经特征信号电压放大器和特征信号功率放大器后即可得到明显带有预设特征的驱动信号。

结合图5，本发明所述的隔热防尘防护装置包括接气法兰、传感器安装基座、隔热套管、超声波传感器、安装基管和压紧螺帽，其中，接气法兰与隔热套管连接，安装基管和隔热套管同轴与接气法兰连接并由压紧螺帽固定，超声波传感器设置在传感器安装基座上，传感器安装基座设置在安装基管的前端；隔热套管根据不同的环境温度要求选择橡胶或聚四氟乙烯等不同的不良热导体材料制成，在隔热套管和安装基管之间通入压缩空气，压缩空气从超声波传感器的侧面经过，并从超声波传感器的侧前方对向喷出，在超声波传感器的前方形成一个正压气帘区，隔热的同时阻止粉尘的进入，从而达到隔热防尘的效果。如果气粉混合物的温度不超过55摄氏度，直接采用压缩空气喷入即可，如果气粉混合物的温度超过55摄氏度，则采用经过制冷后的压缩空气喷入。

结合图6，本发明用于煤粉浓度自相关测量系统：由超声波驱动振幅调制装置、超声波发送装置T1、超声波接收装置R1、信号调理器、数据采集器1、数据采集器2和数据处理单元(选择单片机为佳)连接组成。其中，超声波发送装置T1和超声波接收装置R1如图4所示均设置在隔热防尘防护装置内，隔热防尘用防护装置后端的接气法兰根据风粉混合物的温度采用压缩空气或压缩空气制冷后喷入，信号调理器由带通滤波器和信号放大器组成。超声波驱动振幅调制装置调制好带有“一级跳”预设特征的超声波信号经过风粉混合物到达测量超声波接收装置R1，超声波接收装置R1将超声波信号转换为电信号，经带通信号调理器1后进入数据采集器1，数据采集器2同时采集超声波驱动振幅调制装置1发出的特征驱动信号，数据采集器1和数据采集器2将采集到的信号送入数据处理单元(选择单片机为佳)中进行相关运算，得到时间差后换算出声速，然后代入以上本发明测量原理的公式(1)可求得粉气比，最后可换算得到固相浓度参数。本发明主要适用于测量要求不是很高、稀相输送以及粉尘浓度波动不是很大的场合，硬件成本价格较低，对数据处理单元的要求不是很高。

结合图7，本发明所述测量方法用于煤粉浓度自相关测量超声波驱动信号的过程：首先由超声波驱动振幅调制装置发出带有“一级跳”预设特征的40KHz正弦或方波驱动信号，即驱动信号先维持振幅电压10V，然后振幅电压升高到50V并维持2ms后，最终回到维持电压10V。该驱动信号驱动超声波发送装置T1，超声波发送装置T1发出振幅经过调制的带有“一级跳”预设特征的超声波信号。

结合图8，本发明用于煤粉浓度带参考信号测量系统，由超声波驱动振幅调制装置1、超声波发送装置T1、超声波接收装置R1、信号调理器1、数据采集器1、超声波驱动振幅调制装置2、超声波发送装置T2、超声波接收装置R2、信号调理器2、数据采集器2和数据处理单元(选择工控机为佳)组成。其中，超声波发送装置T1和超声波接收装置R1如图4所示均设置在隔热防尘防护装置内，隔热防尘用防护装置后端的接气法兰加装涡流制冷管，接入压缩空气的气压不得小于0.3MPa。信号调理器1和2均由带通滤波器和电压放大器组成。超声波驱动振幅调制装置调制好带有“二级跳”预设特征的超声波信号经过风粉混合物到达测量超声波接收装置R1，超声波接收装置R1将超声波信号转换为电信号，经带通信号调理器1后进入数据采集器1；另一路驱动参考超声波发送装置T2，参考超声波发送装置T2发出振幅经过调制的带有“二级跳”预设特征的超声波信号，该信号经过环境空气到达参考超声波接收装置R2，参考超声波接收装置R2将参考超声波信号转换为参考电信号，经信号调理器2后进入数据采集器2，数据采集器1和数据采集器2将采集到的测量信号和参考信号送入数据处理单元(选择工控机为佳)中进行相关运算，得到时间差后换算出声速，然后代入以上本发明测量原理的公式(1)可求得粉气比，最后可换算得到固相浓度参数。本方法主要适用于测量要求较高，浓相输送以及粉尘浓度波动较大的场合，硬件成本较高，对数据处理单元的要求较高，以使用工业控制计算机为佳。

结合图9，本发明所述测量方法用于煤粉浓度带参考信号测量超声波驱动信号的过程：首先由超声波驱动振幅调制装置发出带有“二级跳”预设特征的40KHz正弦或方波驱动信号，驱动信号先维持振幅20V电压，然后振幅升高至50V并维持1ms后，振幅再次升高到80V并维持2ms，最终振幅回到20V，该驱动信号驱动超声波发送装置T1发出振幅经过调制的带有“二级跳”预设特征的超声波。

本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。

Claims (5)

1.一种气固两相流固相浓度在线测量系统，包括超声波发送装置T、超声波接收装置R、信号调理器、数据采集器、数据处理与输出装置，超声波接收装置R、信号调理器、数据采集器、数据处理与输出装置依次连接，信号调理器由带通滤波器和信号放大器组成，超声波发送装置T与超声波接收装置R对向设置，其特征在于还包括超声波驱动振幅调制装置和隔热防尘防护装置，超声波驱动振幅调制装置分别与超声波发送装置T和数据采集器连接，超声波发送装置T设置在隔热防尘防护装置1内，超声波接收装置R设置在隔热防尘防护装置2内。

2.根据权利要求1所述的一种气固两相流固相浓度在线测量系统的测量方法，其特征在于：第一步驱动信号调制，即对超声波发射装置T的正弦或方波的驱动信号进行调幅，首先用振幅10-20V的正弦或方波信号驱动，然后显著增加驱动信号的增幅使其达到40-80V并持续1-80毫秒时间，最后回到振幅10-20V的正弦或方波信号驱动；第二步超声波信号接受，即超声波信号经过测量段，声速发生改变，改变后的超声波信号被超声波接受装置R接受；第三步测量信号调理，将超声波接受装置R接受的信号进行滤波和放大；第四步，测量信号采集，即利用数据采集器采集调理后的测量信号；第五步，测量信号处理，数据处理和输出装置对采集到的信号进行相关运算并代入计算公式算得固相浓度；第六步，测量结果输出，即数据处理和输出装置算出的固相浓度结果进行输出显示。

3.根据权利要求1所述的一种气固两相流固相浓度在线测量系统，其特征在于超声波驱动振幅调制装置由正弦或方波信号源、幅值调制控制器、特征信号电压放大器和特征信号功率放大器依次连接组成，其中，幅值调制控制器连接幅值调制电路。

4.根据权利要求1所述的一种气固两相流固相浓度在线测量系统，其特征在于隔热防尘防护装置包括接气法兰、传感器安装基座、隔热套管、超声波传感器、安装基管和压紧螺帽，其中接气法兰与隔热套管连接，安装基管和隔热套管同轴与接气法兰连接并由压紧螺帽固定，超声波传感器设置在传感器安装基座上，传感器安装基座设置在安装基管的前端。

5.根据权利要求2所述的一种气固两相流固相浓度在线测量系统的测量方法，其特征在于：第一步驱动信号调制，即对超声波发射装置T的正弦或方波的驱动信号进行调幅，首先用振幅10-20V的正弦或方波信号驱动，然后显著增加驱动信号的增幅使其达到40-50V并持续1-40毫秒时间，再次显著增加驱动信号的增幅使其达到70-80V并持续1-40毫秒时间，最后回到振幅10-20V的正弦或方波信号驱动。

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