CN104813145A - 确定通过横截面流动的介质特性的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定通过横截面流动的介质特性的设备。所述设备有至少一个传感器，它包括至少一个用于将电磁和/或声辐射输入介质内的发射装置，以及至少一个用于根据在介质内反射或通过介质发送的辐射产生测量信号的接收装置。此外还设置评估装置，它根据测量信号确定介质的特性。按本发明，所述至少一个发射装置和所述至少一个接收装置或测量头，可旋转地设置在至少接近横截面中心，并设计为，使发射的辐射的方向相对于基本上平行于介质流动方向延伸的轴线倾斜一个角度，以及辐射方向围绕轴线的旋转位置是变化的。

Description

确定通过横截面流动的介质特性的设备

技术领域

本发明涉及一种确定通过横截面流动的介质特性的设备。

背景技术

在许多工业设备中，借助介质通过管道或软管的流动进行输送起着重要的作用。在这里，要输送的介质往往涉及一种多相混合物，它由例如液态或气态的载体介质和要附加输送的介质组成。例如，由包含小和最小固体和/或液体粒子以及用空气做为气态载体介质组成的粉尘流，如其在燃煤电厂内出现的那样。在那里，来自例如煤磨碎机的煤粉，通过许多煤粉管道分配给多个燃烧器。

越精确地知道流动多相混合物确定的特性，例如在煤粉管道内的煤粉特性，便能越好地影响并因而也能优化以其为基础的过程。因此始终需要已经能使用的那些测量方法，并允许确定混合物的过程参数，如质量流量、流动速度或粒子速度、粒度分布、湿度和成分。

尤其在确定小和最小的粒子的流动特性时产生的疑难问题是，不仅沿流动方向，而且在流动横截面内的不均匀性和不规则分布。例如在通常设计为管道或通道的煤粉管道内煤粉量的分布，受成绺()的影响，由个别的测量不能有足够分辨率地检测这种成绺。

为了说明管道内部的成绺，在图1A中示意表示直管段2的侧视图。在左侧的箭头表示混合物的流动方向。在管段2内部表示了由煤粉组成的绺S()。典型的测量布置由多个排列在管段侧面的测量传感器组成。在位置x1、x2、x3和xN，测量装置M1、M2、M3和MN伸入管道内部，在这里，这些传感器可以设置在管段外，或也可以设置在管段内，以借助规定的测量原理提供例如有关成绺的两相流浓度(Beladung)的信息。在图1B中表示管段2透视图。图中示意表示在管段的位置x1至x3的三个成120度在空间错开定位的传感器。在此图中可以清楚看出，通过测量传感器沿管道纵向固定地设置，以及从每个传感器都发射出一个锥形辐射的前提条件下，在规定区域内的信号探测是不能满足要求的。例如测量传感器M2没有提供信号，因为用SQ标示的绺横截面并没有处于M2用剖面线表示的测量锥内部。尽管有大量传感器，但只有很少部分的成绺并且不是能被所有传感器都识别。在这种配置的情况下，更好的分辨率并因而更好的结果，只能借助附加的传感器达到。在欧洲专利文件EP1459055中公开了一种按图1A所示原理构成的测量装置。

这种测量方法的缺点是，它们大多在外部，从固定的测量位置出发，在测量容积内或通过测量容积测量，以及传感器只有一个有限的测量范围，这既涉及在测量容积内的侵入深度，也涉及视角(参见图1B)。由此限制空间分辨率并因而限制精确度。应记录的流动介质信息越多，设备布置消耗越高，这又与提高的成本相关联。

发明内容

本发明的目的是，提供一种克服这些缺点的设备。尤其应提供一种简单的结构，用于定量和空间检测横向于介质尤其是多相混和物流动方向上的不均匀性。

通过独立权利要求1的特征所述达到此目的。在从属权利要求中分别说明有利的设计。

按权利要求1所述用于确定通过横截面流动的介质特性的设备，有至少一个传感器，它包括至少一个用于将电磁和/或声辐射输入介质内的发射装置，以及至少一个用于根据在介质内反射或通过介质传送的辐射产生测量信号的接收装置。此外还设置评估装置，它根据测量信号确定介质的特性。按本发明，所述至少一个发射装置和所述至少一个接收装置设计为，使辐射基本上在横截面中心输入介质内或从介质输出。这可以采取下述措施达到，亦即将一个测量头可旋转地设置在至少接近横截面中心，并设计为，使发射的辐射方向相对于基本上平行于介质流动方向延伸的轴线倾斜一个角度，以及辐射方向围绕轴线的旋转位置是变化的。

通过将测量设备或至少其部分置入测量容积内，有利地在测量容积中心(例如在管道中心)，有利地提高测量精度。测量距离减小(在管道内当设置在中心的情况下测量距离减半)，从而能实施更有效的测量。测量头(天线)、一个传感器或多个传感器可旋转地设置，能有利地检测流动介质的不均匀性。根据辐射相对于流动方向的角度，尤其可以探测横向于流动方向的不均匀性。此外，有利地可以通过空间配位，推断例如流动分布的不均匀性。通过旋转测量传感器，可靠地检测不均匀性。类似于雷达，可借助辐射扫描整个测量容积，由此确定介质的特性，尤其混合物特性，例如质量流量或粒子浓度。在煤粉绺的情况下，借助在管道中心的测量装置，可以准确检测煤粉绺的空间位置。这种装置一个突出的优点是，取代多个围绕管道圆周安置的传感器，只须在管道中心安装单个传感器，这意味着减少设备配置，降低成本和减少维护费用。

若发射的辐射相应地成形，则进一步改善空间的测量分辨率。在这种情况下业已证实特别有利的是扇形或锥形辐射。因此在设备的这种特别有利的实施方案中，存在使发射的辐射成形的装置。

若为了确定介质特性需要多个测量信号，尤其在或个别粒子或流动测量的速度测量时，则将评估装置设计用于，处理在辐射方向不同倾斜角时产生的测量信号。在这种有利的实施方案中，或使用多个传感器，或使用一个设计用于记录多个测量信号传感器。

按另一些有利的实施例，传感器的旋转或连续或逐步进行。旋转速度和旋转范围的调整，通常取决于要检查的介质类型，和尤其取决于要检查的介质在空间分布的变化速度。

按另一种实施例，可运动地设置包括发射装置和接收装置的传感器，或只含有辐射输入和输出装置的测量头。对此可运动地设置不仅是指设置成沿流动方向可运动，而且也指设置成横向于流动方向可运动。因此在测量容积内部成问题的区域能更好地监测。传感器或测量头在管道横截面内偏心定位，例如在对煤粉绺的观察中同样得到更高的测量精度。

按另一些有利的实施方案，包括发射装置和接收装置的传感器，与应将传感器置于旋转状态的驱动器，组合成一个对介质密封的封闭模件。涉及模件的所有实施方案均具有的优点是，能防止一个或多个传感器受介质的影响，并因而避免其磨损的危险。

按另一些有利的实施方案，存在调节流动介质的装置。在这里可涉及阀、浮标式插件或其它设备，它们虽然独立于测量传感器，但能以测量结果为基础利用于影响流动特性。因此可用于采取使流动优化的措施，最终同样有助于提高测量精度。

附图说明

下面借助附图表示的实施例详细说明本发明。其中：

图1A示意表示用于确定流动的两相混合物的特性按先有技术的测量装置；

图1B示意表示图1A的多个横截面；

图2A表示按本发明的测量装置第一个示意图；

图2B示意表示图2A的横截面；

图3表示按本发明的测量装置第二个示意图；

图4示意表示按本发明的设备一种实施例；以及

图5示意表示设置在管道弯曲位置附近的按本发明的设备。

具体实施方式

图1示意表示按先有技术的微波测量装置，用于确定两相流浓度。

图2示意表示按本发明设备的第一种实施例。图2A用侧视图表示有圆形横截面的直管道一个区段2。图2B表示此管段在位置X的横截面。

管段2在物理上可看成如同是一个空心导管，通过它流过例如一种由气态载体介质与最小固体粒子组成的多相混合物。所述流动用图左边的箭头表示。

按本发明的设备1包括至少一个测量头3，它可旋转地设置在接近空心导管横截面的中心。在这里，测量头涉及输入和输出装置，例如天线。在本实施例中，接收的信号通过沿流动方向弯曲90°的信号管5导引，并通过可旋转的测量头3横向于流动方向或与流动方向成一个角度α输出。在信号管5内部可安装(在这里没有详细表示的)旋转装置和电缆连接装置。在本实施例中，信号管5还包括接收信号的波导管，例如空心导管。信号管5建立与组件10的连接，它在这里包括产生并探测所使用的辐射的装置、电子信号处理装置、以及必要时还包括冷却和通风装置。作为替代方式，这些也可以设置在旋转设备或测量头3附近或在测量头3内。此外，在本实施例中，在信号管5进入管道内的地方，还设置一个对介质密封的气闸20。

与雷达设备的原理相似，测量头3发射成形辐射7作为一次信号，以及接收在流动介质内部反射的回波作为二次信号。它相应于在不同表面反射的并因而在频率、振幅和/或相位上变化的辐射。在特殊情况下也可以探测传送的辐射。接收的辐射接着转换为电信号并进一步传给信号评估装置(组件10)，以按不同的准则评估。由此可以获得有关要检查介质的信息。在这里总是将转换为电子的二次信号称为测量信号。

传感器包括至少一个发射装置和至少一个接收装置，用于电磁和/或声辐射。在这里，辐射类型取决于应用。为了在煤粉管道中使用，优选使用微波辐射。对于其它的应用，可考虑用于发射并探测在电磁波频谱的可见波长范围内的辐射的设备，或用于产生、输入并用于接收超声的设备。传感器的准确配备和布置(在测量头3就近或在组件10内)同样取决于应用。发射和接收设备可以组合成一个模件或逐个执行。取决于具体情况，也可以组合多个发射和接收装置。发射和接收设备基本上包括所有用于产生辐射的装置(如激光二极管或微波辐射器)、用于例如在波导管内输入和输出的装置(透镜)、波导管和用于探测辐射的装置(如光电探测器或微波接收器)。作为测量头在这里始终只理解为用于在介质内输入和输出辐射的装置。

在图2概略表示的实施方案中，由发射装置发送的辐射7有一种在空间的扩展，也就是说，从辐射源射出的辐射并非线形的，而是通过成形或影响辐射特征的装置，例如散光镜，或通过喇叭形辐射体扩展。除了成形为扩散的射束外，也可以有利地成形为平行的射束或聚束。通过发射的辐射在空间的扩展，改善测量装置尤其横向于介质流动方向的空间分辨率，因为检测更大的横截面。

这尤其借助图2B说明。图2B示意表示管段在位置X的横截面视图。图中没有表示借助支架5固定的传感器装置。用圆形箭头表示传感器或测量头的旋转。角φ表示旋转角或旋转位置。类似于雷达，由发射装置发送的扇形辐射7扫过测量横截面。用SQ标示的例如煤粉绺的绺横截面，在某个时间段内至少部分处于用剖面线表示的测量锥7内部，从而在此时间段内信号一般是可探测的，而且还能赋予这一信号空间配位。

按本发明，测量头3可绕基本上平行于多相混合物流动方向延伸的轴线旋转地设置。在图2中上述轴线涉及沿管道纵向的对称轴线9，它大体在管道横截面中心与管道横截面相交。根据应用情况，其它纵轴线也可以是有利的，此时传感器在横截面视图中偏心设置。传感器沿纵向和横向的活动程度越大，能越好地检测测量容积内部的不均匀性。

测量头的旋转可例如通过小型电动机实现，它驱动其上安装传感器的轴，此外也可以采用压缩空气或电力机械驱动器。此外设置旋转位置的位置传感器。旋转装置优选地安置在支架或信号管5内部。若传感器本身旋转，则旋转方向必须定期反向，以防止线缆扭坏。

在图2A中，在发送的辐射与介质流动方向之间的夹角近似为90°。业已证明这一角度尤其对于检查煤粉绺而言是有利的。然而在最普遍的情况下，测量头或传感器3如图3所示那样设计为，使从发射装置发送的辐射8的方向，相对于与介质流动方向平行延伸的轴线9倾斜一个角度α。这可以通过例如回转头达到。

若传感器设计为，在发送两个一次信号7和8后接收两个测量信号，则在已知传感器位置或测量头位置时，还能实施例如小固体粒子的速度测量。通过在辐射器与对象之间相对运动，通过多普勒效应，根据反射信号的频率漂移同样能获知粒子速度。将各个测量装置排列成行，可以提供对象的路径和绝对速度。此外，在已知传感器位置时还能提供关于某些对象，如较大的固体粒子的角度、方向和距离。

评估装置10根据接收的测量信号确定介质的一种特性或多种特性。按一种实施例，例如对于两相混合物，借助微波辐射确定在粉尘混合物内固体的份额。还同时记录旋转位置，用于表示与角度有关的测量结果。根据需要可以连续或以时间间隔测量。借助时间平均值得到代表性的最后结果，这要看传感器的旋转速度是多高而定。

评估装置10可以与过程优化用的控制或调整装置连接。一种与智能和/或自调节机构的组合，可例如集成在用于控制自动化过程的制导系统中。

此外，或在流动通道内部，或作为按本发明设备1的组成部分，还可以使用调节流动的装置。

在按图4的另一种实施例中，传感器处于在测量容积内部或在这里处在管道2内部一个对介质密封和固定安装的封闭模件12内，由此简化测量的机械结构，当然，根据工作条件必须提供外部电源。传感器3包括发射装置和接收装置，此外还有置传感器于旋转状态的驱动组件。按图示的实施例，此模件12设计为流线形，以获得尽可能无缺陷的测量结果。在封闭式模件内部，可以附加设置冷却和/或通风装置。作为替代方式这些也可以在模件外部实现，以及可以经由软管连接装置供给冷却剂或空气。这种模件12的护套应设计为耐磨和对介质密封。尤其是，它必须能透射所使用的各种辐射。此外，如在其它实施方案中那样，可以在模件内部或外部存在其它装置，例如用于反馈旋转位置信号的装置、用于调节流动或所使用辐射的调节阀。若设置例如用于确定速度的第二个传感器，则它也与所有需要的附加装置一起安置在模件内部。在本实施例中特别有利的是，模件12在直的支架或信号管5上有更好的固定可能性。

在图5中表示横截面圆形的弯曲管道一个区段20的侧视图，按本发明的设备1安置在此区段20中。在本实施例中，传感器3例如设置在基本上直的支架或信号管5一端。信号管5在本实施例中通过在管弯曲部分中的孔引入管道内部，以及连接传感器3与设置在管道外部的评估装置10。这种方案的优点是，装配能特别容易，以及可以从外部手动或机械移动及旋转。这种结构能特别容易安装。根据信号管5的长度，为了固定需要支承结构。此外还应注意，信号管5通过对介质密封的接头15或对介质密封的气闸，例如法兰连接。

Claims (12)

1.一种确定通过横截面流动的介质特性的设备(1)，包括

-至少一个传感器，它有至少一个用于将电磁和/或声辐射输入介质内的发射装置，以及有至少一个用于根据在介质内反射或通过介质传送的辐射产生测量信号的接收装置，以及

-评估装置，它根据测量信号确定介质的特性，

其特征为：所述至少一个发射装置和所述至少一个接收装置或测量头(3)可旋转地设置在至少接近横截面中心并设计为，使发射的辐射的方向相对于基本上平行于介质流动方向延伸的轴线(9)倾斜一个角度(α)，以及辐射方向围绕轴线(8)的旋转位置(φ)是变化的。

2.按照权利要求1所述的设备，其特征为，此外还存在用于使发射的辐射成形的装置。

3.按照权利要求1或2所述的设备，其特征为，评估装置设计用于，根据在辐射方向不同倾斜角(α)产生的测量信号，确定介质的特性，以此方式尤其能实施速度测量。

4.按照权利要求1、2或3所述的设备，其特征为，旋转位置(φ)可以连续或逐步改变。

5.按照前列诸权利要求之一所述的设备，其特征为，可运动地设置包括发射装置和接收装置的传感器或测量头(3)。

6.按照前列诸权利要求之一所述的设备，其特征为，包括发射装置和接收装置的传感器与应置传感器于旋转状态的驱动器，组合成一个对介质密封的封闭模件(12)。

7.按照前列诸权利要求之一所述的设备，其特征为，在封闭模件(12)内部存在附加的冷却和/或通风装置。

8.按照前列诸权利要求之一所述的设备，其特征为，发射的辐射方向相对于介质流动方向的角度(α)近似为90°。

9.按照前列诸权利要求之一所述的设备，其特征为，评估装置(10)与控制和/或调整装置连接。

10.按照前列诸权利要求之一所述的设备，其特征为，设置与其它用于调节介质流动的装置的连接装置。

11.按照前列诸权利要求之一所述的设备，其特征为，要使用的辐射处于微波区、光波长区或声波长区内。

12.按照前列诸权利要求之一所述的设备，其特征为，流动介质由两相或多相混合物组成。