CN106680164A - 采用微波谐振腔测量煤粉浓度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种采用微波谐振腔测量煤粉浓度的方法，其特点是，包括微波探头的设置及最佳发射频率的选择、谐振腔尺寸的确定。通过得出微波探头的安装方式、微波最佳发射频率以及谐振腔尺寸大小，均经过现场实验指导验证，满足实验条件，从而验证了本发明的有效性和实用性，具有科学合理，适用性强，效果佳，易于实现、经济性好、不受额外因素影响等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微波谐振腔技术以及高频电磁仿真领域，是一种采用微波谐振腔测量煤粉浓度的方法。
背景技术
电厂一次风粉浓度是指锅炉燃烧器喷嘴前送粉管内的煤粉浓度，它是一项重要技术参数，将直接影响到喷射进炉膛中的煤粉浓度，从而影响锅炉的燃烧状况。因此，控制各一次风管内煤粉浓度的均匀性对锅炉的安全与经济运行十分重要，欲对各喷燃器的煤粉流量和浓度进行控制，先得对煤粉浓度能进行准确的在线测量，但是，由于煤粉气流是属于气固两相流，要对煤粉浓度进行在线准确测量，是很不容易的。目前有多种测煤粉浓度的方法，如电容法，圆波导法等等。但是，电容法在实际应用中存在许多问题：(1)在实际的风粉流动过程中，流型变化很复杂，电容测量值与煤粉浓度之间并非是对应的线性关系且参数之间的关系复杂，难以用解析式直接描述；(2)电容传感器有检测场灵敏度分布不均匀性问题，电容测量的灵敏度分布易受被测煤粉浓度分布不均匀的影响,即存在所谓的“软场”特性问题，使得测量结果不仅与煤粉浓度有关,而且受煤粉颗粒分布及流型变化的影响很大，测量误差较大。同样的，微波圆波导法在实际应用中也存在问题：(1)在实际测量过程中不能够将微波能量束缚在一个封闭的腔内，导致在实时检测煤粉浓度的过程中造成微波能量的流失，使得测量的煤粉浓度数据不准确；(2)圆波导法在实际的测量过程中需要将在一次风管道内传播的微波相位常数β进行忽略，以便为后续推导煤粉浓度减轻难度。因此，为了能够准确地检测煤粉浓度，需要提出更加有效地检测方法
近年来，微波谐振腔法作为一种新兴的测量物质浓度的方法，以其特有的精度高、测量便捷、更换简单、实时性强等诸多优点，越来越为人们所重视，并已作为煤粉浓度测量法的重点研究对象。微波谐振腔法测浓度的具体原理是输粉管路中用法兰装接一段测量管，在测量管的两端分别安装微波发射器和微波接收器，利用微波限制装置使发射出的微波处在封闭状态(煤粉仍可以正常流动)，不同介电常数的煤粉吹入测量管会产生不同的谐振频率，利用微波接收器接收谐振频率，根据接收的谐振频率计算出煤粉的介电常数，并最终推算出煤粉浓度。
在微波谐振腔法中，微波探头的安装方式、最佳发射频率及谐振腔尺寸大小是十分重要的参数，它们直接决定了测量出煤粉浓度的精度，但是目前对如何选择这些参数始终没有统一的结论。而且由于电厂运行条件限制，直接在电厂现场做实验十分困难，构建实验台也有着诸多限制，因此本发明基于上述原因，通过理论推导和电磁仿真软件HFSS仿真建模的方法对微波探头的安装方式、最佳发射频率及谐振腔尺寸大小的选择提供了一种有效的解决方案。迄今为止，未见有关与本发明相关的文献报道和实际应用。
发明内容
本发明的目的是，为解决微波法测电厂一次风煤粉浓度中谐振腔尺寸、微波频率难以确定的问题，提出一种科学合理，适用性强，效果佳的采用微波谐振腔测量煤粉浓度的方法。
实现本发明采用的技术方案是：一种采用微波谐振腔测量煤粉浓度的方法，其特征是，它包括以下内容：
1)微波探头的设置及最佳发射频率的选择
对于微波探头的安装方式及最佳发射频率,利用HFSS仿真软件对微波探头进行建模，使用的探头天线为四分之一波长单极子天线，采取同轴馈电方式进行馈电，对其进行仿真，通过观察探头天线的辐射方向图可知，探头在水平方向有着最大增益，因此在放置微波探头时，发射探头和接收探头的角度应该是平行，保证微波信号的传输，然后将设计的探头插入管道，得到微波法测煤粉浓度的整体模型管道内的介电常数大小又和管道中煤粉浓度有关，煤粉浓度越大，混合物的介电常数就越大；通过改变管道的介电常数，就能够模拟一次风管道煤粉浓度的变化，已知，空气的相对介电常数约为1，纯煤粉的相对介电常数约为2.7，对于混合物介电常数有公式ε＝[m1(ε1)1/3+m2(ε2)1/3]3，其中m1为空气的质量浓度，m2为煤粉的质量浓度，ε1为空气介电常数，ε2为煤粉介电常数，电厂中煤粉浓度一般都是在0.2kg/kg至1.0kg/kg范围之内，通过对充满煤粉的一次风管道进行仿真可得，当频率在386.36MHZ-390.9MHZ之间时，此时天线的回波损耗达到最大，因此微波最佳发射频率在386.36MHZ-390.9MHZ之间选择；
2)谐振腔尺寸的确定
电厂一次风管道的半径为300mm，采用圆柱形谐振腔，其半径为300mm，测量煤粉介电常数时，要保证煤粉的介电常数与谐振腔内的谐振频率一一对应，当检测出一个谐振频率时就能推算出一个介电常数，根据这一要求，利用高频电磁(HFSS)仿真软件对该谐振腔进行仿真，逐步确定圆柱形谐振腔的高度，并最终利用谐振腔仿真得出谐振频率和煤粉介电常数之间的关系，利用检测出的谐振频率推算出煤粉介电常数，进而得出煤粉浓度。
本发明的采用微波谐振腔测量煤粉浓度的方法，通过得出微波探头的安装方式、微波最佳发射频率以及谐振腔尺寸大小，均经过现场实验指导验证，满足实验条件，从而验证了本发明的有效性和实用性，并且与传统的现场参数(微波频率、探头安装方式)测量煤粉浓度的方法相比，本发明具有科学合理，适用性强，效果佳，易于实现、经济性好、不受额外因素影响等优点。
附图说明
图1为本发明的采用微波谐振腔测量煤粉浓度原理示意图；
图2为本发明中微波探头结构示意图；
图3为本发明中微波探头的回波损耗示意图；
图4为本发明中微波探头的辐射方向示意图；
图5为本发明的采用微波谐振腔测量煤粉浓度模型示意图；
图6为煤粉介电常数与谐振频率变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
如图1所示，实施例的一种采用微波谐振腔测量煤粉浓度的方法，包括以下内容：
1)微波探头的设置及最佳发射频率的选择
电厂一次风管道的半径为300mm，在电厂一次风管道内安装天线A和天线B，两者之间距离为L1，天线A为发射天线，天线B为接收天线。在一次风管道中插入短路线1和短路线2，两者距离为L2。短路线1和短路线2的材质为铁，其主要作用是将微波限制在两者之间的封闭管道内，原理为通过在电磁场中插入铁棒，使场内的产生的电流通过短路线1和短路线2引出，由于电场的消失，使其无法耦合出下一个磁场，因此能够将微波封闭在管道内。
2微波探头安装方式的选择
本发明中采用高频电磁(HFSS)仿真软件对微波法测电厂一次风煤粉浓度实验进行建模，首先对微波发射探头进行建模。图2为仿真建模中的天线模型，实验采用四分之一波长单极子天线，该天线是振子天线的一种。将尺寸接近于四分之一波长的单极子天线称为四分之一波长单极子天线。此时天线没有副瓣，并且单极子天线的输入阻抗接近于50欧姆，能够直接和特性阻抗为50欧姆的同轴线相匹配。
图3为本发明微波探头天线的回波损耗图，横坐标为微波发射频率，纵坐标为回波损耗增益强度。在天线设计中，回波损耗是一个重要的参数，回波损耗是表示信号反射性能的参数。回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源。通常要求入射功率越大越好，反射功率尽可能小，这样就有更多的功率传送到负载。典型情况下设计者的目标是至少10dB的回波损耗。在图中可以看出，天线在386.36MHZ-390.9MHZ频率段左右有较大的回波损耗(RL)，约为-18.4455db，满足一般天线设计要求。
图4为微波探头的辐射方向图，由场强方向图可知，单极子天线在水平方向具有最大增益，在振子正上方出几乎没有增益，从而可知在放置微波探头时，发射探头和接收探头的角度应该是平行，保证微波信号的传输。
3谐振腔尺寸的选择
图5为微波谐振腔法测浓度实验的整体模型，这里使用本征模激励方式，其作用和单极子天线激励相同。管道半径为300mm，管壁材料为铁，仿真实验采用本征模求解方式，即利用本征模求解方式代替微波探头对谐振腔发射激励，管道内介质的介电常数是影响微波实验的重要因素，它和谐振频率、品质因数有着直接联系，而管道内的介电常数大小又和管道中煤粉浓度有关，煤粉浓度越大，混合物的介电常数就越大。通过改变管道的介电常数，就可以模拟一次风管道煤粉浓度的变化。已知，空气的相对介电常数约为1，纯煤粉的相对介电常数约为2.7，对于混合物介电常数有公式ε＝[m1(ε1)1/3+m2(ε2)1/3]3，其中m1为空气的质量浓度，m2为煤粉的质量浓度，ε1为空气介电常数，ε2为煤粉介电常数，可以得出煤粉浓度和介电常数之间的关系从而我们只需给定管道混合物介电常数就可以得到煤粉浓度。
在实际电厂运行中煤粉浓度是在0.2kg/kg至1.0kg/kg范围之内，因此改变煤粉的介电常数值，使其保持在1.1至1.7之间，并对该模型进行仿真。
图6为煤粉介电常数与谐振频率关系，横坐标为煤粉介电常数，纵坐标为谐振频率由图可以看出，当谐振腔的长度为0.55m时，两者呈现一一对应的关系，因此，通过测量谐振频率便可推算出煤粉的介电常数，并最终得出煤粉浓度。
本发明的实施例仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。
Claims (1)
1.一种采用微波谐振腔测量煤粉浓度的方法，其特征是，它包括以下内容：
1)微波探头的设置及最佳发射频率的选择
对于微波探头的安装方式及最佳发射频率,利用HFSS仿真软件对微波探头进行建模，使用的探头天线为四分之一波长单极子天线，采取同轴馈电方式进行馈电，对其进行仿真，通过观察探头天线的辐射方向图可知，探头在水平方向有着最大增益，因此在放置微波探头时，发射探头和接收探头的角度应该是平行，保证微波信号的传输，然后将设计的探头插入管道，得到微波法测煤粉浓度的整体模型管道内的介电常数大小又和管道中煤粉浓度有关，煤粉浓度越大，混合物的介电常数就越大；通过改变管道的介电常数，就能够模拟一次风管道煤粉浓度的变化，已知，空气的相对介电常数约为1，纯煤粉的相对介电常数约为2.7，对于混合物介电常数有公式ε＝[m1(ε1)1/3+m2(ε2)1/3]3，其中m1为空气的质量浓度，m2为煤粉的质量浓度，ε1为空气介电常数，ε2为煤粉介电常数，电厂中煤粉浓度一般都是在0.2kg/kg至1.0kg/kg范围之内，通过对充满煤粉的一次风管道进行仿真可得，当频率在386.36MHZ-390.9MHZ之间时，此时天线的回波损耗达到最大，因此微波最佳发射频率在386.36MHZ-390.9MHZ之间选择；
2)谐振腔尺寸的确定
电厂一次风管道的半径为300mm，采用圆柱形谐振腔，其半径为300mm，测量煤粉介电常数时，要保证煤粉的介电常数与谐振腔内的谐振频率一一对应，当检测出一个谐振频率时就能推算出一个介电常数，根据这一要求，利用高频电磁(HFSS)仿真软件对该谐振腔进行仿真，逐步确定圆柱形谐振腔的高度，并最终利用谐振腔仿真得出谐振频率和煤粉介电常数之间的关系，利用检测出的谐振频率推算出煤粉介电常数，进而得出煤粉浓度。
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| CN108802065A (zh) * | 2018-05-30 | 2018-11-13 | 大连理工大学 | 一种快速监测水中藻类和细菌含量的测试装置及方法 |
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- 2016-12-26 CN CN201611215955.4A patent/CN106680164A/zh active Pending
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