CN107741386A - 管道颗粒在线检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种管道颗粒在线检测装置及方法，包括：清灰防污装置、转换单元及光学颗粒检测装置；所述光学颗粒检测装置包括：光源、光学传感器、第一光电探测器、第二光电探测器及数据采集处理系统；所述光学传感器设置有光路系统；所述光源发出的入射光经过光路系统，部分进入所述第一光电探测器，实时监测光源能量变化，另一部分进入所述检测管内后经过颗粒散射后重新进入所述光路系统，然后进入所述第二光电探测器转换为电压信号；所述数据采集处理系统根据光源能量及电压信号选取颗粒浓度与电压信号关系曲线，得到颗粒浓度，并根据所述电压信号计算颗粒速度。本发明体积小，便于安装及维护；采用测量点扫描时测量，适用于不同复杂检测点的测量。
Description
技术领域
本发明涉及颗粒浓度监测技术，特别是关于一种管道颗粒在线检测装置及方法。
背景技术
在工业生产和工艺管道运输中，高温高压气体中含有大量粉尘。它们对管道及相关计量等设备具有强的危害性。一方面颗粒随气流流动与管道内壁的进行摩擦并沉积在管道内壁，由于缩小了管道通流面积导致降低了其运输效率；另一方面颗粒会附着在仪器感应元件表面或者堵塞设备过流通道，降低了仪器的测量准确度和精度。而且这些粉尘来源广泛，成分复杂多样，排放后会造成环境污染等问题。因此，常在管线中设置净化设备用于捕捉收集颗粒物，以有效地降低气体中粉尘含量。当前常用的净化设备有旋风分离器，过滤器，静电除尘器，布袋过滤器等，它们的过滤净化性能直接影响着管道粉尘含量控制，故管道内颗粒物浓度的测量具有重要的意义。
管道颗粒物的检测方法种类很多，主要有图像法，全息法，电容电感法，沉降法以及光散射法。其中由于基于光散射法的颗粒物检测仪器具有检测范围广、精度高、重复性好等优点已被广泛应用于不同现场中颗粒物的测量。其原理是利用某个角度范围内颗粒物的散射光强度反演获得颗粒的粒径和浓度等参数。根据其使用方式分为离线法，降压降温检测法和工况直接检测法三种。离线法是利用高精度滤膜或者滤芯收集捕捉高温高压气体中的粉尘样品，然后利用颗粒检测装置和称重法分布获得颗粒的粒径分布和浓度。降压降温检测法是通过减压降温装置将高温高压气体减小至近常温常压态，再利用气溶胶粒径谱仪或浓度检测装置测量颗粒粒径及浓度，具有检测速度快等特点。工况直接检测法是对颗粒物粒径及浓度进行实时在线测量。根据散射光信号检测角度的不同检测装置分为前向散射、后向散射及侧向散射。检测装置的颗粒采样方式有：1)直接抽取法。例如英国PCME的181WS浓度粉尘仪和德国西克SICK的FWE200型号粉尘仪都配有定长采样管和风机组合抽风取样；2)直接检测法。一种是将光学探杆插入到检测管道，颗粒流过光学检测区域时被探测；另一种是非接触式测量，将光源与探测器分别固定在管道两侧，通过测量前向0-60°内某范围内的散射光强来测量颗粒的浓度。
上述检测方法可满足常压常温等易操作工况下颗粒物的检测需求。但应用于高温高压工况时，存在以下主要的问题：
离线法需过长的采样时间。平均采样时间大于2小时，采样时间随颗粒浓度偏低而加长，无法实时的获得管道内颗粒物的浓度信息。
降压降温检测法使用条件苛刻。只适用于干燥气体介质，这是因为减压降温过程中可能伴随有液滴析出，不仅增加了气溶胶的种类(折射率不同)，同时增加了颗粒与液滴之间的碰撞、团聚等问题，对检测结果影响较大。
工况直接检测法具有以下问题。a)对管道流场扰动太大。在线检测装置带有采样管和光学探杆，它们插入的方向与气流方向垂直，会作为扰流件影响管道内正常流场的分布。由于管道内颗粒的具有跟随性，因此会随气流绕过光学检测点或采样点，造成检测结果的失真。b)适用压力温度范围太小。现有在线检测装置几乎均适用于常压及最高耐温200℃的检测工况，对于工业高达12MPa和1000℃的特殊高温高压工况难以满足要求，对仪器的耐温耐压性能和检测性能要求很高。c)测量点单一。现有检测装置的检测敏感区位置固定，只能检测固定点出的颗粒浓度。而工业生产中气体流量、压力和温度等有时波动很大，使得管道内颗粒的浓度分布不均匀且带有随机性，因此现有检测技术采用的单采样点测量所获结果对实际运行工况的真实度反映较低。d)能源浪费和环境污染。例如，高压天然气检测，由于采样气回注管道内部操作难度大，成本高不经济等原因，因此一般采用测量点远距离放空，会造成能源浪费并环境污染等问题。e)使用工况中仪器检测精度降低。例如由于高压工况下气体介质被压缩而密度增大，导致其光学参数发生变化，从而降低了装置的检测性能，导致测量结果偏小。而现有一些拓展使用条件的仪器往往忽略了该点影响因素，使得实际检测中检测精度降低。f)仪器体积庞大维护成本高。
由此可见，现有技术难以满足高温高压工况下颗粒物直接在线检测需求，因此有必要提供一种便捷式节能化的颗粒物直接检测装置。
发明内容
本发明实施例提供了一种管道颗粒在线检测装置及方法，以实现不同复杂点的测量。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种管道颗粒在线检测装置，包括：清灰防污装置、转换单元及光学颗粒检测装置；
其中，所述清灰防污装置包括：电动阀门、净化气进气管、流量控制器、气源及控制主机；所述电动阀门及净化进气管设置在一连接管道上，所述流量控制器一端连接所述净化进气管，另一端连接所述气源；所述控制主机连接所述电动阀门及流量控制器；所述连接管道一端固定在检测管侧壁上；
所述转换单元包括：基体、横向伸缩装置及透光设备；所述转换单元通过所述基体连接所述连接管道的另一端，所述横向伸缩装置的一端与所述基体配合相接，另一端连接所述光学颗粒检测装置，带动所述光学颗粒检测装置往返运动；所述透光设备设置于所述基体上，用于透光及耐压；
所述光学颗粒检测装置包括：光源、光学传感器、第一光电探测器、第二光电探测器及数据采集处理系统；所述光学传感器设置有光路系统；所述光源发出的入射光经过光路系统，部分进入所述第一光电探测器，实时监测光源能量变化，另一部分进入所述检测管内后经过颗粒散射后重新进入所述光路系统，然后进入所述第二光电探测器转换为电压信号；所述数据采集处理系统根据光源能量及电压信号选取颗粒浓度与电压信号关系曲线，得到颗粒浓度，并根据所述电压信号计算颗粒速度。
一实施例中，所述光学传感器中设置有端盖、第一光线耦合器、第二光线耦合器、第三光线耦合器及所述光路系统；
所述光路系统包括：第一光阑、分光镜、第一聚焦透镜、光束整形器、第二聚焦透镜、反射镜、透镜转换器及第二光阑；
所述入射光通过所述第一光线耦合器进入所述光路系统，经过所述第一光阑及分光镜后，其中一路经过所述聚焦透镜后及所述第二光线耦合器后进入所述第一光电探测器；另一路经过所述光束整形器、第二聚焦透镜及所述反射镜之后通过所述转换单元及清灰防污装置进入所述检测管，在所述检测管中由颗粒散射产生的散射光经过所述反射镜反射后，经过所述透镜转换器、所述第二光阑及所述第三光线耦合器进入所述第二光电探测器；
所述透镜转换器由多个不同焦距的聚焦透镜组成，每一个焦距透镜对应所述检测管中一个测量点位置，所述横向伸缩装置与所述透镜转换器配合。
一实施例中，所述聚焦透镜在所述透镜转换器中呈圆周分布，所述聚焦透镜的中心进行消光处理，中心消光面积S根据管道径向测量点位置离反射镜距离L确定，满足S＝f(L)。
一实施例中，所述净化气进气管的出口设有与管道轴线夹角为30-60°内的导叶。
一实施例中，所述横向伸缩装置端头设置有配合槽，用于和所述光学传感器配合连接。
一实施例中，所述光学颗粒检测装置还包括：数据显示单元，用于设备的运行操作及数据显示。
一实施例中，所述透光设备通过密封卡件固定在所述基体，所述密封卡件通过螺纹与所述基体的内螺纹配合连接。
一实施例中，所述净化气进气管与流量控制器利用耐压管连接。
一实施例中，所述横向伸缩装置和透镜转换器的运动方式由所述颗粒物光学检测装置控制。
一实施例中，所述端盖与所述光学传感器本体通过螺纹连接。
为了实现上述目的，本发明实施例还提供了一种管道颗粒在线检测方法，应用于上述的管道颗粒在线检测装置，该方法包括：
当向所述检测管内通高温高压检测气之后，所述控制主机打开电动阀门及流量控制器，调节净化气流量和气源压力；
光源照明后，利用所述第一光电探测器实时测量进行光源能量测量；
通过转动所述透镜转换器确定检测点的位置，并控制所述横向伸缩装置以设定速率往复运动；
所述光学传感器采集散射角在设定范围内的散射光；
所述第二光电探测器将所述散射光转换为电压信号；
根据所述电压信号计算颗粒浓度及气体流速，获得所述检测管内确定检测点的位置和气体流速下颗粒的分布特性。
一实施例中，还包括：改变所述透镜转换器的转动位置，确定不同检测点的位置，实现检测管内整个径向测量点的扫描式测量。
一实施例中，根据所述电压信号计算颗粒浓度及气体流速，包括：
根据所述第二光电探测器测量的能量选择关系曲线；
根据所述关系曲线及测量得到的电压获得颗粒浓度。
一实施例中，根据所述电压信号计算颗粒浓度及气体流速，包括：
获得所述电压信号的脉冲宽度；
获得所述脉冲宽度中的最大脉冲宽度；
根据所述最大脉冲宽度及入射光束宽度计算气体流速。
一实施例中，还包括：
利用所述第二光电探测器进行零点偏移分析，确定初始检测误差。
一实施例中，调节净化气流量和气源压力，包括：
控制净化气流速比所述检测管内气体流速高0.2-1m/s，净化保护气压力比所述检测管内压力高0.3-0.5MPa。
本发明涉及的管道颗粒物检测装置具有以下优点：
体积轻巧，便于安装和维护。采用非接触式后向散射光接收技术，摒弃现有的与入射光异轴设置方法，采用了同轴布置。该方案一方面有效地减少了光学元件的数量，方便光路系统的性能的优化，缩小了光学传感器的体积，大大地解决了一般检测装置过大实际中难以操作的问题，因此在复杂管道安装适应性更强。另一方面无需等动采样，且不会涉及能源气体浪费和环境污染等问题。
适用于高温高压检测工况。本发明中的清灰防污系统不仅可以起到保护装置不受污染的作用，同时在高温工况下由于气体流动换热对检测装置起到降温作用。配合转换单元的耐温耐压功能，使得本发明颗粒在线检测装置可满足3-12MPa高压工况和1000℃高温工况下的检测需求，拓展了颗粒检测装置的使用范围。
管道内径向测量点扫描式测量，适用于不同复杂检测点的测量。结合转换单元的横向伸缩装置和光学传感器的透镜转换器实现对水平(不同水平面颗粒浓度受重力影响而不同)或垂直管道内部进行径向扫描式测量，获得管道横截面颗粒浓度的分布情况。基于该点优势无需对测量点有过分要求，可安装于管道弯头，特殊元件部位进行颗粒检测，大大扩展了颗粒物检测装置的使用局限性。
消除气体温度和压力对光学检测系统的影响。本发明中入射光束采用平行光入射，有效地避免了光路系统受气体温度和压力的影响，一方面提高了检测装置的精度和准确度，另一方面有利于确定径向测量点位置。
实时修正和测速功能。光源属于能耗件，随着时间的进行其性能下降，在光学传感器内部表现为入射光能减弱，因此会导致测量结果普遍降低。本发明对入射光能实时检测，并配合不同入射光能下颗粒散射光-电压信号和颗粒浓度之间的对应校对关系，可实现对检测结果的实时修正。而且实际现场工况下气体流量波动很大，因此管道内部颗粒的浓度具有随机性。基于散射光信号特性，可实现管道内测量点流速，流量和浓度的同时测量，更加真实和精确地获得管道内颗粒浓度与流量之间的关系，为下游设备的运行提供可靠的参考依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例的管道颗粒在线检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的除尘防污装置的结构示意图；
图3为本发明实施例的转换单元的结构示意图；
图4为本发明实施例的光学颗粒检测装置的结构示意图；
图5为本发明实施例的光路系统的结构示意图；
图6为本发明实施例的透镜转换器与检测管检测点位置的结构示意图；
图7为本发明实施例的颗粒速度计算模型的结构示意图；
图8为本发明实施例的气体颗粒速度计算原理图；
图9为本发明实施例的入射光能衰减修正原理图；
图10为本发明实施例的光纤连接式光学传感器安装示意图；
图11为本发明实施例的光学颗粒检测装置一体机安装示意图；
图12为本发明实施例的单净化气管和多净化气管流场分析结果示意图；
图13为本发明实施例的圆周多检测系统安装方式示意图；
图14为本发明实施例的管道颗粒在线检测方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一实施例的管道颗粒在线检测装置的结构示意图，如图1所示，该管道颗粒在线检测装置包括：清灰防污装置1、转换单元2及光学颗粒检测装置3，清灰防污装置1一端连接在检测管4上，另一端连接转换单元2，转换单元2连接光学颗粒检测装置3。
如图2所示，清灰防污装置1包括：电动阀门7、净化气进气管6、流量控制器8、气源9及控制主机10。电动阀门7及净化进气管8设置在一连接管道5上，电动阀门7靠近检测管4。流量控制器8一端连接净化进气管6，另一端连接气源9；连接管道5一端固定在检测管4的侧壁上；控制主机10连接电动阀门7及流量控制器8，用于启动和停止清灰防污系统，同时遇到泄漏等紧急情况，自动关闭电动阀门7和切断净化气源9，起到应急保护作用，保证颗粒物检测装置的安全。气源9来自检测管道节流元件之前的含尘气，通过高精度低阻力的小型过滤装置净化后可作为净化气使用，因此对检测管内气体组分没有影响。另外，净化气源也可外接干净高压气。
如图3所示，转换单元2包括：基体11、横向伸缩装置12及透光设备13；转换单元2通过基体11连接连接管道5的另一端，横向伸缩装置12的一端与基体11配合相接，另一端连接光学颗粒检测装置3，带动光学颗粒检测装置3往返运动；13透光设备设置于基体11上，用于透光及耐压。
一实施例中，透光设备13通过密封卡件14安装固定在基体11上。具体固定时，可以在基体11内部设置有台阶部，然后通过密封卡件14将透光设备13与台阶部压紧；还可以在透光设备13两侧分别设置密封卡件14，两侧的密封卡件14将透光设备13压紧。
一实施例中，密封卡件14可以通过螺纹与基体11的内螺纹配合连接。
透光设备13具有耐高压功能，最大耐压达12MPa，其一方面可以保护光学颗粒物检测系统的安全，另一方面防止高温高压气体泄漏，污染等。基体14与横向伸缩装置12相连，横向伸缩装置12为电控装置，伸缩速率可调，配合光学颗粒物检测装置3形成具有在径向测量点多次往返扫描式测量。
一实施例中，横向伸缩装置12的端头留有配合槽用于和光学传感器连接。
如图4所示，光学颗粒检测装置包括：光源、光学传感器、光电探测器及数据采集处理系统。光电探测器包含两个，区分为第一光电探测器、第二光电探测器。
其中，光源可采用从紫外波段到红外波段的任意波长的连续或脉冲激光或其他形式发光光源。
光学传感器中设置有光路系统；光源发出的入射光经过光路系统，部分进入第一光电探测器，实时监测光源能量变化，另一部分进入检测管4内后经过颗粒散射后重新进入光路系统，然后进入第二光电探测器转换为电压信号；数据采集处理系统根据光源能量及电压信号选取颗粒浓度与电压信号关系曲线，根据关系曲线及电压信号，可以得到颗粒浓度，根据电压信号可以计算颗粒速度。
一实施例中，光学传感器中除了光路系统，还设置有端盖25、第一光线耦合器26、第二光线耦合器、第三光线耦合器，如图10所示。
一实施例中，如图5所示，光路系统包括：光阑20、分光镜19、聚焦透镜18、光束整形器17、聚焦透镜16、反射镜15、透镜转换器22及光阑21。
光路系统中光路的走向如下：入射光进入入射光入口B，通过第一光线耦合器26进入光路系统，经过光阑20及分光镜19后，其中一路经过聚焦透镜18后及第二光线耦合器24后进入光电探测器32；另一路经过光束整形器17、聚焦透镜16及反射镜(反射镜中心具有通孔)15之后通过转换单元2及清灰防污装置1进入所述检测管4中，在检测管4中由颗粒散射产生的散射光经过反射镜15反射后，经过透镜转换器22、所述光阑21及所述光线耦合器27进入所述光电探测器30。
光源可以采用平行光束(光束横截面宽度为H)，可以消除高温高压引起的光学传感器检测性能降低等问题。这是因为检测管4内由于气体压力升高使得其密度增大，导致其折射率增大。入射光光线发散角为0°，基于折射定律知在高压介质内部光束发散角不发生变化因此不受气体压力的影响。入射光穿过透光设备(可以为玻璃)13入到检测管4内部。当颗粒横穿过入射光束时发生散射现象，0°±10°范围内的散射光穿过透光设备13，经反射棱镜15，透镜转换器22和光阑21聚焦收集。透镜转换器22由多个不同焦距的聚焦透镜组成，每一个焦距透镜对应一个测量点位置(例如图6：f1-A0，f2-A1，f3-A2，f4-A3)，为保证在不同检测点处光测量敏感区域大小相同，需对透镜中心区域进行消光处理，透镜转换器22中透镜的中心消光面积S根据管道径向测量点位置离反射镜距离L确定，两者满足S＝f(L)。一实施例中，透镜转换器22中透镜呈圆周布置，测量时首先旋转透镜转换器切换至某焦距聚焦透镜确定检测管测量点位置(如图6所示的A0，A1，A2，A3)，结合转换单元2中的横向伸缩装置12的运动，对确定区域(A0-A1，A1-A2，A0-A3，A0-A4)进行连续扫描式测量。也可连续切换旋转透镜转换器22，对整个管道径向(A0-A4)进行往复连续测量，大大的拓展了检测管4径向测量点的扫描范围，可很好地满足大于200mm管径的检测需求。
本发明实施中，入射光路和散射光路采用同轴分布，使得装置体积缩小，方便复杂检测环境中安装。入射光经分光镜分输出一部分，用于利用光电探测器32实时监测光源能量变化。端盖25带有光陷阱，与光学传感器本体通过螺纹连接，打开后可用于分光镜19安装以及光路对中调整。光电探测器为光电倍增管或高精度光电二极管等其他高精度光电转换设备，用于散射光信号与电压信号之间的转换，所获散射光-电压信号为脉冲状，脉冲信号宽度为τ(如图7)。根据散射光-电压信号分布可获得颗粒的速度，用于计算气体流量。筛选所测散射光-电压信号宽度，获得脉冲信号最大宽度值τmax。利用计算管道内气体流速。管道气体流量为方便实时检测管道气体流量的变化(如图8流程所示)。
光电探测器与散射光接收光路和入射光分布部分光路连接。数据采集处理系统用于采集光电探测器输出的电压信号。并利用散射光-电压信号与颗粒浓度之间的关系，即校对曲线，反演获得检测颗粒的浓度参数等信息。数据采集处理系统存储有不同等级入射光能下颗粒浓度与散射光-电压信号对应关系曲线，当入射能量出现衰减时测量结果会出现偏差，根据实时光源能量等级(Ecurrent表示实测光能，Eoriginal表示初始光能)在数据处理过程中选取对应能级校对曲线(散射光-电压信号和粒径关系曲线)进行结果反演，很好地消除了测量误差，提高了测量精度(如图9所示)。另外，数据采集处理系统通过数据设置，配合数据采集系统实时控制转换单元2中横向伸缩装置12和光路系统中透镜转换器22的相关操作。
一实施例中，光学颗粒检测装置还包括：数据显示单元31，用于设备的运行操作及数据显示。
光源，光学传感器，光电探测器，数据采集处理系统及数据显示单元之间可以通过光纤和信号线等连接，或直接耦合功能性配合连接。
透镜转换器22由多个不同焦距的聚焦透镜组成，每一个焦距透镜对应检测管中一个测量点位置，横向伸缩装置12与透镜转换器22配合工作。
一实施例中，透镜转换器22中的聚焦透镜在透镜转换器22中呈圆周分布，聚焦透镜的中心进行消光处理，中心消光面积S根据管道径向测量点位置离反射镜距离L确定，满足S＝f(L)。
一实施例中，净化气进气管6的出口设有与管道轴线夹角为30-60°内的导叶，可以起到导流作用。净化气进气管6与流量控制器8利用耐压管连接。
一实施例中，横向伸缩装置和透镜转换器的运动方式由所述颗粒物光学检测装置控制。
一实施例中，端盖25与所述光学传感器本体通过螺纹连接。
图14为本发明实施例的管道颗粒在线检测方法流程图，应用于上述的管道颗粒在线检测装置，该方法包括：
S1401：当向所述检测管内通高温高压检测气之后，所述控制主机打开电动阀门及流量控制器，调节净化气流量和气源压力；
S1402：光源照明后，利用所述第一光电探测器实时测量进行光源能量测量；
S1403：通过转动所述透镜转换器确定检测点的位置，并控制所述横向伸缩装置以设定速率往复运动；
S1404：所述光学传感器采集散射角在设定范围内的散射光；
S1405：所述第二光电探测器将所述散射光转换为电压信号；
S1406：根据所述电压信号计算颗粒浓度及气体流速，获得所述检测管内确定检测点的位置和气体流速下颗粒的分布特性。
一实施例中，该方法还包括：重复进行S1403至S1406，改变透镜转换器22的转动位置，确定不同检测点的位置，实现检测管内整个径向测量点的扫描式测量。
一实施例中，根据电压信号计算颗粒浓度，可以首先根据所述第一光电探测器测量的能量选择关系曲线；然后根据所述关系曲线及测量得到的电压获得颗粒浓度。
一实施例中，根据所述电压信号计算气体流速，可以首先获得所述电压信号的脉冲宽度；然后获得所述脉冲宽度中的最大脉冲宽度；最后根据所述最大脉冲宽度及入射光束宽度计算气体流速。
一实施例中，在S1402之前，还可以先切断光源28，利用所述第二光电探测器进行零点偏移分析，确定初始检测误差。
一实施例中，调节净化气流量和气源压力时，可以控制净化气流速比所述检测管内气体流速高0.2-1m/s，净化保护气压力比所述检测管内压力高0.3-0.5MPa。
为了进一步清楚的描述本发明，下面以高压天然气管道输送过程中应用的颗粒物检测装置为例进行说明：
管道气体压力为8MPa，气体温度为10℃，气体流速为5m/s。例如在垂直管段按图1方式安装颗粒物在线检测装置，同时对检测管道内壁进行消光处理。
连接管5无缝垂直焊接在检测管4上，靠近检测管4附近安装电动阀门7，距离电动阀门一定距离在连接管5上垂直连接一个或多个有净化气进气管6，其于流量控制器8相连并尾接气源9。电动阀门7和流量控制器8信号线与控制主机10相连。转换单元2与连接管5之间螺纹密封连接。转换单元2中平面透镜13通过密封卡件14固定在基体11中，横向伸缩装置12与基体11配合相接，并与光学颗粒检测装置3连接。由光阑20、分光镜19、聚焦透镜18、光束整形器17、聚焦透镜16、反射镜15、透镜转换器22及光阑21组成的光路系统封装在光学传感器内部，入射光入口B，散射光接收口A和入射光分输部分C可通过光纤耦合器26光纤耦合器、27、光纤耦合器24分别与光源28(带有散热装置29)，光电探测器30，光电探测器32连接，形成光纤连接式光学传感器(如图10)；入射光入口B，散射光接收口A和入射光分输部分C也可以直接耦合配合连接，形成光学颗粒检测系统一体机(如图11)。
测量过程中颗粒物在线检测装置具体使用步骤如下：
首先启动清灰防污系统。
关闭电动阀门7和流量控制器8，开启净化气源9。
当检测管道4通有高温高压检测气后，控制主机10启动操作打开电动阀门7和流量控制器8，自动反馈调节净化气流量和气源压力，使其净化气流速比检测管道内气体流速高0.2-1m/s，净化保护气压力比检测管道内压力高0.3-0.5MPa。从图12保护气流场(管道内气体流速为6m/s，保护气流速为6.5m/s)可知，单进口(a)和双进口(b)保护气引起的扰流均出现在管道壁面，对管道内部检测区域几乎没有影响，同时在高温检测中对链接关键起到降温作用减弱了管道热膨胀引起的形变的问题，保护了装置的使用安全。
其次启动光学颗粒检测装置。
切断光源照明28，利用探测器30进行零点偏移分析，确定初始检测误差。
光源照明稳定后，利用探测器30测量光源能量值，判定入射光能衰减误差。在线检测过程中检测光源能量变化，实时选择对应入射光能等级的校对曲线对测量结果修正。
检测过程中管道内颗粒被入射光照射，散射光向四周发射，光学传感器收集散射角为0±10°范围内的散射光，利用光电探测器30获得电压信号。
通过转动透镜转换器22确定检测点位置，然后利用光学颗粒检测装置主机控制横向伸缩装置12以一定速率往复移动，实现实时扫描测量管道径向位置测量点的颗粒散射光信号的收集。
光电探测器获得散射光-电压信号利用数据采集系统和数据处理软件计算颗粒的浓度和气体流速，散射光转换成电压信号，电压信号和浓度对应获得管道内不同位置和流速下颗粒的分布特性。
进一步转动透镜转换器22，改变检测点位置，实现检测管道整个径向测量点的扫描式测量。
除过此种安装方法之外，对于具有大于200mm内径或安装结构复杂的管道，可以在其圆周方向安装多个检测装置，如图13中i-1、i-2、i-3、i-4、i-5…i-n，形成组合式测量方式，可准确测量整个管道横截面不同位置的颗粒浓度分布情况，为实际工业生产和工艺优化提供可靠的数据参考。
本发明涉及的管道颗粒物检测装置具有以下优点：
体积轻巧，便于安装和维护。采用非接触式后向散射光接收技术，摒弃现有的与入射光异轴设置方法，采用了同轴布置。该方案一方面有效地减少了光学元件的数量，方便光路系统的性能的优化，缩小了光学传感器的体积，大大地解决了一般检测装置过大实际中难以操作的问题，因此在复杂管道安装适应性更强。另一方面无需等动采样，且不会涉及能源气体浪费和环境污染等问题。
适用于高温高压检测工况。本发明中的清灰防污系统不仅可以起到保护装置不受污染的作用，同时在高温工况下由于气体流动换热对检测装置起到降温作用。配合转换单元的耐温耐压功能，使得本发明颗粒在线检测装置可满足3-12MPa高压工况和1000℃高温工况下的检测需求，拓展了颗粒检测装置的使用范围。
管道内径向测量点扫描式测量，适用于不同复杂检测点的测量。结合转换单元的横向伸缩装置和光学传感器的透镜转换器实现对水平(不同水平面颗粒浓度受重力影响而不同)或垂直管道内部进行径向扫描式测量，获得管道横截面颗粒浓度的分布情况。基于该点优势无需对测量点有过分要求，可安装于管道弯头，特殊元件部位进行颗粒检测，大大扩展了颗粒物检测装置的使用局限性。
消除气体温度和压力对光学检测系统的影响。本发明中入射光束采用平行光入射，有效地避免了光路系统受气体温度和压力的影响，一方面提高了检测装置的精度和准确度，另一方面有利于确定径向测量点位置。
实时修正和测速功能。光源属于能耗件，随着时间的进行其性能下降，在光学传感器内部表现为入射光能减弱，因此会导致测量结果普遍降低。本发明对入射光能实时检测，并配合不同入射光能下颗粒散射光-电压信号和颗粒浓度之间的对应校对关系，可实现对检测结果的实时修正。而且实际现场工况下气体流量波动很大，因此管道内部颗粒的浓度具有随机性。基于散射光信号特性，可实现管道内测量点流速，流量和浓度的同时测量，更加真实和精确地获得管道内颗粒浓度与流量之间的关系，为下游设备的运行提供可靠的参考依据。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (16)
1.一种管道颗粒在线检测装置，其特征在于，包括：清灰防污装置、转换单元及光学颗粒检测装置；
其中，所述清灰防污装置包括：电动阀门、净化气进气管、流量控制器、气源及控制主机；所述电动阀门及净化进气管设置在一连接管道上，所述流量控制器一端连接所述净化进气管，另一端连接所述气源；所述控制主机连接所述电动阀门及流量控制器；所述连接管道一端固定在检测管侧壁上；
所述转换单元包括：基体、横向伸缩装置及透光设备；所述转换单元通过所述基体连接所述连接管道的另一端，所述横向伸缩装置的一端与所述基体配合相接，另一端连接所述光学颗粒检测装置，带动所述光学颗粒检测装置往返运动；所述透光设备设置于所述基体上，用于透光及耐压；
所述光学颗粒检测装置包括：光源、光学传感器、第一光电探测器、第二光电探测器及数据采集处理系统；所述光学传感器设置有光路系统；所述光源发出的入射光经过光路系统，部分进入所述第一光电探测器，实时监测光源能量变化，另一部分进入所述检测管内后经过颗粒散射后重新进入所述光路系统，然后进入所述第二光电探测器转换为电压信号；所述数据采集处理系统根据光源能量及电压信号选取颗粒浓度与电压信号关系曲线，得到颗粒浓度，并根据所述电压信号计算颗粒速度。
2.根据权利要求1所述的管道颗粒在线检测装置，其特征在于，所述光学传感器中设置有端盖、第一光线耦合器、第二光线耦合器、第三光线耦合器及所述光路系统；
所述光路系统包括：第一光阑、分光镜、第一聚焦透镜、光束整形器、第二聚焦透镜、反射镜、透镜转换器及第二光阑；
所述入射光通过所述第一光线耦合器进入所述光路系统，经过所述第一光阑及分光镜后，其中一路经过所述聚焦透镜后及所述第二光线耦合器后进入所述第一光电探测器；另一路经过所述光束整形器、第二聚焦透镜及所述反射镜之后通过所述转换单元及清灰防污装置进入所述检测管，在所述检测管中由颗粒散射产生的散射光经过所述反射镜反射后，经过所述透镜转换器、所述第二光阑及所述第三光线耦合器进入所述第二光电探测器；
所述透镜转换器由多个不同焦距的聚焦透镜组成，每一个焦距透镜对应所述检测管中一个测量点位置，所述横向伸缩装置与所述透镜转换器配合。
3.根据权利要求2所述的管道颗粒在线检测装置，其特征在于，所述聚焦透镜在所述透镜转换器中呈圆周分布，所述聚焦透镜的中心进行消光处理，中心消光面积S根据管道径向测量点位置离反射镜距离L确定，满足S＝f(L)。
4.根据权利要求1所述的管道颗粒在线检测装置，其特征在于，所述净化气进气管的出口设有与管道轴线夹角为30-60°内的导叶。
5.根据权利要求1所述的管道颗粒在线检测装置，其特征在于，所述横向伸缩装置端头设置有配合槽，用于和所述光学传感器配合连接。
6.根据权利要求1所述的管道颗粒在线检测装置，其特征在于，所述光学颗粒检测装置还包括：数据显示单元，用于设备的运行操作及数据显示。
7.根据权利要求1所述的管道颗粒在线检测装置，其特征在于，所述透光设备通过密封卡件固定在所述基体，所述密封卡件通过螺纹与所述基体的内螺纹配合连接。
8.根据权利要求1所述的管道颗粒在线检测装置，其特征在于，所述净化气进气管与流量控制器利用耐压管连接。
9.根据权利要求1所述的管道颗粒在线检测装置，其特征在于，所述横向伸缩装置和透镜转换器的运动方式由所述颗粒物光学检测装置控制。
10.根据权利要求2所述的管道颗粒在线检测装置，其特征在于，所述端盖与所述光学传感器本体通过螺纹连接。
11.一种管道颗粒在线检测方法，应用于权利要求2、3、9中任一权利要求所述的管道颗粒在线检测装置，其特征在于，包括：
当向所述检测管内通高温高压检测气之后，所述控制主机打开电动阀门及流量控制器，调节净化气流量和气源压力；
光源照明后，利用所述第一光电探测器实时测量进行光源能量测量；
通过转动所述透镜转换器确定检测点的位置，并控制所述横向伸缩装置以设定速率往复运动；
所述光学传感器采集散射角在设定范围内的散射光；
所述第二光电探测器将所述散射光转换为电压信号；
根据所述电压信号计算颗粒浓度及气体流速，获得所述检测管内确定检测点的位置和气体流速下颗粒的分布特性。
12.根据权利要求11所述的管道颗粒在线检测方法，其特征在于，还包括：改变所述透镜转换器的转动位置，确定不同检测点的位置，实现检测管内整个径向测量点的扫描式测量。
13.根据权利要求11所述的管道颗粒在线检测方法，其特征在于，根据所述电压信号计算颗粒浓度及气体流速，包括：
根据所述第一光电探测器测量的能量选择关系曲线；
根据所述关系曲线及测量得到的电压获得颗粒浓度。
14.根据权利要求11所述的管道颗粒在线检测方法，其特征在于，根据所述电压信号计算颗粒浓度及气体流速，包括：
获得所述电压信号的脉冲宽度；
获得所述脉冲宽度中的最大脉冲宽度；
根据所述最大脉冲宽度及入射光束宽度计算气体流速。
15.根据权利要求11所述的管道颗粒在线检测方法，其特征在于，还包括：
利用所述第二光电探测器进行零点偏移分析，确定初始检测误差。
16.根据权利要求11所述的管道颗粒在线检测方法，其特征在于，调节净化气流量和气源压力，包括：
控制净化气流速比所述检测管内气体流速高0.2-1m/s，净化保护气压力比所述检测管内压力高0.3-0.5MPa。
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