CN108627434B - 用于测量浓度的设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测量浓度的设备，具体地，一种用于流动悬浮液(8)的在线浓度测量的测量装置(1)，该测量装置包括主干(3)和两根天线(6a、6b)，一根天线用于发射，另一根天线用于接收。天线被集成到金属的鳍形叶片(5)中，上述叶片被平行地定位到管道内的主干的基部(23)中。

Description

用于测量浓度的设备

技术领域

本发明涉及一种用于测量管道内的流动悬浮液的浓度的设备。术语“浓度”指的是固体物质的质量与悬浮液的总质量之比。术语“悬浮液”指的是含有固体物质的流体。固体物质的量不以任何方式受限。因此，悬浮液可为接近纯的流体或其可为密集的胶状物、颗粒或颗粒团。

背景技术

有若干方法来测量悬浮液的浓度。最常见的方法是机械、光学、放射性或微波方法。所选择的方法取决于悬浮液的浓度水平。机械方法是基于悬浮液对测量传感器产生的剪切力的测量。光学方法是基于传递到悬浮液的可见光和IR光的吸收、反射和偏振。放射性方法是基于悬浮液中的伽马射线衰减。这需要诸如Cs-137或Co-60的放射源。微波方法通常是基于当微波行进通过悬浮液时监测微波的速度。

机械方法的主要问题在于悬浮液流内需要机械测量探针。这种探针取决于流速和压力变化。它们还缺乏测量范围，特别是在较粘稠的悬浮液中。光学测量的最大问题是它们易受积聚(built-up)影响并且需要频繁校准。放射性方法的最大缺点是对气泡和填料含量变化的敏感性。微波方法可以绕开先前的问题，但具有其他缺点。

微波测量装置作为或者管道的一部分，或者插入管道中。当测量装置作为管道的一部分时，管道必须被切割并且测量装置被用凸缘连接到管道。这种解决方案也称为流通法(flow through approach)。利用这种方法，测量以最长可能距离进行，因为发射器天线和接收器天线位于如图2中的管的相对两侧。这种方法具有多个优点。由于悬浮液的重要中心流被包括在测量中，所以长的读数给出浓度的代表值。这种方法需要许多不同的测量装置来匹配不同尺寸的管。更好的方法是通过管中的孔将测量装置插入管道中。这样，不需要用于不同尺寸的管的多个传感器装置。然而，这种方法给微波测量带来了其他问题。

存在一些常见设计结构，其具有在插入到管道中的微波浓度测量装置上的当前方法。常见方法是具有到达管道中很远位置的极或轴，并且在末端具有单极发射器天线。这在图1a和图1b中示出。由此，测量可以至少部分地从靠近管的中心的悬浮液流进行。接收器天线可以位于与发射器天线相同的极上、另一极上或在极的基部。取决于悬浮液，这种极非常容易受到积聚的影响。

使用微波来测量浓度的一个典型方式是使用渡越时间(time of flight)作为测量基础。微波从第一天线行进到第二天线所需的时间取决于悬浮液的浓度。渡越时间可通过确定微波信号的相位或通过利用任何其他方法测量实际渡越时间来测量。一种可能的方式在专利US5315258中示出，其描述了一种用于从材料中测量水分含量的测量设备。主要理念与测量悬浮液的浓度相同。可以使用类似的测量方法。最大的区别是微波信号速度和悬浮液的浓度的变化的已知的相互依赖性。

测量装置的一个实际使用情形是纸浆浓度测量。纸浆的浓度是造纸的最重要的测量之一。与其他测量方法相比，使用微波测量是非常有利的。纸浆纤维、纸和空气的介电常数仅轻微地受到温度和频率的影响。并且，木质素的介电常数非常接近纤维素的介电常数。因此，微波测量对木材品种和纸浆种类不敏感。安装到管道中的当前的微波测量装置仍然存在一些缺点。困难之一是粘附在轴和天线上的纸浆。粘附的纸浆改变测量值，并且最终可导致管的部分或完全堵塞。这是本发明中要解决的主要问题。

微波浓度测量的另一典型使用情形是污水处理。这些测量用于废水厂中，其中废水悬浮液可包括不同的有机和无机颗粒。颗粒可以是不同的尺寸，并且常常粘附到测量元件上。最成问题的颗粒是在管道中流动的诸如头发的长线。特别是与油脂一起，头发倾向于嵌入管道内的所有横向结构。在最坏的情况下，由于颗粒粘附在测量装置上，整个管道可能被堵塞。有时，可能有管道或泵的一些部分在流动的上游损坏。在这些情况下，有可能受到从管道或泵脱离的硬块的冲击。这些冲击会立即阻碍(破坏)测量装置。

发明内容

本发明试图提供对现有技术的改进。本发明的特征在于以下说明书中所描述的设备。本发明的优选的实施例在从属权利要求中公开。

本发明的主要方案是一种用于流动悬浮液的在线浓度(consistency，稠度)测量的测量装置，其使用微波信号速度作为测量函数，该测量装置包括一端被插入管道的主干，且具有两根天线，一根天线用于发射，另一根天线用于接收，其中，天线被集成到金属制造的鳍形叶片中，上述叶片被平行地定位到主干的基部中，使得鳍与管道对准，天线被集成到叶片，使得天线从叶片的两侧都是易接近的，且到天线的布线被引导通过叶片的钻孔。

根据本发明的实施例，鳍形叶片在叶片的朝向流动的前侧上具有比在叶片的后侧上更平缓的斜率。

根据本发明的实施例，具有连接到主干的机壳，且具有用于状态监测目的的探测元件，该探测元件是机壳内的加速度传感器和/或温度传感器。

根据本发明的实施例，在机壳内具有处理器，该处理器运行诊断软件。

根据本发明的实施例，具有温度传感器，该温度传感器集成到主干基部或任一叶片，使得该温度传感器测量悬浮液的温度。

根据本发明的实施例，具有压力传感器，该压力传感器集成到主干基部或任一叶片，使得该压力传感器测量悬浮液的压力。

根据本发明的实施例，流动悬浮液是纸浆悬浮液。

根据本发明的实施例，流动悬浮液是废水悬浮液。

根据本发明的实施例，天线由金属、陶瓷、塑料或其他任意组合制成。

本发明提供了多个优点。对容易粘附或损坏测量装置的具有颗粒的悬浮液的浓度测量现在是可行的。

附图说明

下面参照附图仅以示例的方式描述本发明的示例性实施例，其中：

图1a和图1b示出了现有技术的测量装置；

图2示出了现有技术的管上测量安装；

图3示出了包括本发明的部件；

图4示出了本发明的另一实施例；

图5示出了管道的横截面；以及

图6示出了测量装置的部件。

具体实施方式

本发明是一种测量装置，其使用微波来测量流动悬浮液的浓度。在图3中，装置1包括三个主要部分：叶片5、主干3和机壳4。叶片在主干的端部，这些叶片通过开口9被插入管道2中，主干利用密封部7被紧固到管道，使得没有悬浮液能漏出管道。在管道的外面被附接到主干的机壳包括电子器件34、发射器35、接收器36和一个或多个处理器31。

在主干的端部中，管道内部是与悬浮液8接触的部分。主要创造性想法是金属制叶片5具有集成的天线6。两个叶片是鳍形的，并被设计为使叶片上方和周围的悬浮液流动能够最平滑。叶片与管道对准。在图4中，叶片的前侧5a，即面对流动8的一侧，可被制成具有比叶片的后侧5b更小的角度。这样，与另一侧的鳍相比，这侧的叶片可具有更平缓的、朝向流动的斜率。叶片的顶部可以是圆弧的，从而不存在锐利边缘。叶片并排平行地被定位，使得它们之间至少有20mm距离。这样，悬浮液中的固体颗粒不会粘附到叶片上或粘附在叶片之间。对于叶片的尺寸可不作限制，但是叶片越小越好。具有小于7cm的高度的叶片使它们比

的管的一半更小。叶片的宽度仅从结构的观点来说是重要的。叶片必须足够宽以容纳天线并为布线到天线提供路径。这样，天线的宽度在5mm-20mm之间。由于小，叶片还允许较大的颗粒流经管，而不会在与传感器装置碰撞时被粘住。该结构使得对于从

到

的管而言能够使用相同的测量装置。

叶片的主要功能是将天线安全地保持在管内，并防止流动颗粒粘到天线上或损坏天线。天线包括一起作为天线产生影响的天线元件。天线元件是有源元件(activeelement)、反射器和屏蔽件。一个或多个天线元件适配在叶片结构内，使得信号可以从叶片到达外部。天线元件被放置为使得天线除了侧面之外从所有其他方向被金属包围。这样，任何流动颗粒都不能从流动方向直接撞击天线元件。天线元件的插入完成，使得信号可以从叶片的两侧到达外部。天线元件可为陶瓷、金属或塑料。天线元件也可以是上述材料的组合。叶片被制造为使得同轴天线电缆22通过钻孔从叶片的基部被引导到有源元件。天线电缆通过主干进一步被引导到机壳的发射器35和接收器36等电子器件。

发射器35位于机壳4内，该发射器产生微波信号20，该微波信号通过同轴电缆22a被传递到天线6a。

图5示出了除了周围叶片的方向之外，以所有可能方向从天线发出的微波信号。信号从管2的内壁至少部分地反射21。流动悬浮液降低信号的速度。接收天线6b接收信号并经由同轴电缆22b将该信号传导到位于机壳中的接收器36。

微波信号可以是一个频率正弦波或在一频带内的扫频。信号的形式也可以是方波、三角波或锯齿波。信号的速度被测量，并通过使用已知的相互依赖性来计算实际的浓度。

如图6所示的装置机壳可包括附加的、集成的探测元件(例如，机壳传感器)33。这些探测元件可测量加速度、温度或湿度。这些测量值例如可被用于状态监测。叶片5或主干的基部23也可集成探测元件(例如，传感器)37，以测量管道内的变量。测量值可以是诸如温度和压力。这样，可以实现附加的过程测量而不需将外部装置添加到管道。所有的测量值可以使用通信元件32被传递到其他装置、云存储器或自动化系统。

测量装置可具有集成的微处理器31和基于软件的诊断装置，该诊断装置利用探测元件寻找可能的问题。软件例如可以通过寻找极高或极低值、或者通过从趋势中寻找大的导出值(derivate value)来比较测量值。其他类型的处理和比较也是可能的。测量装置可提供关于不同问题的视觉、听觉或其他类型的警报。装置还可以使用有线或无线通信元件32来将警报传递到其他装置。

本发明并非意在限制为上述示例性呈现的实施例，本发明旨在在如所附权利要求中限定的创造性想法的范围内广泛应用。

Claims (9)

1.一种用于流动悬浮液(8)的在线浓度测量的测量装置(1)，其使用微波信号速度作为测量函数，所述测量装置包括一端被插入管道(2)的主干(3)，且具有两根天线(6a、6b)，所述两根天线包括用于发射的发射天线和用于接收的接收天线，其特征在于，所述两根天线中的每一根被集成到两个金属制的鳍形叶片(5)的一个中，所述鳍形叶片被平行地定位到所述主干的基部(23)中，使得所述鳍形叶片与所述管道对准，并且所述微波信号不仅能从所述发射天线的一侧发射，且被所述接收天线的一侧接收，而且能从所述发射天线的另一侧发射，被所述管道的内壁至少部分地反射，且被所述接收天线的另一侧接收，且到所述两根天线的布线被引导通过所述鳍形叶片的钻孔(11)，所述测量装置具有连接到所述主干的机壳(4)。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述鳍形叶片(5)在叶片的朝向流动的前侧(5a)上具有比在叶片的后侧(5b)上更平缓的斜率。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置具有用于状态监测目的的探测元件(33)，所述探测元件是所述机壳内的加速度传感器和/或温度传感器,所述两根天线(6a、6b)由金属、陶瓷、塑料或其任意组合制成。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，在所述机壳(4)内具有处理器(31)以运行诊断软件。

5.根据前述权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置具有温度传感器，所述温度传感器集成到主干基部(23)或任一所述鳍形叶片(5)，使得所述温度传感器测量所述悬浮液的温度。

6.根据前述权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置具有压力传感器，所述压力传感器集成到主干基部(23)或任一所述鳍形叶片(5)，使得所述压力传感器测量所述悬浮液的压力。

7.根据前述权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述流动悬浮液(8)是纸浆悬浮液。

8.根据前述权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述流动悬浮液(8)是废水悬浮液。

9.根据前述权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述两根天线被设置为除了侧面之外从所有其他方向被所述鳍形叶片包围，使得任何流动颗粒都不能从流动方向直接撞击所述两根天线。

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