CN110375681A - 一种烟道或烟囱等常压大口径管道截面面积在线校准装置 - Google Patents

一种烟道或烟囱等常压大口径管道截面面积在线校准装置 Download PDF

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王池
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Abstract

本发明提供一种烟道或烟囱等常压大口径管道截面面积在线校准装置，其包括：至少一个激光测距传感器；保温壳体及换热结构，所述至少一个激光测距传感器安装在保温壳体及换热结构中；至少一个控制电机；以及可调位置多孔法兰；所述至少一个控制电机对所述至少一个激光测距传感器的俯仰角和旋转角进行控制，所述可调位置多孔法兰调整所述至少一个激光测距传感器插入管道内的深度。本发明的装置直接测量管道内部的几何结构，避免了从管道外部几何参数和管道壁厚推算管道内部几何参数引入的误差，能够避免对装置安装位置和安装角度的依赖，能够在管道内流体介质静止或流动，常温或高温的状态下进行测量，避免对校准工作的限制。

Description

一种烟道或烟囱等常压大口径管道截面面积在线校准装置
技术领域
本发明涉及一种在线校准装置，特别是涉及一种烟道或烟囱等常压大口径管道截面面积在线校准装置。
背景技术
烟道或烟囱是工业、商业、住宅等领域废气的主要排放通道，为了实现对烟道或烟囱大气污染物或温室气体排放量的监管与控制，通常在烟道或烟囱上安装连续排放监测系统(CEMS)。CEMS除监测烟气中大气污染物或温室气体浓度以外，还需使用烟气流量计监测烟气流量，使用浓度和流量测量数据计算得到小时排放量或年度总排放量。此外，在发电、冶金、化工等工业领域，需要使用常压大口径气体流量计进行工艺控制，例如电厂给风控制、冶金通风控制、原料气体流量控制等。烟道/烟囱流量计和常压大口径气体流量计都存在一些共同的特点：口径大、流量大、不易拆卸、不易送检、无法直接溯源到现有实验室流量计量标准。针对烟道/烟囱流量计和常压大口径气体流量计难以实现实验室校准的问题，可以在现场使用基于速度面积法的流量标准装置对烟道/烟囱/大口径常压气体管道上安装的流量计进行在线校准。
目前，国际上有多个基于速度面积法的标准流量测量方法，包括EPA方法1、EPA方法2、ISO3966和ISO7194等。在现场对烟道/烟囱/大口径常压气体管道上安装的流量计进行在线校准时，一方面使用校准过的、可识别速度大小和方向的流速测量仪对管道内平均流速进行扫描测量，另一方面需要测量管道的横截面积。通常管道横截面积是通过设计图纸获得，但在实际管道制造过程中，由于加工精度、焊接精度、应力变形，管道腐蚀和附着颗粒等诸多原因，实际管道截面面积和图纸截面尺寸会有所差异，并且这一差异大小很难判断；或者使用激光测距仪从管道法兰孔向管道内粗略测量圆形管道直径或矩形管道宽度计算得到，使用激光测距仪从烟道法兰孔向烟道内粗略测量一个圆形管道直径或矩形管道宽度时，由于手持仪器很难掌握激光打入方向是否为直径方向或者宽度方向，任何俯仰角度或者偏斜角度都会造成较大的测量不确定度，而且此种方法只能获得少量的管道内几何参数，无法获得完整的截面面积信息，在通过测量值获得截面面积时需要对形状参数进行假设；或者通过测量管道外部周长和管壁壁厚计算得到，对于规则截面形状且壁厚均匀的管道，采用高精度测量仪器能够获得较好的测量准确度；但如果管道口径很大、截面形状不规则、壁厚不均匀、测量仪器准度不高或适用性差都会引入较大的测量不确定度。
因此，上述截面面积测量方法会造成较大的测量误差，从而影响烟道或烟囱等大口径常压气体管道的流量测量结果准确度。
发明内容
本发明的目的是提供一种可溯源、高准确度的烟道或烟囱等常压大口径管道截面面积在线校准装置，此装置能够从烟道或烟囱等常压大口径管道侧面的法兰开孔中放入，并对管道内部结构进行自动快速扫描，对管道内部几何结构进行拟合并计算得到截面面积。
本发明提供一种烟道或烟囱等常压大口径管道截面面积在线校准装置，其包括：至少一个激光测距传感器；保温壳体及换热结构，所述至少一个激光测距传感器安装在保温壳体及换热结构中；至少一个控制电机；以及可调位置多孔法兰；所述至少一个控制电机对所述至少一个激光测距传感器的俯仰角和旋转角进行控制，所述可调位置多孔法兰调整所述至少一个激光测距传感器插入管道内的深度。
其中，所述至少一个控制电机包括俯仰角控制电机和旋转角控制电机。
其中，进一步包括有控制箱。
其中，所述俯仰角控制电机对激光测距传感器的俯仰角进行控制；所述旋转角控制电机对激光测距传感器的旋转角进行控制。
其中，所述控制箱内装有水平倾角传感器，所述水平倾角传感器测量校准装置的安装角度。
其中，所述控制箱内装有控制及通讯电路，能够自动完成装置的运动控制和数据计算。
其中，所述控制箱使用控制箱散热系统进行温度控制。
其中，所述控制箱内安装有激光测距传感器冷却系统。
其中，所述控制箱内设置有控制模块。
其中，通过控制箱内的控制模块对所述至少一个激光测距传感器的俯仰角和旋转角进行精确控制，实现对管道内几何尺寸的逐点扫描测量，通过拟合得到管道形状，计算获得截面面积。
本发明的装置直接测量管道内部的几何结构，避免了从管道外部几何参数和管道壁厚推算管道内部几何参数引入的误差，其次采用激光扫描并进行几何模型拟合的方式能够避免对安装位置和安装角度的依赖，最后装置能够在管道内流体介质静止或流动，常温或高温的状态下进行测量，避免对校准工作的限制。
附图说明
图1为本发明的烟道或烟囱等常压大口径管道截面面积在线校准装置的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。
图1为烟道或烟囱等常压大口径管道截面面积在线校准装置示意图。如图1所示，所述在线校准装置包括：至少一个激光测距传感器1，其发出激光光束，并对反射的激光光束采集和记录；保温壳体及换热结构2，所述激光测距传感器1安装在保温壳体及换热结构2中，所述保温壳体及换热结构2具有保护的壳体，在所述壳体内设置有换热结构以保证所述壳体内具有稳定并适合激光测距传感器1正常工作的温度；俯仰角传动机构3，该俯仰角传动机构3的一端连接所述保温壳体及换热结构2、另一端连接到俯仰角传动轴4；所述俯仰角传动轴4可控制所述俯仰角传动机构3进行移动，从而控制激光测距传感器1的俯仰角；俯仰角控制电机5、其控制所述俯仰角传动轴4的转动；旋转壳体6，其包围所述俯仰角传动轴4；旋转角控制电机7，其包括旋转角传动机构，以将控制电机的旋转运动传递到所述旋转壳体6，从而控制激光测距传感器1的旋转角；套管8，其位于所述旋转壳体6的外侧，该套管8环绕所述旋转壳体6；可调位置多孔法兰9、其设置在所述套管8上；控制箱10，该控制箱内设置有控制电机、冷却系统以及散热系统等；水平倾角传感器11，其测量所述校准装置的具体水平倾角；控制及通讯电路12、其对校准装置的信号传输、通讯和控制；冷却系统包括激光测距传感器冷却系统13和旋转壳体内腔冷却系统14、所述冷却系统对装置中的温度进行控制；控制箱散热系统15，其对控制箱内的热量与外界进行交换。
在实际测量过程中，所述校准装置使用保温壳体及换热结构2中安装的激光测距传感器1进行距离测量，使用俯仰角控制电机5驱动俯仰角传动轴4进行转动，并于俯仰角传动机构3处将运动转换为激光测距传感器1的俯仰角变化，从而实现对激光测距传感器1俯仰角的控制。
所述校准装置使用旋转角传动机构及控制电机7驱动旋转壳体6，所述旋转壳体6进行绕轴自传，从而实现对激光测距传感器1的旋转控制。
在所述俯仰角控制电机5中安装编码器或圆光栅或类似的测量模块对激光测距传感器1的俯仰角进行精确控制；在所述旋转角控制电机7中安装编码器或圆光栅或类似的测量模块对激光测距传感器1的旋转角进行精确控制。
所述控制箱10内设置有控制模块，通过控制箱10内的控制模块对激光测距传感器1的俯仰角和旋转角进行精确控制，实现对管道内几何尺寸的逐点扫描测量，最终通过拟合得到管道形状，再进一步计算截面面积。在现场测量时，可调位置多孔法兰9与现场烟道上的法兰对接，并通过螺栓、大力钳等方式固定；可调位置多孔法兰9能够在套管8上滑动并锁死，从而改变激光测距传感器1插入管道内的深度，从而适用不同尺寸、不同壁厚的管道。所述可调位置多孔法兰9上有针对不同尺寸法兰的开孔，能够连接管道上不同大小的法兰。
控制箱10内安装有激光测距传感器冷却系统13，所述激光测距传感器冷却系统13能够使用风冷或者液冷的方式对激光测距传感器1进行冷却，激光测距传感器冷却系统13将冷却介质(如冷却气体或液体)通过位于旋转壳体6内部的传输管道输送到保温壳体及换热结构2中的换热结构中，对激光测距传感器1进行冷却，使所述校准装置能够对内部为高温流动介质的管道进行在线测量。旋转壳体内腔冷却系统14能够使用风冷或者液冷的方式对旋转壳体6内腔进行冷却，从而控制经过旋转壳体6内腔的激光测距传感器冷却系统13的冷却介质传输管道内介质的温升。
控制箱10内装有水平倾角传感器11，所述水平倾角传感器11能够测量校准装置的安装角度，自动计算拟合管道轴线与水平方向之间的相对位置关系。控制箱10内装有控制及通讯电路12，能够自动完成装置的运动控制和数据计算，并且能够和控制电脑进行有线及无线通讯，所述控制及通讯电路12包括信号通讯部件。
所述控制箱10使用控制箱散热系统15进行温度控制。除激光测距传感器1以外，所有的电器元件均安装在位于被测管道外的控制箱10中，避免管道内高温对电器元件的影响。
本发明采用冷却系统对激光测距传感器进行冷却，使其能够在内部为高温流动介质的管道内进行在线测量。使用冷却系统对激光测距传感器冷却系统的冷却介质传输管道进行降温，控制激光测距传感器冷却系统冷却介质在输送过程中的温升。除激光传感器外，其它所有电器元件(包括驱动电机、电路板、冷却系统、水平传感器等)均安装在位于被测管道外的控制箱10中，避免管道内高温对电器元件的影响。使用可调节位置的多孔法兰，使其能够调节激光传感器插入管道的深度，并且能够适配不同法兰孔。采用通过改变俯仰角和旋转角的方式，扫描测量烟道/烟囱/常压大口径管道内部特征点坐标，从而拟合管道几何形状，计算得到截面面积。使用水平传感器测量装置的安装角度，自动计算拟合管道轴线与水平方向之间的相对位置关系(两个角度分量)。所述校准装置能够通过有线、无线、蓝牙等方式和控制电脑(包括平板电脑)进行通讯。
本发明的烟道或烟囱等常压大口径管道截面面积在线校准装置能够插入到管道的法兰孔中并固定在管道法兰上，在不断流的条件下进行在线校准。本发明的测量装置采用多点扫描，几何形状拟合的方式，计算截面面积，采用相对坐标系，不依赖于安装角度，测量结果准确度高。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种烟道或烟囱等常压大口径管道截面面积在线校准装置，其包括：至少一个激光测距传感器；保温壳体及换热结构，所述至少一个激光测距传感器安装在保温壳体及换热结构中；至少一个控制电机；以及可调位置多孔法兰；其特征在于：所述至少一个控制电机对所述至少一个激光测距传感器的俯仰角和旋转角进行控制，所述可调位置多孔法兰调整所述至少一个激光测距传感器插入管道内的深度。
2.如权利要求1所述的在线校准装置，其特征在于：所述至少一个控制电机包括俯仰角控制电机和旋转角控制电机。
3.如权利要求1所述的在线校准装置，其特征在于：进一步包括有控制箱。
4.如权利要求2所述的在线校准装置，其特征在于：所述俯仰角控制电机对激光测距传感器的俯仰角进行控制；所述旋转角控制电机对激光测距传感器的旋转角进行控制。
5.如权利要求3所述的在线校准装置，其特征在于：所述控制箱内装有水平倾角传感器，所述水平倾角传感器测量校准装置的安装角度。
6.如权利要求3所述的在线校准装置，其特征在于：所述控制箱内装有控制及通讯电路，能够自动完成装置的运动控制和数据计算。
7.如权利要求3所述的在线校准装置，其特征在于：所述控制箱使用控制箱散热系统进行温度控制。
8.如权利要求3所述的在线校准装置，其特征在于：所述控制箱内安装有激光测距传感器冷却系统。
9.如权利要求3所述的在线校准装置，其特征在于：所述控制箱内设置有控制模块。
10.如权利要求9所述的在线校准装置，其特征在于：通过控制箱内的控制模块对所述至少一个激光测距传感器的俯仰角和旋转角进行精确控制，实现对管道内几何尺寸的逐点扫描测量，通过拟合得到管道形状，计算获得截面面积。
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