CN111060533A - 一种基于空心金属波导的飞灰含碳量静态测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空心金属波导的飞灰含碳量静态测量系统及方法，该系统包括：空心金属波导、输入同轴转换器、输出同轴电缆、电磁波隔离装置、金属耦合片和测量装置。测量方法采用空心金属波导在检测效果方面较之于其他检测技术灵敏度、分辨率都更高，在静态条件下，在相同实验室条件下采用自由空间法与空心金属波导法测试相同灰样，自由空间法低含碳量相位差约为1°，而波导法相邻含碳量相位差大于20°，空心金属波导法明显具有更高的分辨率。因此，空心金属波导法可以对电厂检测飞灰含碳量提供指导意义，给电厂测试飞灰含碳量提供一定的数据支撑。

Description

一种基于空心金属波导的飞灰含碳量静态测量系统及方法

技术领域

本发明涉及测试火电厂尾部烟道飞灰电磁参数装置的领域，特别涉及一种基于空心金属波导的飞灰含碳量静态测量系统及方法。

背景技术

锅炉燃烧过程是受众多因素影响的复杂的湍流流动与燃烧反应过程。运行过程中机械不完全热损失是影响火电厂热效率的主要因素之一，而这一影响因素主要由烟气中的飞灰含碳量来表征。因此，对飞灰含碳量进行精确、实时的监测，提高锅炉运行效率，对降低发电成本有十分重要的意义。

目前国内外已有的飞灰含碳量在线检测仪在测量技术方面基本都采用将采集后的灰样送入测量腔的方法进行测试，这就导致了测量腔堵灰、检测结果实时性差等问题的发生。另外，由于不同测量技术的实现方式不同，测量过程中伴随着各种问题。光学反射法、激光诱导击穿光谱法与红外测量法中信号易受煤种变化及飞灰颗粒大小的影响，测量精度难以保证。灼烧法测量精度高但分析滞后，实时性差。流化床CO₂测量法难以保证燃烧室严格的密封性，飞灰中碳酸盐受热分解出的二氧化碳对精度同样造成了一定影响。微波法是目前商业化程度最高的一种测碳方法，该方法能实现在线测量飞灰含碳量的要求，是目前研究、应用最多,也是测量速度最快的一种测碳技术。但是，无论是取样式微波测碳还是无灰路微波测碳都存在一定问题。取样法取得的灰样缺乏代表性，取样器堵灰等问题难以得到根本解决；无灰路飞灰含碳量测试系统微波信号多径反射干扰以及烟道飞灰密度不确定对微波能量衰减的影响难以估算，测试结果的可信度受到质疑。这些问题的存在很难满足火电厂实时、准确检测飞灰含碳量的要求。

发明内容

本发明公开了一种基于空心金属波导的飞灰含碳量静态测量系统及方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种基于空心金属波导的飞灰含碳量静态测量系统，该装置包括：空心金属波导、输入同轴转换器、同轴电缆、电磁波隔离装置、金属耦合片和测量装置；

其中，所述空心金属波导，用于传输的微波信号对飞灰含碳量对进行测量；

所述输入同轴转换器，用于将电磁波的模式由TEM模式转换为 TE模式；

所述输出同轴转换器，用于将电磁波的模式由TEM模式转换为 TE模式，并将电信号输出；

所述同轴电缆，用于将输出的微波信号发送给测量装置；

所述电磁波隔离装置，用于对电磁波进行反射，使电磁波无法向与之连接的圆波导的两端逆向传输，避免了能量溢散；

进一步，用于产生测量所需的微波信号，并对接收到的微波号进行分析处理，并输出结果。

进一步，所述金属耦合片，用于对输入和输出的微波信号进行耦合，选择最优微信号的频段。

进一步，所述空心金属波导设有密封材料密封，所述空心金属波导靠近两端端部的侧壁上设有连接座，2个所述连接座上均设有连接件，连接件上设有微波传输孔，所述微波传输孔上均设有金属耦合片； 2个所述同轴转换器的一端分别与所述连接件连接，所述测量装置通过所述同轴电缆与2个所述同轴转换器连接；

2个所述电磁波隔离装置水平设置在所述空心金属波导的两端部的中心线位置，不超过微波传输口中心线位置，并位于所述微波传输孔的上方。

进一步，所述电磁波隔离装置为矩形金属片，矩形金属片的厚度为0.5-3mm。

进一步，所述密封材料为聚四氟乙烯。

进一步，所述空心金属波导的长度为波长的偶数倍，不大于300mm；所述空心金属波导的截面为圆形或矩形。

进一步，所述金属耦合片的数量为至少一组，所述金属耦合片的中心位置设有与所述微波传输孔截面积相同的通孔。

本发明的另一目的是提供一种采用上述的装置测试飞灰含碳量的方法，该方法具体包括以下步骤：

S1)校准仪器，校准结束后，将S21幅值和相位都归一化为0，作为零位参考；

S2)启动测试装置，对测试装置测试频率、测试频点数进行设置；

S3)将已知含碳量的标准灰样导入空心金属波导内进行测量，测试装置对采集得到的飞灰幅值和相位数据进行处理分析，使用线性、二次或指数形式分别对飞灰幅值和相位数据进行拟合，选取拟合度最优的拟合结果或拟合优度大于0.98的拟合结果作为标定曲线，得到该测试频点下飞灰含碳量与幅值、相位间的方程关系；

S4)将未知含碳量的待测灰样导入空心金属波导，并在相同的频点下测量，把测得的S21幅值和S21相位数据代入S3)得到标定曲线，即可得到待测灰样含碳量的确定数值。

本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，该方法采用空心金属波导在检测效果方面较之于其他检测技术灵敏度、分辨率都更高。静态条件下，在相同实验室条件下采用自由空间法与空心金属波导法测试相同灰样，自由空间法低含碳量相位差约为1°，而波导法相邻含碳量相位差大于20°，波导法明显具有更高的分辨率。因此，空心金属波导法可以对电厂检测飞灰含碳量提供指导意义，给电厂测试飞灰含碳量提供一定的数据支撑。

附图说明

图1为本发明一种基于空心金属波导的飞灰含碳量静态测量系统的结构示意图。

图2为空心金属波导的结构示意图。

图3为以含碳量为0～10％的标准灰样测试值曲线示意图。

图4为在13、15、17、18GHz频点下分别画出含碳量与S21相位拟合关系图。

图中：

1.空心金属波导、2.输入同轴转换器、3.输出同轴转换器、4电磁波隔离装置、5.连接件、6.固定槽、7.密封材料、8金属耦合片、 9.隔热层、10.微波传输孔、11.连接座、12.测量装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，本发明一种基于空心金属波导的飞灰含碳量静态测量系统，该装置包括：空心金属波导1、输入同轴转换器2、输出同轴转换器3、电磁波隔离装置4、金属耦合片8和测量装置12；

其中，所述空心金属波导1，用于利用微波对飞灰的含碳量对进行测量；

所述输入同轴转换器2，用于将电磁波的模式由TEM模式转换为 TE模式；

所述输出同轴转换器3，用于将电磁波的模式由TEM模式转换为 TE模式，并将电信号输出；

所述电磁波隔离装置4，用于对电磁波进行反射，使电磁波无法向与之连接的圆波导的两端逆向传输，避免了能量溢散；

所述测试装置12，用于产生测量所需的微波信号，并对接收到的微波号进行分析处理，并输出结果。

所述金属耦合片8，用于对输入和输出的微波信号进行耦合，选择最优微信号的频段。

所述空心金属波导1的两端的端部通过密封材料7密封，且空心金属波导1的侧壁上对称设有2个所述微波传输孔10，2个所述微波传输孔上均设有连接座11；

所述输入同轴转换器2和输出同轴转换器3一端通过同轴电缆与所述测量装置12连接，另一端并分别与2个所述连接座连接；且所述输入同轴转换器2和输出同轴转换器3与连接座连接的端面上均设有金属耦合片8，所述金属耦合片8上设有与所述微波传输孔10的截面积相等的通孔，并分别与2个所述连接座11连接；

2个所述电磁波隔离装置4通过固定槽6水平设置在所述空心金属波导1内部的两端中心线位置，且电磁波隔离装的一端的端部位于所述空心金属波导的端部，并位于所述微波传输孔的上方的一端端部不超过所述微波传输口中心线位置。

所述电磁波隔离装置4为矩形金属片，矩形金属片的厚度为 0.5-3mm。

所述密封材料7为聚四氟乙烯。

所述空心金属波导1的长度为测量微波波长的偶数倍，不大于 300mm；所述空心金属波导的截面为圆形或矩形。

所述金属耦合片8的数量为至少一组。

本发明的另一目的是提供一种采用上述的装置测试飞灰含碳量的方法，该方法具体包括以下步骤：

S1)校准系统，校准结束后，将S21幅值和相位都归一化为0，作为零位参考；

S2)启动测试装置12，对测试装置12的测试频率、测试频点数进行设置；

S3)将已知含碳量的标准灰样导入空心金属波导1内进行测量，测试装置12对采集得到的飞灰的S21幅值和相位数据进行处理分析，使用线性、二次或指数形式分别对飞灰幅值和相位数据进行拟合，选取拟合度最优的拟合结果或拟合优度大于0.98的拟合结果作为标定曲线，得到该测试频点下飞灰含碳量与幅值、相位间的方程关系；

S4)将未知含碳量的待测灰样导入空心金属波导1，并在相同的频点下测量，把测得待测量灰样的S21幅值和相位数据代入S3)得到标定曲线，即可得到待测灰样含碳量的确定数值。

所述标准灰样是指所有煤种含量为0-10％全量程的标准灰样。

所述测量装置12为矢量网络分析仪；所述矢量网络分析仪包括 E5071C网络分析仪或N9918A手持式微波分析仪。

所述微波频率为9-18GHz。

实施例：

本实施例提供一种基于空心金属波导的飞灰含碳量静态测量系统。静态测量系统包括空心金属波导1、输入同轴转换器2、输出同轴转换器3、同轴电缆、电磁波隔离装置4以及矢量网络分析仪 E5071C12。

静态测试首先利用矢量网络分析仪E5071C12的响应校准功能在空心金属波导1为空负载时进行校准，空心金属波导1与输入同轴转换器2和输出同轴转换器3连接，矢量网络分析仪E5071C12作为信号发射源通过同轴电缆与输入同轴转换器2和输出同轴转换器3相连。校准结束后，将S21幅值和相位都归一化为0，作为零位参考。

静态波导测试不需要加工待测样品，将样品直接装入空心金属波导1即可。向空心金属波导1中加入不同含碳量的待测的飞灰，为了防止飞灰污染探针，用电磁波隔离装置4将的飞灰隔离。飞灰中的碳离子对微波有吸收作用，信号穿过被测灰样发生衰减与相移并以S21 幅值和相位的形式显示于矢量网络分析仪E5071C12。一个样品测试结束后，将空心金属波导1中的灰样倒出再装入新的样品，进行下一轮测试。

以含碳量为0～10％的标准灰样测试值为例，测试结果如图3。

在13、15、17、18GHz频点下分别画出含碳量与S21相位拟合关系图，如图4所示。由测试结果可以得到，两者之间呈现良好的线性关系，不同频点下拟合函数分别为：

Pha1＝-29.55UCC+6.221；

Pha2＝-31.4UCC+7.848；

Pha3＝-34.14UCC+8.855；

Pha4＝-35.54UCC+9.375。

以此上图标准灰样的测量值作为标定值，此时，若测得同一电厂相同煤种13GHz频点下的相位为Pha，对此数据进行线性内插，则其含碳量值为UCC＝(Pha-6.221)/-29.55。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、系统和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、系统、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、系统、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种基于空心金属波导的飞灰含碳量静态测量系统，其特征在于，该系统包括：空心金属波导、输入同轴转换器、输出同轴转换器、电磁波隔离装置、金属耦合片和测量装置；

其中，所述空心金属波导，用于利用微波对飞灰的含碳量对进行测量；

所述输入同轴转换器，用于将测量装置产生的电磁波由TEM模式转换为TE模式；

所述输出同轴转换器，用于将测量完成的电磁波由TE模式转换为TEM模式；

所述金属耦合片，用于对输入和输出的电磁波的频率进行调整；

所述电磁波隔离装置，用于对电磁波进行反射，使电磁波无法向与之连接的圆波导的两端逆向传输，避免能量溢散；

所述测量装置，用于产生测量所需的电磁波信号，并对接收到的微波信号进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空心金属波导的两端的端部通过密封材料密封，且空心金属波导的侧壁上对称设有2个所述微波传输孔，2个所述微波传输孔上均设有连接座；

所述输入同轴转换器和输出同轴转换器一端通过同轴电缆与所述测量装置连接，另一端的端面均设有所述金属耦合片和隔热片，所述金属耦合片和隔热片上均设有与所述微波传输孔相等的通孔，并分别与2个所述连接座连接；

2个所述电磁波隔离装置通过固定槽水平设置在所述空心金属波导内部的两端中心线位置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电磁波隔离装置为矩形金属片，矩形金属片的厚度为0.5-3mm。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述金属耦合片的数量为至少一组。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述密封材料为聚四氟乙烯。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空心金属波导的长度为测量微波波长的偶数倍，且长度不大于300mm；所述空心金属波导的截面为圆形或矩形。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述金属耦合片的数量为一组或多组。

8.一种采用如权利要求1-7任意一项所述的系统测试飞灰含碳量的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1)校准系统，校准结束后，将S21幅值和S21相位都归一化为0，作为零位参考；

S2)启动测试装置，对测试装置的测试频率、测试频点数进行设置；

S3)将已知含碳量的标准灰样导入空心金属波导内，测试装置对采集得到的飞灰的幅值和相位数据进行处理分析，使用线性、二次或指数形式分别对飞灰幅值和相位数据进行拟合，选取拟合度最优的拟合结果或拟合优度大于0.98的拟合结果作为标定曲线，得到该测试频点下标准飞灰的含碳量与幅值和相位之间的方程关系；

S4)将未知含碳量的待测灰样导入空心金属波导，并在相同的频点下测量，把测得的幅值和相位数据代入S3)得到标定曲线，即可得到待测灰样含碳量的确定数值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述测量装置为矢量网络分析仪；所述矢量网络分析仪包括E5071C网络分析仪或N9918A手持式微波分析仪。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述微波频率为9-18GHz。

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