CN1139203A - 用于测量多相介质流动的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用来监视或测量通过一管道输送的诸如煤粉等多相介质的流动特性的方法和设备，方法是通过所述介质将多个预定频率电磁波的脉冲从管道的一个地方发送至另一个地方，并通过与未改变微波的比较至少确定所述被发送波衰减和相移中的一个量。可以把差值处理成用来控制所述流动特性的信号。

Description

用于测量多相介质流动的方法和设备

本发明一般涉及一种用于测量多相介质流动的方法和设备，尤其涉及一种用微波无接触地监视管道中两相介质质量流的方法和设备。

该方法和设备可以用来监视或测量通过管道以涡流形式输送的物质的质量流、介质的运动速度以及诸如湿度和介电性质等其他特性。例如，本发明的原理可以应用于通过管道输送至发电厂燃烧炉的气态或液态载体介质中悬浮的煤粉。煤粉通过适当的管道以两相流的形式输送，流动中引起的涡旋是必要的输送速度所导致的。当要用一种运载气体输送固体时，由于涡旋，已知的输送或传送技术会使一些部分的密度增大，下文称之为“股”，它们并不被局限。

与其他工厂相比，对于燃煤的发电厂，监视煤粉的浓度或密度更为重要，因为通过管道输送至个别炉的煤粉在管道截面上的分布是不均匀的，而是在管道的某些地方趋于形成所谓的股，在股处，煤粉浓度显著大于其他地方的浓度。这尤其会使煤粉在从一接头延伸出的不同管道中的分布不相等。同样也使煤在各燃烧炉中的燃烧低于或超过理想配比。形成股的另一结果是不可能在管道的任何一点测量煤粉的密度，这是因为管道内煤粉的流动图形是动态变化的，所以不能建立具有代表性的测量点。由于该原因，通常的做法是，每隔一段时间，在分布于整个截面的多个测量位置上，用等动力吸管(isoki-netic suction tube)手动抽出煤，以对管道截面进行所谓的网读(net-work readings)。这种测量极花时间，而且几个小时后才能获得结果。它们是管道中恒定设置阀门的基础，而阀门的设置会影响个别管道中煤粉的分布。因此，只能对某些恒定的值设置阀门。至今，还未能提供可自动调节发电厂中使用的不同密度条件和不同类型煤的控制。

本发明的一般目的是提供一种方法和设备，用来监视管道和类似装置中的质量流。

本发明另一个更加具体的目的是提供一种方法和设备，用来无接触地测量或监视一封闭的输送系统中多相介质的质量流。

本发明另一个目的在于提供一种方法和设备，用来无接触地监视一管道中动态变化的多相介质质量流。

本发明另一个目的是提供一种方法和设备，用来无接触地监视管道内悬浮于一气态或液态载体介质中的煤粉的质量流量。

本发明一个更具体的目的是提供一种方法和设备，它们用微波无接触地监视或测量管道内悬浮于一载体介质中的煤粉的质量流。

本发明还有一个目的是提供一种方法和设备，用来监视向大的燃煤发电厂输送的管道内载体介质中煤粉浓度的变化。

另外，本发明的一个目的是提供一种方法和设备，监视或测量管道内悬浮于载体介质中的煤粉的质量流，并导出其平均测量结果。

本发明的其他目的，一部分将是明显的，一部分将在后文中表现出来。

为实行这些和其他目的，本发明提供了一种方法，该方法通过观察微波在被输送介质不同的介电相图情形中的传播时间和衰减，无接触地监视或测量管道中两相介质(诸如悬浮在液态载体介质中的煤粉)的质量流。最好至少有一部分管道包含一段圆形截面的、可作为监视或测量通路的空心通道，并备有微波输入和输出耦合器，用来周期性地传播沿轴向和方位角方向有位移的微波脉冲。例如，通过适当选择激励频率，可以使输入微波相对于监视通道的管道直径和介质的介电常数以基模形式传播。可以用已知的相位差沿方位角方向控制微波，从而使输入的微波圆极化或椭圆极化。根据所需的灵敏度，从微波的输入位置开始，在沿馈送通道轴向位移的截面上测量微波。最好用多个频率以及发送和接收装置来确定质量流。为确定密度，可从密度的变化导出传播时间，而传播时间是通过形成监视信号的互相关函数确定的。

后附的权利要求详细阐述了本发明的新特征。而参照附图阅读下列较佳实施例将最透彻地理解发明本身的结构、构造和布置，还有制造技术和本发明的其他目的和长处，其中：

图1是实施本发明的装置简图，它包括构成一开槽的发送和接收耦合器的管道部分；

图2示出了沿不同方位角输入的横电(TE)波(基模)；

图3是一张旋转电磁场输入的示意图；

图4示出了用来与管道耦合的连接条；

图5是管道的截面，示出了管道与连接条的耦合。

为依照本发明执行和使用所述方法，介绍下面的做法：在煤粉输送管道的几个分立部分开几个孔。管道不再需要其他的变化或改变。本领域的熟练技术人员易于理解，以下使用的“测量”和“监视”表述除非另作说明，将是同义词。

下文中有时会总称多个孔为一个孔或槽的阵列，而由特征相干距离(即两接收天线间的距离)、涡流以及适于高测量灵敏度的发射器和接收器间的间隔，确定孔的轴向安排和布置。槽阵列图形依赖于传送物质的吸收图形和管道截面内的流动状态。

可以用各种方式将微波能量通过槽阵列输入至管道中。例如，可以将波导导向或接至各别的槽阵列或孔来实现。

沿槽和孔的轴向安装必要的接收天线，相隔距离小于移动或流动物质的特征相干长度。用这种方式，可以通过输入或反射的监视或测量信号的互相关性，测量从一个天线到另一个天线的传播时间。

如果流动是不足涡流，则可以通过注入传输图形与材料的两相都不同的载体气体或液体，产生局部涡流，从而测出速度。

图1至5所描述的实施例还可用来测量管道中的平均载料密度和质量流，其中管道用另一种介质(液体或气体)输送很薄的固体(煤粉)，该测量将在管道内介质的截面上进行，即沿与流动垂直的方向进行。

为此，管道部分1起一圆形波导的作用，并充当发送和接收耦合器2，3(图1)。

微波从一发生器10通过例如波导、同轴波导或平行波导等馈线4输出，并通过一孔6a导入管道1，以在管道中传输一预定距离。在轴向偏离输入连接处的距离大得足以保证足够灵敏度的地方，至少从管道1通过其壁上的孔6b取出部分微波，并将其送至一比较器11，以将该部分微波的位相和衰减与输入波作比较。该过程可以通过一熟知的方式来实现，即把未改变的输入波从发生器10通过一参考线12直接馈送到比较器(Mischer)11。比较器11中检测到的相移和衰减经适当处理，成为控制信号，用来控制管道系统中的预定参数。为此，下文有时把比较器11称为信号处理器。

管道部分1构成一带槽或带孔的耦合器，并在其壁上配备有相应的开口6，起输入和输出孔的作用。根据其预期的目的和功能，管道部分具有两个部分2、3，部分2用于输入微波而部分3用于输出微波。部分2和3通过一预定长度的测量部分5相互连接。用来传播未改变输入微波且不发生任何衰减或相移的参考线12平行于测量部分5延伸。

作为安装的另一部件，还备有诸如比较器11等装置(Mischer)，用来测量分别通过管道部分5和参考线12发送的波的位相差。位于相同方位的发送部分2和接收部分3上的孔6a和6b分别用于发送和接收。例如，图1所示发送部分2的上连接孔6a与接收部分3的上孔6b配合使用。

在进行了该特殊的测量或监视操作后，接着用类似的方式操作中孔和下孔。图2示出了相隔90度方位角的三个耦合孔处因输入基模横电(TE)波而产生的场分布。正如本领域的熟练技术人员将看到的，本发明最好使用电磁(EM)波的电场分量(ET)。

另一种方法是，通过相互成90°方位角的两个耦合孔6、7(图4)输入圆极化波。例如，可以用电磁波激励两个耦合孔6、7来做到这点，其中电磁波在两耦合孔处相角偏移π/4。用这种方式，可产生一旋转电场，然后通过两耦合孔输出。仅测量一次，便可在旋转方位角取向由电场透过煤粉股8。根据所给的应用，用下面将要描述的方式向几对孔施加脉冲，以用于测量。

在图2中，标号6表示主动或输入孔，而标号7表示被动或输出孔。线9表示横电波(以下称为“TE波”)电力线的走向，而标号8表示管道部分1内部形成的煤粉股。图3也示出了TE波电力线9的走向。图中还示出了输入耦合处电场强度随时间的变化。

一般地说，管道中装入煤粉会使电磁波的传播时间延长。未改变的传输波与通过材料发送的波两波传播时间的差随测量部分长度的增长而加大，因为每波长的延迟在整个测量部分上叠加，总延迟等于每波长延迟的n倍(总长度/波长＝n)。另外，电磁波的衰减程度也依赖于长度。

已经发现0°和180°之间的相移最适于测量测量信号和参考信号间的位相差，因为在该范围中不会发生相角的混淆。因此，将这样选择测量部分的长度，使这些相角遵守实际的装料条件。

图4和5中，示出了与耦合开口6、7相连的导电条4。图4描绘了导电条4的上表面和下表面，而图5则示出了导电条4与管道部分1相连的布置情况。

由于所用微波的频率依赖于管道的口径(直径)，并且作为波导的管道具有高通特性，所以电磁波的基模特别适于测量，因为低频的电磁波不能在管道中传播。因此，不会产生对位相测量不利的更低的附加模式。所以，必须以合适的频率运行设备。

激励源或电磁波发生器例如可以是钇铁石榴石(YIG)谐振器。

还可以在发送耦合器的侧对面进一步增加带槽的接收耦合器来扩大设备，以通过煤粉密度的互相关测量显示煤粉的运动速度。

本领域的熟练技术人员将看到，本发明的方法及其附属设备一般依赖于那些测量微波的已知方法，发送微波所通过的被输送材料在所描述的实施例中为煤粉。本发明已考虑了这样的因素，即诸如碳等材料中固有的复数介电常数会使微波有衰减和相移，使该常数有虚数部分。

因此，3兆赫兹时煤和水的介电常数ε^*如下：

  煤           水

ε′＝2.5    ε′＝81

ε″＝0.3    ε″＝12其中，ε^*＝ε′＋jε″。

ε′是复数介电常数的实数部分，而ε″是复数介电常数的虚数部分。

如果管道内的材料只包含一种成份，那么可以根据其吸收和相移确定发送波信号所通过的材料的质量。如果被输送的材料是几种成份的复合物，则将由单个吸收系数组合而成的有效吸收系数确定吸收。在煤粉为均匀(不变)复合物的场合，可以确定煤粉相对于运载气体的比例。

当把诸如空气或水等运载介质和诸如煤等被输送材料装入管道中时，根据下列条件可以确定两种介质的比例：

a)两种介质的每一种材料成份对于微波的衰减特性和相移随时间保持不变；

b)两种介质在微波的衰减和相移特性方面相对于发送微波所通过的体积的变化效果有明显不同，即测量充有第一种介质的管道所得的结果必须明显不同于测量充有另一种介质的管道所得的结果。

当测量管道中的煤粉时，满足条件a)，这是因为，由于上游煤粉磨机容积大，所以就时间常数而言，与管道内的流动特性相比，材料成份将慢慢发生变化，并且还因为可以通过一上游的快速测量系统单独测量各物质，例如测量煤粉的剩余湿度。当测量仅限于两管道间的差别时，甚至可以省去条件a)。在这种情况下，唯一的要求是各相的物质成份皆相同。

依照本发明的方法是一种无接触的方法，也就是说，它不要求与将被测量或被监视的介质直接接触。微波能量从管道外部导入其内部，然后再把通过管道发送的能量取出至外部。首先，对管道内横截面上煤粉的装载密度和质量流作平均测量。然后，将微波从诸如波导、同轴波导或平行波导等馈线转移，并将它们送入管道，从而使微波在管道中传输一预定的距离。从管道中其壁上一开口处取出一部分微波，开口的位置沿轴向偏离输入耦合器的位置，偏离距离大得足以保证足够的灵敏度，并且将这部分微波的相位和衰减与未改变的微波作比较。为此，未改变的微波通过一参考波导送入一比较器。

依照本发明，在不同方位角处用连续脉冲将EM波(电磁波)送入管道，那些馈入微波的耦合孔称为“有源”耦合孔。其余的孔用“无源”来表述。脉动发生得足够快，以避免在脉冲串期间煤粉的位置发生显著变化。用这种方式，高和低的场强交替穿过煤粉股。可以对所有这些测量的总和求平均。因此，煤粉浓度的不均匀分布对该测量的影响比对从单个脉冲获得测量的影响要小得多。另外，在不同的方位角将发生不同的相移。也可对这些求平均。

鉴于煤粉股不稳定但沿管道横向移动的事实，这类称之为在前(supra)的重复测量将产生一代表性很强的值。除了用脉动的方式连续激励天线耦合孔之外，或作为代替，可以成对地同时激励两个耦合孔。用这种方式可以输入一圆极化波，圆极化波由于其旋转电场会提供进一步的测量数据。管道内的流动条件以及特殊的应用(例如，必要的精度)确定了孔的数目和激励方式。

无接触测量是通过把耦合孔直接放在管道中来完成的，其中耦合孔用来将微波输入至管道的内部，然后再从内部取出微波。

为此，可以使用一个与耦合孔联用的耦合器。依照本发明，将开口钻入管道壁，并使一导电条与开口相接或耦合。这种安装成本低廉，因为这些导电条可以象箔或蚀刻镀铜电路板一样大量生产。由于考虑了发电厂中管道占据空间的范围、其大量的燃烧炉以至大量潜在的测量位置，所以本发明推荐的耦合方法具有明显的好处。将多个插头插入各开口中，在管道的内部提供光滑的连续表面以防止煤粉的沉积污染钻孔是有益。这种插头可以由例如石英玻璃等能透过电磁波或至少其电场分量ET的介电材料组成。

此外，依照本发明，定向耦合连接可以赋予电磁波优先的传播方向。由于它们减少了不希望的反射，所以在管道接头附近特别有好处。

利用本发明的设备，第一次可以定量地监视管道在为大型燃烧炉送料时截面上煤粉密度或浓度的偏差。因此，上游球磨机提供的煤粉成份的均匀性允许对煤粉装载量进行足够准确的测量。由于可以实时获得测量值，所以本发明的方法和设备有益于用来控制诸如燃烧炉二次风等燃烧操作的特殊参数。

本领域的熟练技术人员将明显地看到，不脱离本发明的精神和范围，可以对这里描述的各实施例进行某些修改和变化，本发明的保护范围唯一由后附的权利要求确定。例如，虽然目前在应用本发明时最好利用电磁波的电场分量(TE波)，但利用磁场分量(TM波)也是可行的。

Claims (17)

1.一种无接触测量管道中多相介质的至少一种预定流动特性的方法，其特征在于，包括：

在所述管道中提供第一和第二部分，它们通过一预定长度的中间部分相互连接；

在所述第一和第二部分的每一部分中，按预定的设计提供多个孔；

从所述第一部分至所述第二部分，使所述介质产生涡流；

产生预定频率的电磁波；

通过所述第一部分中的所述孔发送所述电磁波第一部分的脉冲，通过所述介质传播至所述部分中的所述孔；

设置一条在所述第一和第二部分之间延伸的参考线；

通过所述参考线传播所述电磁波的另一部分；

通过所述第二部分中的所述孔取出所述脉冲；

将所述电磁波的所述其余部分与所述电磁波的所述第一部分比较，以至少确定其衰减和相移中的一个量；以及

从所述衰减和相移中那个所述的量导出所述流动特性的表示。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，周期性地沿轴向和沿角向相互移动发送所述脉冲。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，以不同的相角发送所述脉冲。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述相角在0°和180°间测量。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电磁波是以基模传播的该波的横向电场分量。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预定频率的选择与所述管道的内径有关。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电磁波由钇铁石榴石(YIG)谐振器产生。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在一比较器(Mischer)中比较所述电磁波的所述第一部分和所述其余部分。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个孔沿方位角分布，并且通过所述多个孔中的不同孔将所述微波的所述第一部分脉冲导入所述中间部分。

10.一种用来实施权利要求1至9所述方法的设备，其特征在于，包括：

在一管道中有第一和第二部分，它们通过一预定长度的中间部分连接；

在所述第一和第二部分的每一部分中，有多个可通过电磁波的孔；

用来将所述第一部分中的所述多个孔接至一电磁波源的装置，以便从中接收预定频率电磁波第一部分的脉冲，用以通过所述中间部分传播至所述第二部分的所述孔；

用来将所述电磁波的另一部分从所述源发送至信号处理装置的装置；

将所述第二部分中的所述孔接至所述信号处理装置的装置(Mischer)；

用来将所述电磁波的另一部分从所述信号发生器发送至所述处理装置的装置；

在所述信号处理装置中，用来在所述电磁波的所述第一和其余部分间产生差值的装置。

11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述第一和第二部分中的所述孔沿方位角相互间有位移。

12.如权利要求10所述的设备，其特征在于，使所述孔朝所述微波之所述第一部分的较佳传播方向倾斜。

13.如权利要求10所述的设备，其特征在于，用一种能透过所述电磁波的电介质覆盖装置覆盖住所述孔。

14.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述连接装置包括波导装置。

15.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述连接装置包括同轴波导装置。

16.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述连接装置包括平行波导装置。

17.如权利要求10所述的设备，其特征在于，在两个相互位移为90°方位角的孔处以相角差π/4的电磁波同时激励，从而将圆极化微波引入中间部分。

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