CN115479957A

CN115479957A - 一种基于微波谐振腔传感器的气固两相流固相浓度测量系统及方法

Info

Publication number: CN115479957A
Application number: CN202210992126.6A
Authority: CN
Inventors: 王大阳; 孙久翔; 刘潇潇; 朱增妍; 王玉涛; 杨钢; 陆增喜
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2022-08-17
Filing date: 2022-08-17
Publication date: 2022-12-16

Abstract

本发明一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统，包括用于产生微波扫频信号及对电磁波进行测试的微波测量模块和微波谐振腔传感器；所述微波谐振腔传感器包括包裹在有气固两相流流过的测试管道外部的微波谐振腔及用于对所述微波测量模块产生微波扫频信号馈电至所述微波谐振腔的第一环状天线；所述第一环状天线同时将所述微波谐振腔内反射回来的微波信号传送给所述微波测量模块，所述微波测量模块对输出电磁波进行测试，得到扫频范围内的S11参数。本发明的测量系统基于微波法，具有灵敏度高，检测场均匀，响应速度快，性能稳定，无放射性等一系列优点；本发明为非接触式测量，防止了固相对传感器的磨损及传感器对流场的干扰。

Description

一种基于微波谐振腔传感器的气固两相流固相浓度测量系统及方法

技术领域

本发明属于固相浓度测量领域，涉及一种基于微波谐振腔传感器的气固两相流固相浓度测量系统及方法。

背景技术

气固两相流广泛存在于如冶金及电力等行业的固体煤粉燃料气力输送过程中。实时动态的监测其流动参数是提高煤粉燃烧利用率，提高经济效益及减少环境污染的重要保证。在煤粉燃料的输送过程中，气固两相流在管道内的相分布极不均匀，且固相的水分含量也是一个易变化的未知量，这些都给气固两相流固相浓度的在线测量带来了挑战。射线法，声学法，光学法，静电法，电容法及微波法等已经被研究用于测量固相浓度。射线法在应用过程中需要考虑使用时的安全防护问题。声学法在应用时容易受如温度及介质密度等对声波传播的影响，且固相的非均匀分布会对测量产生影响。光学法具有相对较高的应用成本，且需防止光学器件被污染。静电法及电容法等具有成本低，响应速度快，性能稳定及易于实现等优点，但固相分布的非均匀性及水分含量的变化均会给固相浓度的测量带来影响。关于微波法在固相浓度测量方面的研究并不多，且主要集中在微波多普勒法及微波透射法，而将微波谐振腔法应用于气固两相流固相浓度测量的研究十分的欠缺。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供本发明采用的技术方案是：一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统，包括用于产生微波扫频信号及对电磁波进行测试的微波测量模块和微波谐振腔传感器；所述微波谐振腔传感器包括包裹在有气固两相流流过的测试管道外部的微波谐振腔；及用于对所述微波测量模块产生微波扫频信号馈电至所述微波谐振腔的第一环状天线；

所述第一环状天线同时将所述微波谐振腔内反射回来的微波信号传送给所述微波测量模块，所述微波测量模块对输出电磁波进行测试，得到扫频范围内的S11参数。

进一步地：所述微波测量模块采用矢量网络分析仪。

进一步地：所述微波谐振腔传感器采用圆柱形微波谐振腔传感器。

进一步地：所述圆柱形微波谐振腔传感器的直径CR＝63mm，微波谐振腔传感器的高度CH＝74mm，微波谐振腔传感器工作在TM010模式。

进一步地：所述第一环状天线的环的半径LR＝9mm，环状天线中心距谐振腔底部的距离LS＝8.5mm。

进一步地：所述微波谐振腔传感器还包括与微波谐振腔两端分别连接、包裹在所述测试管道外部的第一谐振腔体延伸部和第二谐振腔体延伸部。

一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统的测量方法，采用下列公式实现水分含量变化的条件下的固相浓度φ的准确测量；

φ＝f(f_N) (2)

其中：f_r为测量的谐振频率，f_N为归一化谐振频率，f_re为所述测量系统测试管道内为空气时候的谐振频率，f_rs为所述测量系统测量的管道内充满被测固相时候的谐振频率，谐振频率f_r与腔内的混合介电常数ε_m有关。而混合介电常数由流体的固相浓度与固相及气相的介电常数决定，因此谐振频率与固相的浓度信息φ和固相及气相的介电常数有关，即受固相水分含量变化的影响。通过定义归一化谐振频率，使计算的归一化谐振频率f_N只与固相的浓度φ有关，因此通过计算归一化谐振频率，就可以实现水分含量变化的条件下的固相浓度φ的准确测量。

本发明提供的一种基于微波谐振腔传感器的气固两相流固相浓度测量系统及测量方法，基于管径大小优化构建微波谐振腔传感器，搭建微波谐振腔传感器测量系统，将微波谐振腔传感器安装在管道上，通过谐振频率的移动测量混合介电常数的变化。定义归一化谐振频率并建立其与固相浓度的关系，使归一化谐振频率与固相浓度的关系不受水分含量的影响，实现水分含量变化的条件下的固相浓度的准确测量。微波谐振腔传感器通过对工作模式的选择和尺寸的优化确定，可以获得高灵敏且均匀的检测场，使微波谐振腔传感器对固相浓度具有很高的分辨率，且传感器输出几乎不受固相的分均匀分布的影响。发展用于气固两相流的微波谐振腔传感器，将为气固两相流固相浓度的准确测量提供新的有效方法与途径。具有以下优点：

(1)本发明的测量系统基于微波法，具有灵敏度高，检测场均匀，响应速度快，性能稳定，无放射性等一系列优点；

(2)本发明为非接触式测量，微波谐振腔传感器与气固两相流不直接接触，防止了固相对传感器的磨损及传感器对流场的干扰；

(3)本发明的可消除固相水分含量影响的固相浓度测量方法可以不受固相非均匀分布的影响，通过计算归一化谐振频率，可实现水分含量变化的条件下的固相浓度的准确测量。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为微波谐振腔传感器测量系统结构图；

图2为微波谐振腔传感器结构图；

图3为水分含量为0％时，微波谐振腔传感器的S11(dB)对不同固相浓度的响应关系图；

图4为水分含量为0％时，圆柱形固相分布在管道中心处，左侧及右侧时，微波谐振腔传感器的谐振频率与固相浓度的关系图；

图5为水分含量为0％，2％和4％时，微波谐振腔传感器的谐振频率与固相浓度的关系图；

图6水分含量为0％，2％和4％时，微波谐振腔传感器的归一化谐振频率与固相浓度的关系图；

图7为不同水分含量下微波谐振腔传感器的固相浓度测量结果图。

附图标记：1、微波谐振腔；2、第一环状天线；3、第一谐振腔体延伸部；4、测试管道；5、微波测量模块；6、谐振频率输出；7、第二环状天线；8、第二谐振腔体延伸部；9、微波谐振腔传感器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

图1为微波谐振腔传感器测量系统结构图

一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统，包括微波谐振腔传感器9和微波测量模块5；

所述微波测量模块5用于产生微波扫频信号及对电磁波进行测试；

所述微波谐振腔传感器9包括包裹有气固两相流流过的测试管道4外部的微波谐振腔1和第一环状天线2；

当微波谐振腔1内的介质介电常数发生变化时，微波谐振腔1的谐振频率发生变化，由于气固两相的介电常数的不同，因此气固两相混合介电常数与固相浓度及气固两相介电常数有关，因此通过测量谐振腔的谐振频率的变化，结合气固两相的介电常数，可实现固相浓度的测量。微波谐振腔传感器具有均匀的检测场，可消除固相非均匀分布对测量的影响。

所述第一环状天线2用于将所述微波测量模块产生微波扫频信号馈电至所述微波谐振腔1；

所述第一环状天线同时将所述微波谐振腔内反射回来的微波信号传送给所述微波测量模块，所述微波测量模块5对输出电磁波进行测试，得到扫频范围内的S11参数。

扫频范围内的S11(dB)参数的值的最小值对应的频率为谐振频率。

所述S11参数指的是：S11是S参数中的一个,表示回波损耗特性；

所述微波谐振腔传感器9还包括备用的第二环状天线7；所述第二环状天线7与所述第一环状天线2作用相同；

所述微波测量模块5用于发射微波扫频信号及对所述微波谐振腔传感器9输出的电磁波进行测试，。

所述微波测量模块5采用矢量网络分析仪，最终输出扫频范围内的S11(dB)的测量曲线，谐振频率输出6即为矢量网络分析仪的输出。

所述微波谐振腔传感器9采用圆柱形微波谐振腔传感器，圆柱形微波谐振腔传感器如图2所示，所述圆柱形微波谐振腔传感器的直径CR＝63mm，微波谐振腔传感器9的高度CH＝74mm，微波谐振腔传感器9工作在TM010模式。

所述微波谐振腔1两端开口后安装在测试管道4上，

所述微波谐振腔传感器9还包括与微波谐振腔1两端分别连接、包裹在所述测试管道4外部的第一谐振腔体延长部3和第二谐振腔体延长部8，用于减少电磁泄露。

此时微波谐振腔传感器9具有灵敏且均匀的检测场，对浓度变化有很高的分辨率，且传感器输出几乎不受固相的非均匀分布的影响。微波测量模块5基于矢量网络分析仪来实现。

所述第二环状天线7与所述所述第一环状天线2的形状相同，所述第一环状天线2的环的半径LR＝9mm，环状天线中心距微波谐振腔底部1的距离LS＝8.5mm。

当气固两相流流过测试管道时，其中固相的体积占比定义为浓度信息。气固两相流整体表现出的混合介电常数与固相浓度及气相和固相的介电常数有关。微波扫频信号通过第一环状馈电天线5馈电至微波谐振腔内，电磁波在谐振频率点处发生谐振，谐振频率fr与腔内的混合介电常数ε_m有关。若固相的介电常数为已知的定值的时候，可以直接通过获得的谐振频率得到固相浓度。而当固相浓度一定的时候，固相的水分含量m变化也会影响混合介电常数，因此无法通过直接通过获得的谐振频率得到固相浓度。

固相水分含量变化时会改变固相的介电常数，因此谐振频率与固相的浓度信息φ和水分含量信息m有关，因此，谐振频率与固相浓度的关系会受到水分含量变化的影响，无法实现固相浓度测量。

固相水分含量的变化会改变固相的介电常数，进而改变混合介电常数，因此无法通过直接通过获得的谐振频率得到固相浓度。本专利定义了归一化谐振频率，使归一化谐振频率与固相浓度的关系不受水分含量的影响，实现水分含量变化的条件下的固相浓度的准确测量。

采用下列公式实现水分含量变化的条件下的固相浓度的准确测量；

φ＝f(f_N) (2)

其中：f_r为测量的谐振频率，f_N为归一化谐振频率，f_re为所述测量系统测试管道内为空气时候的谐振频率，f_rs为所述测量系统测量的管道内充满被测固相时候的谐振频率，谐振频率f_r与腔内的混合介电常数ε_m有关。而混合介电常数由流体的固相浓度与固相及气相的介电常数决定，因此谐振频率与固相的浓度信息φ和固相及气相的介电常数有关，即受固相水分含量变化的影响。

通过定义归一化谐振频率，使计算的归一化谐振频率f_N只与固相的浓度φ有关，归一化谐振频率f_N与固相浓度φ的关系f不受水分含量的影响，因此通过计算归一化谐振频率，就可实现水分含量变化的条件下的固相浓度的准确测量。

实验验证及结果：

实验的介质为聚氯乙烯(PVC)颗粒，通过将PVC颗粒填充入不同内径d的塑料薄壁筒内，来模拟具有不同浓度的气固绳状流。为了得到不同水分含量m的气固绳状流，通过电子秤称取质量为N的水和质量为M的PVC颗粒，将水均匀的喷洒在PVC颗粒上并进行充分的搅拌，则固相水分含量m为N/(M+N)。将填充了不同水分含量PVC颗粒的不同直径的塑料薄壁筒从管道中心，管道中心的左侧及管道中心的右侧放入传感器测试管道，研究微波谐振腔传感器的S₁₁(dB)及谐振频率与固相浓度，水分含量及放置位置的关系。

图3为水分含量m＝0％，不同内径d(即不同固相浓度)时，微波谐振腔传感器的S₁₁(dB)曲线图。可以看到，随着固相浓度的增加，S₁₁(dB)曲线的谐振频率在变小。谐振频率对固相浓度具有较高且较为恒定的分辨率。

图4为水分含量m＝0％，不同固相浓度且固相放置位置不同时，微波谐振腔传感器的谐振频率的变化。可以看到，随着固相浓度的增加，谐振频率在变小，谐振频率对固相浓度具有较高且较为恒定的分辨率。相同固相浓度下，固相不同位置分布对谐振频率几乎没有影响，表明微波谐振腔传感器具有均匀的检测场，输出的谐振频率几乎不受固相的非均匀分布影响。

图5为水分含量m＝0％，m＝2％及m＝4％时，不同固相浓度时，微波谐振腔传感器的谐振频率的变化。可以看到，随着固相浓度的增加，谐振频率在变小，谐振频率对固相浓度具有较高且较为恒定的分辨率。

但固相浓度与谐振频率的关系受水分含量变化的影响。图6为不同水分含量下，计算得到的归一化谐振频率与固相浓度的关系，可以看到，通过计算归一化谐振频率，消除了水分含量的影响，因此可以基于图6建立归一化谐振频率与固相浓度的关系f。

最后，以水分含量为0％，2％和4％的绳状流为例来验证该方法的有效性。首先在上述水分含量下进行实验测量，获取微波谐振腔传感器归一化谐振频率。将获取的归一化谐振频率代入到归一化谐振频率与固相浓度的关系中进行固相浓度的预测，引入绝对平均相对误差(AAPE)来评估预测结果。图7为不同水分含量下微波谐振腔传感器的固相浓度预测结果，可以看到，通过使用该方法，可以在水分含量变化的条件下实现固相浓度的准确测量。

以上所述，为本发明较佳的实施方案，但本发明保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统，其特征在于：包括

用于产生微波扫频信号及对电磁波进行测试的微波测量模块和微波谐振腔传感器；

所述微波谐振腔传感器包括包裹在有气固两相流流过的测试管道外部的微波谐振腔；

及用于对所述微波测量模块产生微波扫频信号馈电至所述微波谐振腔的第一环状天线；

2.根据权利要求1所述的一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统，其特征在于：所述微波测量模块采用矢量网络分析仪。

3.根据权利要求1所述的一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统，其特征在于：所述微波谐振腔传感器采用圆柱形微波谐振腔传感器。

4.根据权利要求1所述的一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统，其特征在于：所述圆柱形微波谐振腔传感器的直径CR＝63mm，微波谐振腔传感器的高度CH＝74mm，微波谐振腔传感器工作在TM010模式。

5.根据权利要求1所述的一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统，其特征在于：所述第一环状天线的环的半径LR＝9mm，环状天线中心距谐振腔底部的距离LS＝8.5mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统，其特征在于：所述微波谐振腔传感器还包括与微波谐振腔两端分别连接、包裹在所述测试管道外部的第一谐振腔体延伸部和第二谐振腔体延伸部。

7.根据权利要求1所述的一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统的测量方法，其特征在于：采用下列公式实现水分含量变化的条件下的固相浓度φ的准确测量；

φ＝f(f_N) (2)