CN1314992A - 流体测量的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量流体的方法和装置。利用电磁辐射来测量工艺管道(102)中流动流体的浓度、流量和/或气体含量。至少其中的两个测量实质上在测量管(202)中流体的相同测量点进行。为执行前述的至少两个测量,使用一个包括电磁辐射发射器和接收器的集成测量装置(200)。
Description
本发明涉及一种测量流体的方法，该方法利用电磁辐射来测量流动液体的浓度、流量和/或气体含量。
本发明也涉及一种测量流体的装置，为了利用电磁辐射测量工艺管道中流动的液体，包括测量浓度、流量和/或气体含量的单元。
流量测量装置一般用于测量管道中流体的流量。目前有多种类型的现有技术测量装置，实质上都是以导电材料在磁场中运动产生的科里奥利力、压力差和电压这样的物理现象。另外，超声波技术已经用于实现根据相关和多普勒效应的测量装置。微波技术也已应用于根据多普勒效应的流量测量装置。还有利用金属工艺管道应用微波相关的装置，例如US 4,423,623、US 4,888,547和WO 94/17373所公开的装置。在美国专利4,423,623和4,888,547所公开的装置中，工艺管道被用作波导管，且波导管截止频率的变化作为相关信号。WO 94/17373的装置使用的是信号已经通过流动物质传播后，同一频率或至少同一频段上的信号相关。
制造高质量的纸张要求对纸浆中的水或固体含量，也就是纸浆浓度，进行精确测量和调整。如果纸浆浓度太低或太高，纸幅就不能保持均匀，制好的纸张质量就不会很理想。
目前，流体或液态物质的气体含量特别是空气含量，主要通过根据超声波和密度测量的方法和仪器来测量。在超声波测量中，穿过被测流体传输超声波，并对其衰减进行测量。超声波的衰减是流体气体含量的函数：气体含量越高，超声波的衰减越大。在造纸工业中，浓度低于2％纸浆的气体含量通常用超声波方法测量。最终产品即纸张的质量，取决于液态纸浆的质量，而液态纸浆的质量又部分取决于其气体含量。
本发明的目的是提供实现解决前述问题方法的一种方法和一种装置。这是以介绍中所描述类型的方法实现的，其特征在于至少有两个所述测量是使用一个集成测量装置实质上在流体中相同测量点进行，该测量装置包括测量电磁辐射发射和接收至少两个所述属性的单元。
本发明装置的特征是，至少两个用于发射和接收来自于测量浓度、流量和/或气体含量单元的电磁辐射的测量单元，被集成到一个测量装置当中，该测量装置连接于管道上并执行实质上在流体中同一测量点的两个所述测量。
本发明的方法和装置具有几个优点。在流程中用一个测量装置在相同测量点测量悬浊液或稀浆等流体的几个属性是可行的，这样可降低安装测量装置的费用。而且，一个测量装置需要的卷缆柱少于两个或更多个独立的测量装置。特别是混合在纸浆中的空气也影响根据浓度和流量的产量测量，因为在空气含量高的情况下，工艺管道在产量测量当中就不象假定的那样满。
下面以附图为参考，联系最佳实施例对本发明进行更为详细的描述。
图1显示的是一种现有技术测量装置，
图2显示的是本发明的一种测量装置，
图3A显示的是工艺管道中发射器和接收器的位置，
图3B显示的是工艺管道中发射器和接收器的位置，
图4显示的是发射器和接收器的位置，
图5显示的是发射器和接收器的位置。
根据本发明的装置特别适用于但并不限于造纸工业。
图1显示的是测量纸浆的一种现有技术装置。泵100驱动纸浆在管道102中流动。纸浆空气含量的测量，是从流动纸浆中取出样本，经由细管104送至利用超声波等方法运行的空气测量装置106。如果流动纸浆的最初浓度低于2％，那么空气含量可以用超声波测量。流动纸浆的浓度通常较大，因此其浓度必须降低以在样本线上进行测量。空气含量也可以用密度测量的方法来测量，这种方法在不降低浓度的情况下，从样本线上的纸浆测量流动纸浆的密度。纸浆浓度的测量是用另一个独立测量装置，即浓度测量装置108，在管道中的不同点进行的。另外，纸浆流量通过第三个测量装置即流量测量装置110进行测量，该装置与其它测量装置相分离，并由独立测量管103连接到管道102上。
本发明装置结合了不同的流体测量方法。在目前的应用中，流体是指任何可在管道中流动的液态物质，特别是悬浊液、稀浆、定相混合物(phase mixture)或纸浆。将这些测量结合起来，至少使测量信号的发射器和接收器集成到测量装置的一个单元内，反过来成为工艺管道的一部分。图2显示的是本发明的一个测量装置，包括泵100，管道102，测量管202和集成测量装置200。集成测量装置可测量流体的浓度、流量和/或气体含量。而且，将流体的温度、压力和导电性的测量集成到测量装置200中也是可行的。测量装置200可通过已知连接如RS-485连到计算机204上，这样测量装置200提供的测量结果就能自动地用数学统计等方法进行处理。计算机204从而能够对工艺管道102中流体流动状况和流量形成一个总的视图。而且，在这一数据的基础上，计算机204就能特别通过流速和浓度判断流程的产量。产量也可利用气体含量进行更精确的判断。流量V可以用速度v乘以测量管202的横截面积A来计算，即V=A*v。产量T1可以用流体浓度s乘以流量V计算，即T1=V*s。这样产量T1单位就是kg/s。最好将空气含量考虑在内，产量T1乘以固体和液体浓度(1-1)，其中1是相关的气体含量，其值在[0,...,1]范围内。因此实际产量T0是T0=T1 *(1-1)。产量T1常常非常接近于T0的值。
在该发明装置中，发射器与接收器是集成在一起的。特别是在微波技术的情况下，天线必须集成到整体中，这样就能容易地测量特别是流体的浓度和流速。天线也可用光发射器和接收器来代替。图3至图5显示的是天线的位置和形状。图3A和3B显示的是测量管202的横截面，该管以图上可见的内侧与管道102中的测量点相连。测量管202管壁安装有一个支撑结构300，它是测量装置200的一部分，包括三个天线302A-306A或302B-306B。天线302A和302B以及304A和304B最好用相关性测量测量管202中流体的流量。测量通过例如下列方式进行。天线302A向流体发射信号，位于管对边的天线302B接收已经穿过管并受到流动物质干扰的信号。与天线302A相距D的天线304A也向流体发射一个信号，位于管对边的天线304B接收已经穿过管并受到流动物质干扰的信号。为判断流速，天线302B和304B接收的信号在不同时刻相互进行比较。这些信号与流体流过天线之间的距离D所需要的测量时刻之间的时差相关性最好。计算机204或测量装置200本身通常根据公式(1)形成相关系数C(τ)如下：
C(τ)=∫x(t)·y(t-τ)dt (1)
其中x(t)是天线302的信号，y(t-τ)是天线304延迟了τ的信号。相关系数值用τ∈[t0,...,tn]的几个延迟值来计算，其中t0是最短可能延迟，tn是最长可能延迟。最短和最长可能延迟决定了可通过天线302和304之间距离D测量的最高和最低流速。测量间隔τ∈[t0,...,tn]是个别确定的。本发明装置中相关系数的计算是模拟的(例如在集成测量装置200中)或数字的(例如在计算机204中)。
天线306A或306B测量流体的浓度。特别是在悬浊液中，微波信号的传播时间、相位和衰减也取决于流体的浓度。浓度最好象气体含量那样用相同的微波天线306A和306B测量。微波测量要求根据FMCW(调频等幅波)进行调频。在FMCW技术中，振荡器的频率象雷达那样线性地扫过一个宽频带。接收器探测参考信号和接收信号之间的传播时间差，这个差值取决于浓度等因素。在所有的液体和悬浊液中，浓度通常比由泵100等引起的压差变化得慢。因此，测量的浓度可作为传播时间基础上很长一段时间内的平均值，但在不调频的情况下气体含量则在短得多的间隔内(通常小于1秒)测量，例如在基于运动时间的信号相位测量中。
图4显示的是除了图3以外的另一个装置，不同的是天线402-406位于支撑结构400表面相等的间隔上。
在图5中，天线502-506的位置与图3相似，但是测量速度的天线502和504被拉长，不再是圆形的。这种形状的优点是流体中的同一点可能经过每一天线。另一个优点是流体即使以α角度倾斜流动，相关系数的测量自动在管的方向测量流速。
在使用微波天线的本发明装置中，天线最好是陶瓷的，因为这种天线的面积可以比塑料天线做得小一些。例如，圆形天线可为φ24mm，而不是现有技术装置的φ85mm。
在本发明装置中，所进行的测量也可采取光学测量的形式，作为微波测量的补充或替代。在光学测量中，图3A和3B中的天线302A-306A以及302B-306B(也对应图4与图5中的天线)以光发射器和接收器代替。在这种情况下，发射器可以是任何光源，例如电灯、LED(发光二极管)或激光器。反之，接收器可以是任何光辐射探测器，例如PIN二极管或雪崩二极管。因为实际光源发射器和接收器不能直接与流体相接触，图3A和3B中的天线302A-306A以及302B-306B(也对应图4与图5中的天线)可以用光纤或光纤束代替。
尽管对本发明的上述描述是根据附图参照示例进行，很明显本发明并不限于此，它可在附加权利要求所公开的发明思想范围内以各种方式加以修改。
Claims (19)
1．一种测量流体的方法，其中流体的浓度、流量和/或气体含量是用电磁辐射的方法测量的，其特征是至少两个所述测量是使用一个集成测量装置(200)实质上在流体中的同一测量点进行的，该测量装置包括测量电磁辐射发射和接收至少两个所述属性的单元(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)。
2．一种根据权利要求1的方法，其特征是至少其中的一些测量是通过微波技术进行的，在这种情况下，测量单元(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)是微波天线。
3．一种根据权利要求2的方法，其特征是微波天线是陶瓷的。
4．一种根据权利要求3的方法，其特征是微波天线的直径小于80mm。
5．一种根据权利要求1的方法，其特征是至少其中的一些测量是光学测量。
6．一种根据权利要求1的方法，其特征是通过至少测量浓度和流量来计算流程的产量。
7．一种根据权利要求6的方法，其特征是通过测量浓度、流量和气体含量来计算流程的产量。
8．一种根据权利要求1的方法，其特征是流体为纸浆。
9．一种测量流体的装置，包括为了以电磁辐射方式测量工艺管道(102)中流动的流体，而测量其浓度、流量和/或气体含量的单元，其特征是至少两个用于发射和接收来自单元(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)的电磁波来测量浓度、流量和/或气体含量的测量单元(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)，被集成到一个测量装置(200)中，该装置连接到管道102上，并用于执行实质上在流体中同一测量点进行的至少两个所述测量。
10．一种根据权利要求9的测量装置，其特征是该测量装置至少部分利用微波技术运行，在这种情况下的测量单元(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)是微波天线。
11．一种根据权利要求9的测量装置，其特征是该测量装置至少部分利用光学技术运行。
12．一种根据权利要求9的测量装置，其特征是为了基本在同一测量点上执行至少两个所述测量，测量装置(200)连接在与工艺管道(102)相连的测量管(202)上。
13．一种根据权利要求9的测量装置，其特征是该测量装置用于通过至少对浓度和流量的测量来测量流程产量。
14．一种根据权利要求9的测量装置，其特征是该测量装置用于通过对浓度、流量和气体含量的测量来测量流程产量。
15．一种根据权利要求10的测量装置，其特征是该测量装置用于测量管道102中流动流体，并且基于微波技术的测量装置(200)包括测量单元(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)微波天线，这些微波天线集成到与管道(102)相连的一个支撑结构(300,400,500)上。
16．一种根据权利要求15的测量装置，其特征是微波天线(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)的直径最大为80mm。
17．一种根据权利要求10的测量装置，其特征是当测量应用微波技术且测量管(202)以金属制成时，集成有微波天线(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)的支撑结构(300,400,500)扩展至测量管(202)的内表面。
18．一种根据权利要求10的测量装置，其特征是当测量应用微波技术时，天线(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)是陶瓷的。
19．根据权利要求10的测量装置，其特征是当测量应用微波技术时，至少有两个测量流量的天线(302A、302B、304A、304B、402、404、502、504)，天线(302A、302B、304A、304B、402、404、502、504)位于预定相互距离的位置上，天线(302A、302B、304A、304B、402、404、502、504)是加长的槽式天线。
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