JP2005513499A - ２相フローの含有量を計測するためのマイクロ波測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、有利には導波管基本波を用いて、小さなおよび微小な固体粒子および／または液体粒子を含むガス状の担体に関する２相フローの含有量を計測するための、ならびに液体フロー内に含まれるガスを計測するためのマイクロ波測定装置に関する。
【解決手段】 この発明の有利な利用分野は、圧搾空気による大容量固体輸送システムでのガスフローにおける固体粒子の含有量を計測することであり、それは、例えば石炭火力発電所における石炭粉燃焼設備で使用されるものである。この発明によるマイクロ波測定装置は、マイクロ波の送信アンテナと受信アンテナとで構成される測定区間の前後に、輸送管の内部に突き出た電磁場棒を配置し、これらの電磁場棒が、導電性の材料から構成される輸送管と一緒に機能して、送信アンテナによって輸送管に入射結合されたマイクロ波に対して、共振器として動作することを特徴とする。こうすることによって、入射結合されたマイクロ波に対して、測定区間外での回折、干渉および／または反射により、その偏波面および／または位相が変化したマイクロ波が、十分に短絡されて、それにより測定結果への妨害が回避されるということが実現されるものである。この発明による解決法の有利な点は、測定装置の簡単な構造と、大容量で分岐を持った輸送管システムにおいても、それを問題無く取り付けられることにある。

Description

この発明は、小さいおよび微細な固体粒子および／または液体粒子を含むガス状の担体における２相フローの含有量を計測するための、ならびに液体フローに含まれるガスを計測するためのマイクロ波測定装置に関する。この発明の有利な利用分野は、圧搾空気による大容量固体輸送システムでのガスフローにおける固体粒子の含有量を計測することであり、それは、例えば石炭火力発電所における石炭粉燃焼設備で使用されものである。

ガス状の担体に関する２相フローにおける粒子の含有量ならびに液体フローに含まれるガス成分をマイクロ波を用いて計測することは知られている。そのために、周知の大部分の解決法では、一定の周波数のマイクロ波を、測定区間として準備した輸送管部分に入力結合させて、この測定区間の端部において、このマイクロ波の振幅と位相の変化を記録するものである。この場合、有利には、評価を不必要に複雑化させないために、または妨害を防止するために、導波管の基本波で動作させている。

測定原理の物理的な背景は、担体ガスにおける固体および／または液体の含有量の変化または液体フローにおけるガス成分の変化が、輸送管内における複素誘電率の変化をもたらし、マイクロ波が、この誘電率に従って、減衰および位相のずれを受けるという事実である。すなわち、特許文献１には、特に石炭火力発電所のボイラーで石炭粉の燃焼を制御するための、ガスフローにおける固体粒子の含有量を検出するための解決法が記載されており、そこでは、含有ガスフローを通す測定区間に沿っての電磁波の減衰から、ガスフローでの固体含有量を計測している。同様な方法で、特許文献２に記載されているとおり、粒子を含有する排気ガスを通り抜ける間のマイクロ波の減衰により、排気ガスの粒子含有量が計測される。特許文献３には、測定区間に沿ったマイクロ波の減衰と位相のずれを評価することにより、油と水の混合物における油または水の含有量、あるいはその速度を計測する解決法が記載されている。

前述した解決法は、反射したマイクロ波による干渉により、または輸送管システムの幾何学的変化のために、重大な問題を抱えており、特に含有量が少ない場合、マイクロ波の減衰は小さく、輸送管内のマイクロ波が、導波管内におけるように、広い区間に渡って伝わり、狭まった部分、分岐部分、湾曲部または端部で、反射および／または回折するほどである。それは、入射波と反射波が干渉を起こして、そのため殆ど評価できない測定結果または評価における著しい歪曲に結びつくものである。

このような妨害効果を防止するために、幾何学的に決まったマイクロ波共振器を使用する解決法が開発されている。すなわち、例えば特許文献４には、輸送管を通して運ぶ間に、粉末とガスの混合物における粉末の質量の流れを測定する相応の装置が記載されている。この解決法の場合、マイクロ波共振器は、空洞共振器として、外側から輸送管に取り付けられるか、または輸送管を取り囲んでいる。外側から輸送管に取り付けられた空洞共振器の場合、測定は、粉末とガスの混合物の一部のフローに対してのみ行われる。大容量の輸送管の場合に大抵見られるように、粉末とガスの混合物における粒子含有量が輸送管の横断面に渡って異なるということが起こる場合、一連の増大した粒子密度で部分的に計算しなければならず、外側から輸送管に取り付けられた空洞共振器を用いて得られた測定結果は、大きな誤りを抱えている可能性がある。輸送管を取り囲む形の空洞共振器では、そのような測定誤りは、排除される。もっとも、そのような共振器は、測定管自体に干渉を与える可能性のある構造上の大きな負担に結び付き、大容量の輸送管の場合、実際には大抵場所の理由からもはや実現可能ではない。また、そのため、前述した解決法は、例えば粉末コーティング装置のような、比較的小さい輸送管横断面のみを持つ利用分野に限定される。

特許文献５には、特許文献４に記載された解決法を更に改良したものとして、比較的小さい構造上の負担を特徴とするマイクロ波共振器が記載されている。この共振器は、基本的に、導電性でない輸送管部分を取り囲む円筒形のコイルから構成され、このコイルは、その外側を導電性の円筒で遮蔽されている（螺旋共振器）。このコイルは、（マイクロ波帯域の）高周波交流電圧により共振される。周知の方法で、共振周波数のずれを評価することにより、粉末の質量の流れが計測される。非導電性材料から成る輸送管部分を実現しなければならず、相当の構造規模とそれと関連した低い共振周波数により、コイルと導電性の遮蔽部から構成される螺旋共振器も、大きな構造規模を有することとなるので、この解決法も、通常導電性材料（金属）から構成される大容量の輸送管には利用できないか、あるいは構造上の大きな負担に結び付くものである。特許文献６には、輸送管路で運ばれるガス、油、水の混合物の成分を計測するために、複素誘電率の大きな変化を測定することを可能とする解決法が記載されている。そのために、輸送管路内には、段階的に直径が小さく移行して行く管路部分が互いに順番に配置されている。この管路部分には、測定電極が配置されており、それを用いて、管路部分の直径が小さくなるのに対応して、入射結合されたマイクロ波の異なる遮断周波数と、そのために異なる周波数帯域を、測定技術的に評価することができるものである。この管路部分は、導電性の棒によって支持されており、この棒は、各管路部分の外壁から輸送管路の内壁まで放射線状に延びている。そこに記載された導電性の棒の構造によって、入射結合されたマイクロ波が、輸送管路の内壁と管路部分の外壁との間の空間を通ることができないということが実現される。この解決法は、比較的大きな測定帯域を特徴としている。しかし、実現可能な測定精度は、例えば、石炭火力発電所の石炭粉燃焼設備で利用される場合のように、圧搾空気による大容量固体輸送システムで、ガスフローにおける固体粒子含有量を計測するためには十分ではない。その上に、このような管路部分を輸送管路に所要のとおり形成するには、費用がかかり、輸送管路内のフロー状況が大きく影響を受けることとなる。
ドイツ特許公開第４４２６２８０号明細書 ドイツ特許第３３１７２１５号明細書 国際特許公開第９１／０５２４３号明細書 欧州特許公開第０６６９５２２号明細書 ドイツ特許第１９６５０１１２号明細書 米国特許第５，３５１，５２１号明細書

この発明の課題は、小さいおよび微細な固体粒子および／または液体粒子を含むガス状の担体における２相フローの含有量を計測するための、ならびに液体フローに含まれるガスを計測するためのマイクロ波測定装置を実現することであり、その装置は、高精度で安価に実現されるとともに、広範な利用分野を有し、特に大容量の輸送管で含有量が少ない場合または含有量の違いが小さい場合における利用に対しても好適なものである。それに加えて、比較的簡単な構造を有し、既存の輸送管または輸送管システムに容易に統合されるとともに、常に輸送管のフロー断面全体を測定に含むマイクロ波測定装置を開発するとの課題がある。

小さいおよび微細な固体粒子および／または液体粒子を含むガス状の担体における２相フローの含有量を計測するための、ならびに液体フローに含まれるガスを計測するためのマイクロ波測定装置に関する、この課題は、この発明にもとづき、導電性材料から構成される輸送管部分において、その縦方向に対して、周知の方法で輸送管にマイクロ波を入射結合させるための送信アンテナと、測定区間に沿って変化したマイクロ波の周波数、振幅および／または位相を受信するための受信アンテナとにより構成された測定区間の前後に、それぞれ一つの導電性の棒（以下において、電磁場棒[Feldstab]と呼ぶ）を取り付けて、これらの電磁場棒により境界を定められる輸送管部分が、電磁場棒とともに、入射結合されたマイクロ波に対して、共振器として動作することによって解決される。これらの電磁場棒の間隔が、そしてそれにより電磁場棒により境界を定められる輸送管部分が、この共振器の共振周波数を決めることとなる。

電磁場棒は、凡そ入射結合されるマイクロ波の偏波面内に存在するとともに、凡そ導電性の輸送管部分の各横断面内に存在して、同じ向きか、あるいは反対の向きに配置される。この場合、電磁場棒は、それらが半径方向に対して凡そ横断面の中心点を指すか、あるいはこれと交差する形で配置される。電磁場棒は、その長さに関して、それが少なくとも横断面の中心点にまで到達するような、有利には横断面の２／３以上にまで延びるような大きさを有する。

この発明の機能に関して、電磁棒とともにマイクロ波共振器として動作する輸送管部分は、円形の横断面を有する必要はない。輸送管部分の横断面は、同様に良好には、楕円形、正方形、長方形または多角形とすることができる。この場合、むしろ「平均的な直径」と称する場合、輸送管の二つの対向する壁面部材の平均的な間隔を意味するものとする。

有利には、測定結果の一意性および達成可能な測定精度に関して、入射結合させるマイクロ波は、その波長が導波管の基本波と一致する。

誘電率の変化を計測するために、そしてそれによって含有量を検出するために、有利には導波管の基本波を利用することを出発点として、送信アンテナと受信アンテナ間に存在する測定区間を、その長さに関して、輸送管部分の平均的な直径の０．８から３倍、有利には１．５倍に一致するような大きさとする。この場合、電磁場棒は、それぞれ輸送管の縦方向に対して、送信アンテナの前と受信アンテナの後に、これらと一線に並ぶ形で、凡そ輸送管部分の平均的な直径に一致する間隔を空けて配置される。そこで、電磁場棒と導電性の輸送管部分とで構成される電気系は、この導波管基本波に対して、共振器として動作するものである。

輸送管の内部において、測定区間外での反射、回折および干渉によって、その偏波面および／または位相位置を変化させた、測定結果を歪曲するように作用する可能性があるマイクロ波は、電磁場棒で十分に短絡される。

その電磁界の強さが電磁場棒の位置ではゼロであるマイクロ波は、この電磁場棒の作用から除外される。このようなマイクロ波が、入射結合されたマイクロ波に対して共振器として機能する、測定区間を含む輸送管の部分に侵入して、測定結果を歪曲するように作用するのを防止するために、電磁場棒によって境界を定められる輸送管部分の前後に、補助電磁場棒を配置するのは、目的に適ったことである。これらの補助電磁場棒は、電磁場棒と同じ方向か、あるいは反対方向に向けて、すなわち同じく入射結合されたマイクロ波の偏波面内に存在する形で配置される。それらの電磁場棒との間隔は、そのため電磁場棒と輸送管部分とで構成される、入射結合されたマイクロ波に対する電気共振器との間隔は、電磁界の強さが電磁場棒の位置でゼロとなるマイクロ波が、共振器の外で短絡されるような大きさにされる。このことから、そのためには共振器の共振周波数の２倍または３倍の周波数を持つマイクロ波が十分に短絡されることとなるので、共振器の共振周波数の波長の約１／８に一致する間隔が、目的に適っている。補助電磁場棒の長さは、電磁場棒の長さと一致する。

含有量を計測するために、導波管の基本波を有利に使用する場合、補助電磁場棒は、電磁場棒に対して、輸送管部分の平均的な直径の約７／８の間隔を空けて配置される。

更に、特に輸送管の横断面が対照的（円、正方形、六角形）である場合、電磁場棒に対して、そのため入射結合されたマイクロ波の偏波面に対して、横断面内で約９０°回転させた補助電磁場棒を、測定区間内のほぼ中央に配置するのが有利である。こうすることによって、入射結合されたマイクロ波の偏波面に垂直な方向に対する測定区間の導波管特性を、偏波面において入射結合されたマイクロ波に対して９０°回転したマイクロ波が、共振器の共振周波数帯域内で共振効果を起こさないように変えることができる。

この発明の機能に関して、輸送管部分が、その縦軸に対して真直ぐに延びる必要はない。輸送管部分が、その縦軸に対して湾曲または屈曲を有する場合にも、この発明によるマイクロ波測定装置の機能は実現される。

特に、輸送管横断面が非常に大きい場合に、複数の電磁場棒を、各横断面内に存在する形で、また場合によっては互いに格子状に存在する形で配置することも考えられ、それは、この発明の一部でもある。一つの横断面内に複数の電磁場棒を配置する場合、これらが、半径方向に対して横断面の中心点を向くか、あるいはこの中心点と交差する必要はない。しかし、この場合にも、電磁場棒は、凡そ入射結合されたマイクロ波の偏波面内に存在することが求められる。

この発明による測定装置の特別な利点は、その比較的簡単で、そのため安価な構造にあり、その構造は、ほぼ任意の大きさの輸送管に測定装置を適合させることを可能とするものである。その他に、この発明による測定装置は、空間的な状況が複雑な場合でも、問題無く既存の輸送管系統に統合することができる。この発明による測定装置で、従来のマイクロ波測定方法を用いて実現した測定結果は、出願人に対しても、驚くほど高い精度を持つものである。

以下において、実施例にもとづき、この発明によるマイクロ波測定装置をより詳しく説明する。付属する図面は、この発明によるマイクロ波測定装置を有する輸送管部分を模式的に表している。

図面では、石炭火力発電所の石炭粉燃焼設備で利用されるような、石炭粉を圧搾空気で輸送するための輸送管１の部分を部分的に描いている。輸送管１は、耐腐食性の鋼鉄で構成されている。それは、凡そ直径Ｄ＝２００ｍｍの円形の横断面を有する。外側から輸送管１の内部に突き出る形で、輸送管１の縦方向に対して、３００ｍｍの間隔を空けて順番に、送信アンテナ２と受信アンテナ３が取り付けられており、それらは、測定区間Ｓを形成する。送信アンテナ２によって、８４０ＭＨｚと８６０ＭＨｚの間の周波数を持つマイクロ波が入力結合される。このマイクロ波は、輸送管１の導波管基本波と一致する。輸送管１の縦方向に対して送信アンテナ２の前と受信アンテナ３の後に、そして半径方向に対して輸送管１の内部に突き出るとともに、入射結合されたマイクロ波の偏波面内に存在する形で、電磁場棒４と５が配置されている。これらの電磁場棒４，５は、７００ｍｍの相互の間隔Ｆ_a と、送信アンテナ２と受信アンテナ３に対して、それぞれ２００ｍｍの間隔Ａ，Ｂを有する。これらは、輸送管１の縦方向において、送信アンテナと受信アンテナ２，３に対して一直線に並んで配置されている。これらは、１４０ｍｍの長さを持つ。これらの電磁場棒４，５は、直径４ｍｍの耐磨耗性の丸い鋼鉄から構成されている。前述したように、輸送管１の部分に電磁場棒４，５を配置することにより形成されたシステムは、導波管基本波のマイクロ波に対して、共振器として動作する。こうすることよって、送信アンテナ２から輸送管内に入射結合されて、測定区間Ｓの外で、回折、反射および／または干渉により偏波面および／または位相位置の変化を受けたマイクロ波は、短絡される、すなわち受信アンテナ３には到達せず、測定結果に影響を与えることができないということが実現される。その電磁界の強さが電磁場棒の位置でゼロとなる、反射された、または干渉したマイクロ波は、前述した測定構成では短絡されず、測定結果の歪曲に繋がる可能性がある。

これを回避するために、電磁場棒４，５で境界を定められる輸送管部分１の前後に、同じく半径方向に対して、輸送管の内部に突き出た形の補助電磁場棒６，７を配置している。これらの補助電磁場棒６，７は、同じく入射結合されるマイクロ波の偏波面内にある。これらの補助電磁場棒６，７は、輸送管の縦方向において、電磁場棒４，５に対して、１７５ｍｍの間隔Ｆ_b ，Ｆ_c を空けて配置されている。その長さは、電磁場棒４，５の長さと同様に、１４０ｍｍである。

更に、横断面内において、そのため入射結合されたマイクロ波の偏波面内において、電磁場棒に対して約９０°回転した形の補助電磁場棒８が、縦方向に対して、測定区間５内のほぼ中央に配置されている。この補助電磁場棒８は、偏波面内において、入射結合されたマイクロ波に対して９０°回転した反射マイクロ波の、電磁場棒４，５と輸送管部分１とによって形成される共振器内における共振効果を防止するものである。

この発明によるマイクロ波測定装置を有する輸送管部分の模式図

符号の説明

１ 輸送管
２ 送信アンテナ
３ 受信アンテナ
４，５ 電磁場棒
６，７，８ 補助電磁場棒
Ａ 送信アンテナ２と電磁場棒４との間隔
Ｂ 受信アンテナ３と電磁場棒５との間隔
Ｄ 輸送管１の直径
Ｓ 測定区間
Ｆ_a 電磁場棒４と５の間隔
Ｆ_b 電磁場棒４と補助電磁場棒６との間隔
Ｆ_c 電磁場棒５と補助電磁場棒７との間隔

Claims (13)

1. 小さなおよび微小な固体粒子および／または液体粒子を含むガス状の担体に関する２相フローの含有量を計測するための、ならびに液体フロー内に含まれるガスを計測するためのマイクロ波測定装置であって、送信アンテナと受信アンテナとを有し、これらのアンテナが、この２相混合物を運ぶ、導電性の材料から成る輸送管部分の縦方向に対して、互いに間隔を空けて、測定区間を構成する形で配置されているマイクロ波測定装置において、 電磁場棒（４，５）が、この縦方向に対して、送信アンテナと受信アンテナ（２，３）との間に存在する測定区間（Ｓ）の前後に、これらのアンテナと一直線に並ぶ形で、導電性の材料から成る輸送管（１）の内部に突き出ており、これらの電磁場棒（４，５）と、輸送管（１）の縦方向に対して、これらの電磁場棒の間に存在する、導電性材料から成る輸送管部分（Ｆ_a ）とが、入力結合されるマイクロ波に対して、共振器として動作することを特徴とするマイクロ波測定装置。
2. 電磁場棒（４，５）は、凡そ輸送管部分（Ｆ_a ）の横断面内にあり、かつ同じ方向か、あるいは反対方向を向いていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波測定装置。
3. 電磁場棒（４，５）は、半径方向に対して、ほぼ輸送管部分（Ｆ_a ）の横断面の中心点を指す形で、またはこの中心点と交差する形で配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ波測定装置。
4. 輸送管（１）の内部に突き出た電磁場棒（４，５）は、輸送管部分（Ｆ_a ）の横断面の少なくとも半分にまで、有利には２／３以上にまで延びていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載のマイクロ波測定装置。
5. 電磁場棒（４，５）によって境界を定められた輸送管部分（Ｆ_a ）の前後に、補助電磁場棒（６，７）が配置されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載のマイクロ波測定装置。
6. 補助電磁場棒（６，７）は、電磁場棒（４，５）に対して平行で、電磁場棒（４，５）と同じ方向に、または反対の方向に配置されていることを特徴とする請求項５に記載のマイクロ波測定装置。
7. 補助電磁場棒（６，７）は、電磁場棒（４，５）に対して、電磁場棒（４，５）と輸送管部分（Ｆ_a ）とで形成される共振器の共振周波数の波長の約１／８の間隔（Ｆ_b ，Ｆ_c ）を空けて配置されていることを特徴とする請求項５または６に記載のマイクロ波測定装置。
8. 補助電磁場棒（６，７）の長さは、電磁場棒（４，５）の長さと一致することを特徴とする請求項５から７までのいずれか一つに記載のマイクロ波測定装置。
9. 補助電磁場棒（８）が、送信アンテナと受信アンテナ（２，３）との間のほぼ中央で、輸送管部分（Ｆ_a ）の横断面内において、電磁場棒（４，５）に対して約９０°回転した形で配置されていることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載のマイクロ波測定装置。
10. 一つの電磁場棒（４，５）に代わって、二つ以上の電磁場棒が、輸送管部分（Ｆ_a ）の当該の横断面内において、互いに平行に配置されていることを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載のマイクロ波測定装置。
11. 送信アンテナと受信アンテナ（２，３）との間に存在する測定区間（Ｓ）が、輸送管部分（Ｆ_a ）の平均的な直径（Ｄ）の０．８から３倍、有利には１．５倍に一致することを特徴とする、導波管基本波を用いて含有量を計測するための請求項１に記載のマイクロ波測定装置。
12. 電磁場棒（４）と送信アンテナ（２）、および受信アンテナ（３）と電磁場棒（５）との間の各々の間隔（Ａ，Ｂ）が、ほぼ輸送管部分（Ｆ_a ）の平均的な直径（Ｄ）に一致することを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ波測定装置。
13. 補助電磁場棒（６，７）と電磁場棒（４，５）との間の間隔（Ｆ_b ，Ｆ_c ）が、輸送管部分（Ｆ_a ）の平均的な直径（Ｄ）の約７／８に一致することを特徴とする、導波管基本波を用いて含有量を計測するための請求項５、１１または１２に記載のマイクロ波測定装置。

Images