JP2012013434A

JP2012013434A - 粉体流量測定装置

Info

Publication number: JP2012013434A
Application number: JP2010147559A
Authority: JP
Inventors: Hayae Kayano; 早衛萱野
Original assignee: Wadeco Co Ltd
Current assignee: Wadeco Co Ltd
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2012-01-19

Abstract

【課題】輸送管内を流れる粉体の流量を精度よく、非接触方式で測定できる装置を提供する。
【解決手段】輸送管と同一の内径を有する誘電体製筒体を一対、所定の間隔で挿入するとともに、各筒体の外側にマイクロ波の送受信を行うためのアンテナを配置し、一方のアンテナにマイクロ波の送受信を行うマイクロ波送受信手段を接続し、他方のアンテナにマイクロ波受信手段を接続する。そして、マイクロ波送受信手段からのマイクロ波をマイクロ波受信手段で受信し、予め求めておいた粉体密度と受信強度との関係から粉体の密度を求め、マイクロ波送受信手段から送信され、粉体で反射されたマイクロ波をマイクロ波送受信手段で受信し、送信されたマイクロ波と受信されたマイクロ波との周波数の差から粉体の速度を求め、密度と速度を乗じて粉体の流量を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、輸送管内を流れる粉体の流量を測定するための装置に関し、例えば製鉄所の高炉微粉炭吹き込み装置に使用される粉体流量測定装置に関する。

高炉設備では、高炉の補助燃料として羽口から微粉炭を吹き込み、鉄鉱石の還元用に使用している。羽口は通常数十程度あり、高炉の安定運転のために、各羽口に接続する微粉炭供給パイプ内を流れる微粉炭の流量の把握と、各パイプへの分配精度の高性能化が求められている。

輸送管内を流れる粉体の流量を測定する技術として、輸送管内に一対の測定用電極を対向配置し、この測定用電極に電圧を印加して電極間に流れる電流の変化を求めることが知られている（例えば、特許文献１参照）。しかし、輸送管内を流れる粉体が測定用電極に衝突するため、粉体が大径になるほど、また流速が高まるほど測定用電極が損傷しやすくなる。

また、静電容量式の流量計も知られている（例えば、特許文献２参照）。この静電容量式流量計は、一対の電極の間に粉体を流通させ、電極間の静電容量が粉体の密度に応じて変化することを利用する。そのため、電極に粉体が衝突することがない非接触方式であり、特許文献１で懸念されるような電極が破損する恐れがない。しかし、粉体の密度変化に伴う静電容量の変化量が少なく、速度検出が不安定で精度面で十分とはいえない。

特開平８−２７８１８０号公報特開昭６１−１５３５２６号公報

本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、輸送管内を流れる粉体の流量を精度よく、非接触方式で測定できる装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、下記の粉体流量測定装置を提供する。
（１）輸送管内を流れる粉体の流量を測定するための装置であって、
輸送管と同一の内径を有する誘電体製筒体を一対、該輸送管に所定の間隔で挿入するとともに、各筒体の外側にマイクロ波の送受信を行うためのアンテナを配置し、一方のアンテナにマイクロ波の送受信を行うマイクロ波送受信手段を接続し、他方のアンテナにマイクロ波受信手段を接続してなり、かつ、
マイクロ波送受信手段から送信したマイクロ波を、輸送管内を伝搬させてマイクロ波受信手段で受信し、予め求めておいた粉体密度と受信強度との関係から、輸送管を流れる粉体の密度を求め、
マイクロ波送受信手段から送信され、輸送管を流れる粉体で反射されたマイクロ波を該マイクロ波送受信手段で受信し、送信されたマイクロ波と受信されたマイクロ波との周波数の差から粉体の速度を求め、
密度と速度を乗じて粉体の流量を算出することを特徴とする粉体流量測定装置。
（２）検出した粉体の速度信号の中から所定の速度以下の信号を除去することを特徴とする上記（１）記載の粉体流量測定装置。
（３）粉体の密度を、キャリアガスの湿度で補正することを特徴とする上記（１）または（２）記載の粉体流量測定装置。
（４）粉体の密度と速度を連続して測定して出力するか、あるいは一定時間毎に測定し、平均化して出力することを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の粉体流量測定装置。
（５）高炉微粉炭吹き込み装置の微粉炭流量測定装置に使用することを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の粉体流量測定装置。

本発明の粉体流速測定装置によれば、輸送管内を流れる粉体の流量を非接触で、精度良く測定することができる。

本発明に係る粉体流量測定装置の構成を示す概略図である。粉体密度と受信電力との関係を求めるための試験方法を説明するための図である。図２に示す試験方法で測定した微粉炭の粉体密度と受信電力との関係を示すグラフである。微粉炭の落下速度を測定した結果を示すグラフである。本発明に係る粉体流量測定装置の原理を示すブロック図である。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の粉体流量測定装置の構成を示す概略図である。粉体流量測定装置１では、輸送管１００と同一内径の誘電体、例えばセラミックス製の円筒１０，１１が、輸送管１００の適所に所定の間隔で挿入されており、各円筒１０，１１の外側にマイクロ波の送受信を行うためのアンテナ２０，２１が配置される。また、粉体の流れる方向を矢印Ｆで示すと、下流側のアンテナ２０にマイクロ波の送受信を行うマイクロ波送受信手段３０が接続され、上流側のアンテナ２１にマイクロ波受信手段３１が接続される。アンテナ２０とマイクロ波送受信手段３０とは導波管２５で接続され、アンテナ２１とマイクロ波受信手段３１とは導波管２６で接続される。尚、円筒１０とアンテナ２０、円筒１１とアンテナ２１との隙間は、リング状のカバー２７，２８で閉塞してもよい。

また、マイクロ波送受信手段３０及びマイクロ波受信手段３１は、マイクロ波送受信手段３０の制御回路、マイクロ波受信手段３１の制御回路、受信信号の処理回路等で構成される信号処理回路５０とともにケース４０に収容されている。

また、円筒１０，１１、アンテナ２０，２１及び導波管２５，２６は、取付座１５，１６で包囲され、取付座１５，１６が輸送管１００に固定される。

尚、輸送管１００は、その両端に設けたフランジ１０１を介して他の輸送管や、ブロワー等の粉体輸送源等（何れも図示せす）に接続される。

上記の如く構成される粉体流量測定装置１では、マイクロ波送受信手段３０で発信されたマイクロ波を、アンテナ２０から送信して輸送管１００の内部を伝搬させる。この送信マイクロ波Ｍ１は、符号Ｍ２、Ｍ３で示されるように、アンテナ２０の両側に広がるように伝搬する。円筒１０の両側には伝搬抵抗がないため、マイクロ波Ｍ１はほぼ均等に両側に分岐して管内を伝搬する。そして、マイクロ波受信手段３１が配置されている側に伝搬したマイクロ波Ｍ３は、符号Ｍ４で示されるように、アンテナ２１を通じてマイクロ波受信手段３１で受信される。

尚、図示は省略するが、セラミックス製の円筒１０，１１でなく、輸送管１００の内壁全体をセラミックス層にすると、マイクロ波はセラミックス層を伝搬してマイクロ波受信手段３１へと向かうため、マイクロ波受信手段３１では常時、セラミックス層を伝搬するマイクロ波を受信するようになる。セラミックス層を伝搬するマイクロ波は、粉体量に無関係であり、しかもマイクロ波Ｍ３やマイクロ波Ｍ４と干渉するため、マイクロ波受信手段３１での受信強度が大きく増減するようになり、安定した検出ができなくなる。

このとき、マイクロ波受信手段３１における受信電力と、管内の粉体密度との関係を予め求めておき、この関係に実際の受信電力を当てはめて粉体密度を算出する。粉体密度と受信電力との関係は、図２に示すようにして求めることができる。

セラミックス製の２つの円筒２００，２００を所定間隔で鉄管２１０に挿入してなる管体２２０に、一方の円筒２００にマイクロ波送信手段２５０をアンテナ２５５を介して取り付け、他方の円筒２００にマイクロ波受信手段２６０をアンテナ２６５を介して取り付け、床面上に、管体２２０ごとマイクロ波送信手段２５０が床側になるように鉛直に立てる。そして、粉体２８０を管体２２０の上面開口２２０ａから投入して管内に堆積させ、所定の堆積高さ、例えば１０ｃｍ毎にマイクロ波Ｍの送受信を行い、粉体２８０の堆積高さ２８０ａと、マイクロ波受信手段２６０の受信電力とを測定する。

粉体２８０の密度は、マイクロ波送信手段２５０に接続するアンテナ２５５の中心と、マイクロ波受信手段２６０に接続するアンテナ２６５の中心との間の管内体積と、アンテナ２５５の中心よりも堆積している粉体２８０の重量とから求められ、粉体２８０の堆積高さ２８０ａがアンテナ２５５の中心よりも低い場合には密度０となり、アンテナ２５５の中心よりも堆積高さ２８０ａが高くなるのに比例して密度は大きくなり、堆積高さ２８０ａがアンテナ２６５の中心に達すると密度が１になる。また、マイクロ波は粉体により減衰するため、アンテナ２５５の中心とアンテナ２６５の中心との間に粉体２８０が存在しないとき（密度０）に受信電力が最大となり、粉体２８０の堆積量が増すのに比例して受信電力も少なくなる。

粉体２８０は、実際に測定する粉体と同じものを用いる。例えば、製鉄所の高炉微粉炭吹き込み装置で使用する場合は、粉体２８０として吹き込み用の微粉炭を用いて粉体密度と受信電力との関係を求めておく。

図３は、粉体２８０として微粉炭を用い、その堆積量を徐々に増したときの受信電力を測定した結果を示している。堆積量の増加、即ち配管中の微粉炭の密度が大きくなるのに伴って受信電力が低減しているのがわかる。

尚、図２に示す装置では、マイクロ波Ｍは床側にも伝搬し、マイクロ波受信手段２６０は床面で反射されたマイクロ波も同時に検出する。そのため、図示されるような折れ線グラフになっているが、マイクロ波送信手段２５０を床面から十分に離れた位置に設置することにより、床面で反射されたマイクロ波による受信電力が弱まり直線に近くなる。また、実際上も、図１に示す装置においてマイクロ波受信手段３１の反対側に向かうマイクロ波Ｍ２が反射して受信されることは、無視できる範囲である。

また、マイクロ波の伝搬は、空気中の水分量により影響を受ける。そのため、測定精度を高めるには、粉体のキャリアガスである空気の湿度により、上記の粉体密度と受信電力との関係を補正することが好ましい。補正量を求めるには、図２に示した装置の全体を恒湿容器に収容し、湿度を変えながら粉体２８０の堆積量と受信電力とを測定すればよい。

再び図１を参照して説明すると、アンテナ２０から送信され、マイクロ波受信手段３１が配置された側に伝搬するマイクロ波Ｍ３は、その一部が管内を流れる粉体７０で反射され、その反射波Ｍ５がアンテナ２０で捕獲されてマイクロ波送受信手段３０で受信される。従って、このときのマイクロ波Ｍ３の周波数（＝マイクロ波Ｍ１の周波数）と、反射波Ｍ５の周波数との差（ドップラー周波数）から、ドップラーの原理により粉体７０の速度を求めることができる。ドップラー周波数が大きいほど、粉体７０はより高速で管内を流れていることを示す。

図４は、図２に示す装置を用い、管体２２０の上面開口２２０ａから微粉炭を連続して自然落下させたときの受信強度と、ドップラー周波数とを測定した結果を示すグラフである。尚、測定には周波数２４ＧＨｚのマイクロ波を用いており、ドップラー周波数４４７．２Ｈｚが１０ｋｍ／ｈに相当する。図示されるように、３００Ｈｚ付近に大きなピークＡが現れており、微粉炭の平均落下速度が約６．７ｋｍ／ｈであることがわかる。

また、図４には、ピークＡよりも低周波数側（低速度側）に比較的大きなノイズが多数現れているが、これらはマイクロ波送信手段２５０のアンテナ２５５と対面する管体内壁による反射波である。これら低速側のノイズ成分は、ハイパスフィルターで除去することができる。

本発明の粉体流量測定装置１では、図５にその測定原理を示すが、輸送管１００のマイクロ波送受信手段３０とマイクロ波受信手段３１との間の空間を流れる粉体７０の密度を、マイクロ波Ｍ４の受信強度を測定し、予め求めておいた図３に示すような粉体密度と受信強度との関係から求め、更にキャリアガスの湿度で補正する。それと同時に、マイクロ波送受信手段３０でマイクロ波Ｍ５を受信して、そのピーク信号に対応するドップラー信号から粉体７０の平均速度を求める。そして、密度と平均速度とを乗じることにより、輸送管１００のマイクロ波送受信手段３０とマイクロ波受信手段３１との間の空間を流れる粉体７０の流量が得られる。

そして、得られた流量を、輸送管全体を流れる粉体の平均流量と見做し、例えば高炉微粉炭吹き込み装置に送り、微粉炭の吹き込み量を制御する。

尚、上記の密度及び平均速度の測定は、連続して行ってもよく、所定時間毎に行ってその平均を求めてもよい。

１粉体流量測定装置
１０，１１セラミックス製円筒
２０，２１アンテナ
２５，２６導波管
３０マイクロ波送受信手段
３１マイクロ波受信手段
５０信号処理回路
７０粉体
１００輸送管

Claims

輸送管内を流れる粉体の流量を測定するための装置であって、
輸送管と同一の内径を有する誘電体製筒体を一対、該輸送管に所定の間隔で挿入するとともに、各筒体の外側にマイクロ波の送受信を行うためのアンテナを配置し、一方のアンテナにマイクロ波の送受信を行うマイクロ波送受信手段を接続し、他方のアンテナにマイクロ波受信手段を接続してなり、かつ、
マイクロ波送受信手段から送信したマイクロ波を、輸送管内を伝搬させてマイクロ波受信手段で受信し、予め求めておいた粉体密度と受信強度との関係から、輸送管を流れる粉体の密度を求め、
マイクロ波送受信手段から送信され、輸送管を流れる粉体で反射されたマイクロ波を該マイクロ波送受信手段で受信し、送信されたマイクロ波と受信されたマイクロ波との周波数の差から粉体の速度を求め、
密度と速度を乗じて粉体の流量を算出することを特徴とする粉体流量測定装置。
検出した粉体の速度信号の中から所定の速度以下の信号を除去することを特徴とする請求項１記載の粉体流量測定装置。
粉体の密度を、キャリアガスの湿度で補正することを特徴とする請求項１または２記載の粉体流量測定装置。
粉体の密度と速度を連続して測定して出力するか、あるいは一定時間毎に測定し、平均化して出力することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の粉体流量測定装置。
高炉微粉炭吹き込み装置の微粉炭流量測定装置に使用することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の粉体流量測定装置。