KR100791617B1 - 2-상 흐름의 기체 캐리어 매체에서 고체 및/또는 액체 물질의 흐름율을 결정하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전파에 대한 차단 주파수 이하에서 감쇠 곡선의 거의 선형인 영역에 대해 주파수 천이를 측정함으로써 파이프의 캐리어 기체에 함유된 미립자 물질의 양을 결정하는 방법에 관한 것으로서, 상기 곡선는 파형 전파가 거의 없는, 전도성 파이프에 발생된 전계의 감쇠를 측정함으로써 도출된다.

Description

2-상 흐름의 기체 캐리어 매체에서 고체 및/또는 액체 물질의 흐름율을 결정하는 방법{METHOD OF DETERMINING THE FLOW RATE OF SOLID AND/OR LIQUID MATERIAL IN A GASEOUS CARRIER MEDIUM OF A TWO-PHASE FLOW}
본 발명은 2-상 흐름(two-phase flow)의 기체 캐리어 매체에 함유된 고체 또는 액체 미립자 물질(particulate matter)의 양을 결정하기 위한 방법에 관한 것으로, 특히 공압식 이송 파이프 시스템의 기체 캐리어 매체에서 미분탄(微粉炭)(pulverized coal)의 양 및 정량적 분포를 결정하는 방법에 관한 것이다.
2-상 흐름의 기체 캐리어 매체에서 고체 또는 액체 물질의 미세한 입자(이하에서 종종 미립자 물질로 언급됨)의 이송은, 미립자 물질이 충분한 이송 속도로, 그리고 충분한 이송 량으로 흐를 수 있도록 하기 위해, 종종 난류를 필요로 한다. 예를 들면, 석탄-연소 발전소의 연소기 이송 파이프를 통해, 특히 미분탄인 미립자 물질을 이송하는 경우에, 이송 파이프에 소위 로프(rope)가 형성되는바, 이를 거의 막는다는 것은 불가능하다. 상기 로프는 이송 파이프의 단면 영역의 일부에서 나타나는 고농도의 고체물질에 의해 형성된다. 로프는 기하학적으로 매우 안정적이고, 국부적이지만 여러 장소에서 불규칙하게 발생하고, 그 크기와 밀도가 변화되거나 이송 파이프 내에서 이동할 수 있는 특징이 있다. 특히 분기점에서, 로프는 미립자 물질을 매우 불규칙하게 분포시키는데, 이로써 개개의 이송 파이프 내에서 이송된 미립자 물질 양이 서로 현저한 차이가 나게 된다.
따라서, 공압식 이송 시스템(pneumatic feeder system), 특히, 다중 분기 시스템에서 이송되는 미립자 물질의 양 또는 흐름율을 결정하기가 어려울 뿐만 아니라 및 본원에서 고려중인 이송 파이프 내에서 미립자 물질이 균일하고, 정량적 단면 분포를 갖도록 보장하는 것은 매우 어렵다.
예를 들면, 샘플들을 등속적으로 회수하기 위한 튜브를 이용하는 공지된 시스템은 종종 상당히 왜곡된 결과를 가져오는데, 이는 이들이 로프를 거의 검출할 수 없거나, 혹은 검출하더라도 단지 우연히 검출하기 때문이다. 더욱이, 이 측정은 상당히 시간 소모적이며, 결과를 산출하는데에도 많은 시간이 걸린다. 따라서, 이들은 폐루프 제어에서는 유용하지 않다.
공압식 이송 시스템을 제어하고, 다중 분기 시스템을 통해 미립자 물질의 흐름을 조정하기 위해 요구되는 가장 중요한 요소는 빠르게 응답하는 측정 시스템이다. 이런 이유로, 이러한 측정 목적을 위해 극초단파를 사용하는 다양한 시도가 있었다. 이 시스템에서는, 소정의 주파수를 갖는 극초단파가 측정 경로로서 설정된 파이프의 긴 부분에 공급되고, 측정 경로의 단부에서 극초단파의 진폭 및 위상 변동이 기록된다. 이러한 극초단파 측정의 기본 원리는 캐리어 기체에 고체 및/또는 에어로졸 액체를 부과 또는 로딩하면, 이송 파이프 내에 복합적 유전율의 변동이 일어난다는 점과, 상기 극초단파는 유전율에 따라 감쇠되고 위상이 천이된다는 점을 이용하는 것이다. 예를 들면, 이러한 측정 방법은 유럽특허 제 0717269호 및 미국특허 제 5,177,444호에 개시되어 있다. 그러나 공압식 이송 시스템을 위해 극초단파를 사용하는 공지된 방법의 감도 또는 정확도는 충분하지 아니한데, 이는 특히 제공된 물질의 흐름율이 개개의 파이프 또는 다중 분기 이송 파이프의 파이프 부분마다 서로 다르거나, 또는 전술한 로프 형성으로 인해 미립자 물질의 국부적 또는 동질적 분포 및 체적 측정 농도에서의 상당한 차이가 파이프 시스템 내에서 발생되는 경우에 그러하다. 미국특허 제 4,423,623호는 석탄 슬러리(slurry)를 측정하기 위한 극초단파 측정 시스템을 개시한다. 석탄 슬러리에서, 극초단파는 크게 감쇠되기 쉬우며, 석탄 수분을 측정하는데 요구되는 감도의 크기는 기체 캐리어 매체의 미분탄을 측정하는데 요구되는 감도보다 낮다. 이상적으로는, 공장 보일러의 연소기 시스템에 공급되는 미분탄을 적절히 정밀조정하기 위해서는 1 m3의 캐리어 기체 당 1g 정도의 측정 감도 또는 응답성이 요구될 뿐만 아니라, 수 밀리세컨드 범위의 응답 시간도 요구된다. 하지만, 이런 작은 부하 편차는 복합 유전율 상수에 상당히 작은 변동만을 가져오며, 극초단파의 감쇠 및 위상에 대한 영향도 매우 작다.
또한, 공압식 이송 시스템에서의 부하 측정을 위해 극초단파를 사용하면 반사되는 극초단파에 의한 교란 작용으로 인해 심각한 문제가 초래된다. 특히 극초단파의 감쇠는 경미한 부하에서 매우 작은 것이어서, 도파관과 유사하게 극초단파는 파이프 시스템에서 긴 구간에 걸쳐 전파되고, 파이프의 좁아지는 부분, 분기 영역 또는 단부 등에서 반사되게 된다. 이는 앞뒤로 전파하는 중첩된 파동을 초래하게 되어, 결과적으로 측정 결과에 심각한 왜곡을 야기할 수 있다.
또한, 극초단파를 사용하는 공지된 방법의 단점은 많은 장치 비용을 필요로 한다는 점이다. 대개, 측정 경로를 제공하기 위해 상당히 정밀한 형상의 파이프 부분이 기존의 이송 파이프 시스템에 설비되어야 하고, 그리고 상보형의 송신 및 수신 안테나가 필요하게 한다. 다른 공지의 방법에는 소정의 기하학적 요구들을 만족시키는 종래의 파이프 부분에 송신 및 수신 장치로서 슬롯 커플러를 복잡하게 장착하는 것이 있다.
본 발명의 주된 목적은, 2-상 공압식 이송 시스템의 기체 캐리어 매체에 함유된 미립자 물질의 양을 정확하고 신뢰성 있는 수치로 제공하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 2-상 공압식 이송 시스템의 기체 캐리어 매체에 함유된 미립자 물질의 밀도를 정확하고 신뢰성 있는 수치로 제공하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 2-상 공압식 이송 시스템의 기체 캐리어 매체에 함유된 미립자 물질의 분포를 정확하고 신뢰성 있는 수치로 제공하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 비교적 단순한 수단으로 구현될 수 있는 것으로서, 앞서 언급된 것과 같은 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존의 이송 도관을 크게 변형하지 않고서도 실시할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 산업용 이송 파이프의 기체 캐리어 매체에 함유된 미립자 물질의 흐름 패턴의 정확한 결과를 빠르게 산출하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 공압식 이송 시스템의 기체 캐리어 매체에 함유된 미립자 물질의 양에 있어서 매우 작은 편차를 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 추가적인 목적은, 전도성 파이프의 제 1 위치에 거의 파동 전파가 없는 적어도 하나의 교번 전계를 형성시키고, 축 방향으로 이격된 제 2 위치에서 교번 전계의 주파수 감쇠 및 편차를 측정함으로써 미립자 물질의 함유량을 나타내는 값을 도출하여, 2-상의 이송 시스템의 기체 캐리어 매체에 함유된 미립자 물질의 양을 결정하는 방법을 제공하는 것이다. 다른 목적들의 일부는 자명할 것이며, 일부는 하기에서 제시될 것이다.
본 발명의 바람직한 제 1 실시예에서, 본 발명은 2-상 흐름을 지원하는 파이프 시스템의 전도성 측정 부분인 파동 전파가 거의 없는 제 1 위치에 적어도 하나의 교번 전계를 형성시키고, 상기 제 1 위치에서 축방향으로 이격된 제 2 위치에서 상기 교번 전계의 주파수 함수로 감쇠를 측정하고, 상기 측정된 부분에서 상기 부분의 파라미터를 결정하기 위해 알려진 량의 미립자 물질을 포함하는 부하를 이용하여 교번 전계의 주파수에 따른 감쇠를 초기에 기록하고, 저 주파수와 관계하는 상위 감쇠 임계값과 고 주파수와 관계하는 갖는 하위 감쇠 임계값 사이의 측정된 감쇠 곡선의 가장 가파른 기울기 영역의 거의 선형인 구간을 기준 값으로서 정의 및 저장하고, 그리고 2-상의 흐름에서 고체의 양을 나타내는 값을 도출하기 위해 거의 선형인 영역에 대한 주파수 천이를 임의의 측정 프로세스에 의해 결정하는 것에 의해서 전술한 방법을 제공한다. 본 발명은, 파동 전파의 특성 차단 주파수 이하에서 일정한 경로에 대한 교번 전계의 주파수와 감쇠 사이의 관계가 계단 함수와 유사한 방식으로, 즉 높은 값의 감쇠에서 낮은 값의 감쇠로 비교적 가파르고, 거의 선형인 천이를 거치게 된다는 사실에 의존한다. 어떤 미립자 물질도 캐리어 기체에 부유되지 않은 무부하 상태와 비교적으로 높은 부하 사이에서의 천이의 형태(계단 함수)는 거의 변화되지 않은 상태로 지속되나, 이 천이가 있는 주파수 범위는 주파수가 저 주파수 방향으로 부하에 따라 천이되고, 상기 주파수가 천이는 캐리어 기체에서 미립자 물질 양의 측정치가 된다.
본 발명의 본질은, 교번 전계를 파이프 시스템의 긴 부분에 형성시키고, 소정의 길이의 경로 상에서 교번 전계의 감쇠를 측정하는 것에 관한 것이다. 이는 경로가 흐름의 방향 또는 그 반대 방향으로 확장하는지와는 무관하다. 초기에, 천이의 형태 및 이의 주파수 범위가 무부하 상태에서 결정될 수 있다. 이후에, 부하로 인한 저 주파수로의 천이인 주파수 천이는 알려진 관계에 기초하여 결정되고, 이로부터 캐리어 기체에 의해 운반되는 미립자 물질의 양을 도출하게 된다. 실질적인 목적을 위해, 거의 선형인 구간이 상기 천이 내에 정의된다. 상기 거의 선형인 구간은 저 주파수와 관련된 상위 감쇠 값 및 고주파수와 관련된 하위 감쇠 값에 의해 제한된다. 이 거의 선형인 구간 내에서, 감쇠 곡선은 주파수 변곡점을 갖는다. 변곡점은 수학적으로 및 기술적으로 쉽게 결정될 수 있다. 이 거의 선형인 구간 내에서, 그 어떤 저 주파수 변화도 교번 전계의 큰 감쇠와 관련되어 지고, 이에 의해 거의 선형인 구간 내의 지점들 또는 구간들이 상당히 정확하게 검출되거나 결정될 수 있다.
하기에서 설명하는 바와 같이, 본 발명은 다양한 실시예와 연관되어 실시될 수 있다.
예를 들면, 감쇠 및 이에 따른 관련 주파수의 특성 값은 초기에 거의 선형인 구간 내로부터 무부하 상태에서 초기에 선택될 수 있으며, 부하를 결정하기 위해 형성된 교번 전계의 주파수는 소정의 주파수로 시작하여 부하 상태에서 측정된 감쇠가 초기에 선택된 것과 동일해질 때까지 변동(증가)될 수 있다. 실질적인 목적을 위해서는, 시작 주파수는 소정의 어플리케이션의 가능한 최대 부하에서 거의 선형인 구간의 저 주파수보다 낮아야 하며, 어떤 경우에도 높지 않아야 한다. 시작 주파수는 무부하 상태에서 거의 선형인 구간의 저 주파수로부터 최대 부하로 인한 주파수 편차 Δf를 감산함으로써 결정될 수 있다. 주파수 천이 Δf는 식
Figure 712006503883564-pct00011
에 의해 쉽게 계산될 수 있으며, 여기서 f0은 무부하 상태의 파이프 시스템의 차단 주파수이고, μr은 비투자율이며, εr은 혼합된 캐리어 매체 및 미립자 물질의 비유전율이다.
따라서, 무부하 상태와 부하 상태에서 선택되는 특성 감쇠 값에 대응하는 주파수들 사이의 차이가 부하의 기준이 된다.
본 방법에 의해 최대 감도를 획득할 수 있도록 하기 위해서는 선택된 감쇠가 기울기가 가파른, 즉 거의 선형인 영역 내에 놓여져야 하는데, 이는 당업자에 의해 이해될 수 있는 것이다. 실제적인 이유로서, 바람직하게는, 감쇠 곡선의 변곡점이 될 것이다.
측정 프로세스를 신속하게 하기 위해서는, 주파수를 전술한 시작 주파수에서 출발하여 측정 감쇠가 거의 선형인 영역 내에 놓여질 때까지, 거의 선형인 영역인 고 주파수 및 저 주파수간의 차이로부터 도출될 수 있는 단계로 증가시키는 것이 바람직하다. 무부하 상태에서 측정된 감쇠 값에 대응하는 주파수와 측정된 주파수간의 주파수 차이는 전술한 바와 같이 부하의 측정을 구성한다.
물론, 무부하와 부하 상태 사이의 특성 감쇠 값의 주파수 천이를 정의할 수 있도록 하기 위해서, 거의 선형인 영역을 나타내는 직선 방정식을 적용하여, 거의 선형인 영역 내에서 측정된 감쇠 및 관련 주파수를 다른 선택된 특성 감쇠 값으로 변환할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 중요한 장점은, 공지의 극초단파 시스템과는 대조적으로, 교번 전계의 감쇠가 측정되는 측정 경로는 파이프의 진원성(roundness)에 관해서 과도한 요구를 부과하지 않는 점에 있다. 측정은 예를 들어, A.S.A 또는 DIN와 같은 공통 공업 사양 또는 표준에 대응되는 파이프에서 실시될 수 있다. 이러한 파이프를 사용하면, 1m3의 기체 당 1g 이하의 고체에 대응하는 방법의 감도를 갖게 되는데, 이는 상당히 우수한 것이다.
본 방법의 추가적인 이점은, 교번 전계가 짧은 부정합의 안테나에 의해 형성된다는 점이다. 송신 및 수신 안테나가 서로 비슷한 구조이기 때문에, 마모가 측정과정의 감도에 거의 영향을 주지 않으며, 열화로 인한 안테나의 교체도 거의 요구되지 않는다. 더욱이, 안테나가 짧기 때문에 쉽게 기존의 파이프 시스템에 장착될 수 있다.
본 발명은 바람직하게는, 파이프 시스템 내에 로프가 형성될 때마다 적용될 수 있다. 로프를 검출하고 측정하기 위해, 두 개의 교번 전계가 발생되는데, 이들은 바람직하게는 주파수 및 위상이 동일하지만, 서로 90°의 방위 방향으로 놓여져 있으며, 소정의 특정 경로에 대한 이 교번 전계들 모두의 감쇠 곡선인 거의 선형인 영역에 대한 주파수 천이는 전술한 방식으로 결정된다.
본 방법의 일 실시예에서, 서로 90° 방위 방향으로 놓여진 교번 전계가 순차적으로 또는 교대로 발생되며, 감쇠 곡선의 거의 선형인 영역에 대한 주파수 천이가 서로 90°방위 방향으로 놓여지고, 각각의 송신 안테나에 대해 동일 축 평면에 놓여진 수신 안테나에 의해 결정된다. 로프는 방위 방향으로 놓여진 교번 전계들의 감쇠 곡선의 주파수 천이들이 서로 다르게 되도록 한다. 부가적인 측정이 상당히 다른 결과를 추가적으로 산출하지 않을 때까지, 평균값을 형성함으로써, 로프를 포함하는 평균 부하 밀도에 대응하는 주파수 천이가 일어나게 된다.
그러나 또한 본 발명에 따른 방법에 의해 파이프 내에 로프의 공간적 위치 및 강도를 결정하는 것도 가능하다. 이를 위해, 동일 주파수이고 서로 90°방위 방향으로 놓여진 두 개의 위상이 고정되고, 선형으로 분극된 교번 전계가 파이프 내에 형성되어서, 이 교번 전계의 감쇠 곡선의 거의 선형인 부분에 대한 주파수 천이가 소정의 측정 경로에 대해 측정된다. 만일 두 전계(field) 사이의 위상이 n×180°과 동일하다면(여기서 n은 정수이며), 두 개의 전계가 동시에 형성되어져, 선형으로 분극된 새로운 합성 전계로 합쳐진다. 따라서, 감쇠 곡선의 거의 선형인 부분에 대한 합성 주파수 천이는 합성 교번 전계의 방위 방향에서 부하의 측정인 것이다. 90°방위 방향으로 놓여진 교번 전계의 진폭을 변화시킴으로써, 합성 교번 전계가 방위 방향으로 회전될 수 있다. 바람직하게는, 합성 교번 전계의 진폭은 일정하게 유지되어야 한다. 감쇠 곡선의 거의 선형인 부분의 최대 및 최소 주파수 천이는 합성 교번 전계의 방위 방향 회전에 의해 결정된다. 만일 로프가 존재한다면, 최대 및 최소 주파수 천이는 90°방위 방향으로 놓여질 것이다. 로프의 위치는 관련 방위 방향에 기초하여 계산될 수 있다. 그러나 그 결과는 불명확한데, 이는 교번 전계가 축에 대칭되기 때문이다. 따라서, 최대 주파수 천이에서, 교번 전계의 방위 위치는 다음과 같다는 것을 의미한다: αSt = αF + n×180°, 여기서 αSt은 로프의 방위각이며, αF은 교번 전계의 방위각이고, n은 정수이다. 이러한 방법으로 검출된 로프는 항상 서로 점대칭으로 위치하는 2개의 4분 면에 존재한다.
이 로프를 통과하는 최소 전계 강도에 대한 최대 전계 강도의 비율이 최소 주파수 천이에 대한 최대 주파수 천이의 비율로부터 직접 결정될 수 있다. 로프의 반경 방향 위치는 파이프 내의 교번 전계의 기존의 양적 전계 강도의 분포에 따라 정의될 수 있다.
로프의 방위 위치를 분명하게 제공하기 위해서는, 추가 프로세스 단계에 의해서 로프가 존재하는 파이프의 절반의 단면을 결정하는 것이 필수적이다. 본 발명에 따르면, 이는 송신 안테나에 대해 90°방위 방향으로 놓여진 수신 안테나에 유도된 교류 전압을 평가함으로써 수행될 수 있다. 만일 송신 안테나의 위치를 방위각 0°로 가정한다면, 180°위치에서는 교번 전계의 강도는 동일하나, 극성은 반대이다. 균일한 부하가 제공된 경우에, 전계 강도 및 이에 따른 수신 안테나에 유도된 교류 전압은 90°위치에서 0 일 것이다. 만일 로프가 송신 안테나가 위치된 파이프의 절반 부분에 존재하는 경우에는 전계는 왜곡되고, 따라서 강도는 동일하지만 극성이 반대인 전계가 송신 안테나에 대해 90°방위 방향으로 놓여진 수신 안테나에서 검출될 것이다. 이는 송신 안테나에 공급되는 교류 전압과 반대 위상의 교류 전압을 유도한다. 만일 로프가 송신 안테나의 반대편 파이프의 절반 부분에 존재하는 경우에, 송신 및 수신 안테나에서 전압의 위상은 동일할 것이다. 바람직하게, 이 측정은 송신 및 수신 안테나를 교환함으로써 반복되며, 이에 따라 송신 및 수신 안테나의 바로 근처에 위치된 로프도 확실하게 충분히 검출될 수 있다.
또한, 이송되는 물질의 이동 속도가 본 발명에 따른 방법에 의해 측정될 수 있다. 이를 위해서, 난류에 내재된 부하 밀도의 시간 대비 변동이 교번 전계가 발생하는 위치로부터 방위 방향으로 놓여진 두개의 위치에서 기록되며, 두 경로에서 시간 차이는 상관 필터에 의해 구해질 수 있다. 바람직하게, 이 위치들 중 하나는 업스트림으로 위치되며, 다른 하나는 교번 전계가 발생된 위치로부터 다운스트림으로 위치된다. 이송된 물질의 이동 속도는 업스트림과 다운스트림 위치 사이의 시간 및 거리 차이로부터 도출될 수 있다. 흐름율은 물질의 평균 밀도로부터 및 이동 속도로부터 도출될 수 있다.
도 1은 석탄-연소 발전소의 연소기 이송 파이프의 일 부분에 대한 개략도이다.
도 2는 감쇠 곡선을 상부 감쇠에서 하부 감쇠로의 가파른 천이 영역에서의 주파수 함수로서 도시한다.
도 3은 연소기 이송 파이프 내에 로프가 존재할 경우 산출되는 교번 전계(방위각 0°)를 도시한다.
도 4는 연소기 이송 파이프 내에 로프가 존재할 경우 산출되는 교번 전계(방위각 90°)를 도시한다.
첨부한 도면을 참고로 본 발명의 실시예를 자세히 살펴보면 하기와 같다.
본 발명의 과제는 석탄-연소 발전소의 연소기 이송 파이프(1) 내에 공압식으로 이송된 미분탄의 양 또는 흐름율을 결정하고, 파이프 내에 가능한 로프의 존재를 검출하는 것이다. 도 1에 개략적으로 도시된 파이프(1)는 예를 들어, 500 mm의 공칭 내부 직경의 원형 단면이 될 수 있으며, 온도는 연장된 시간 주기를 넘어서까지 거의 균일한 것으로 가정될 수 있다. 먼저, 공급 파이프(1)의 직선 부분의 벽을 통해 2개의 구멍이 형성된다. 구멍들은 축방향으로 정렬되고, 서로 1000 mm 떨어져 놓여진다. 약 5cm 길이의 짧은 안테나가 각 구멍에 삽입된다. 이를 위해서, 동축(coaxial) 부정합 구조가 특히 유용한 것으로 알려져 있다. 이 안테나를 사용하면 특별한 이점이 있는데, 이는 기계적으로 마모되지 않을 뿐 아니라, 마모가 있더라도 전기 시스템의 감도에 거의 영향을 미치지 않기 때문이다. 석탄-공기 혼합의 흐름 방향에서 보여지는 제 1 안테나(2)는 송신기로서 사용되며, 제 2 안테나(3)는 수신기로서 사용된다. 파이프 내의 고조파의 전파를 억제하기 위한 목적하에서, 기울기가 급한 스커트 식별 필터(steep-skirted discrimination filter)가 각각의 안테나에 입력으로서 접속된다. 상기 필터의 차단 주파수는 대략적으로 이송 파이프(1)의 차단 주파수보다 높게 위치된다. 송신 안테나는 높은 스펙트럼 순도의 종래의 고 전력 발생기(미도시)에 의해 파워를 공급받는다.
파이프(1)의 측정 경로의 파라미터를 결정하기 위해, 감쇠가 측정 경로를 따라 교번 전계의 주파수 함수로서 초기에 결정된다. 이를 위해, 파동 전파가 거의 없는 교번 전계는 송신 안테나(2)에 의해 보일러 이송 파이프(1)에서 무부하 상태에 있을 때 형성되며, 교번 전계의 주파수 함수에 따른 감쇠는 수신 안테나(3)에서 정상적으로 측정된다. 도 2를 참조하면, 전형적인 기울기를 갖는 곡선이 산출되며, 여기서 감쇠는 약 1.3 MHz의 주파수 범위 내에서 비교적 가파르게 거의 선형적으로 일어난다. 이제, 높은 감쇠에서 낮은 감쇠로의 이러한 천이 영역 내에 거의 선형인 기준 영역이 정의된다. 상기 기준 영역은 약 348.5 MHz의 저 주파수에서의 약 45 dB의 상부 감쇠 임계값과 약 349.8 MHz의 고 주파수에서의 약 20 dB의 하부 감쇠 임계값 사이에 위치한다. 이 기준 영역 내에서, 감쇠 곡선의 변곡점은 약 349.3 MHz의 주파수 및 약 32 dB의 감쇠에서 위치된다.
감쇠 곡선의 가장 가파른 하강 기울기는 실질적인 선형 영역에서 발생한다. 즉, 일정한 측정 주파수에서, 경미한 부하 변동도 큰 감쇠 변동을 야기한다.
상위 및 하위 감쇠 임계값의 절대 값은 형성된 교번 전계의 강도 및 수신기의 감도에 따라 달라진다. 도 2에서, 그 이하에서 어떠한 주파수도 발생하지 않는 차단 주파수는 약 350 MHz에서 나타난다.
실제 응용에서, 미분탄의 최대 부하는 m3의 공기 당 1500g로 가정될 수 있다. 이로부터 공기-석탄 혼합물에 대한 합성 비유전율(εr = 1.003)이 산출된다. 비투자율(μr)은 대략 1이다.
Figure 712006503883564-pct00012
에 기초하여 합성 주파수는 약 523 kHz이다. 공기 흐름에 함유된 미분탄의 양을 결정하기 위해서, 약 347.9 MHz의 시작 주파수(무부하 상태에서 상위 감쇠 임계값에 대응하는 저 주파수에서 주파수 변동Δf을 뺀 값)의 교번 전계가 송신 안테나(2)에 의해 파이프의 부하 상태에서 형성되며, 측정 구간에 대한 감쇠가 수신 안테나(3)에서 결정된다. 초기에, 감쇠는 거의 선형인 기준 영역 위에 있다. 이는 이후에, 관련 감쇠가 거의 선형인 영역 내에 들어갈 때까지 예를 들어, 단계적으로 교번 전계의 주파수를 증가시킴으로써 낮아진다. 부하 상태에서 다양한 주파수로 검출된 감쇠 값은 도 2에 점선으로 도시된다. 무부하 상태에서, 동일한 감쇠가 348.6 MHz의 주파수에서 발생하는 것으로 보여진다. 따라서, 부하 상태에서 감쇠 곡선의 선형 영역이 무부하 상태에 비해 0.4 MHz만큼 천이된다.
Figure 712006503883564-pct00013
의 관계에 따라, 공기 흐름의 미분탄의 양은 거의 선형인 영역의 주파수 천이 및 석탄-공기 혼합물의 변동된 비유전율(εr)로부터 계산될 수 있다. 비투자율(μr)은 대략 1이다. 이에 따라, m3의 공기 당 0.16g의 석탄을 포함하도록 계산될 수 있다. 본 방법의 감도를 증가하기 위해서는, 거의 선형인 영역 내의 변곡점을 기준점으로 선택하고, 공기 흐름에 포함된 미분탄의 양의 결정시 관련 감쇠가 변곡점의 감쇠에 대응할 때까지 교번 전계의 주파수를 변경하는 것이 바람직하다. 이는 변곡점에서 선형 영역이 기울기가 가장 심한 곳에서 가장 큰 감도를 가지기 때문에 특히 유용하다. 하지만, 변곡점이 차단 주파수 이하에 놓여지도록 주의를 기울어야 한다.
측정 프로세스를 신속하게 하기 위해서는, 제 2 측정점에 관하여 최대 부하에 대해 검출된 시작 주파수를 선형 영역의 고 주파수와 저 주파수 사이의 차이 값만큼 증가시키는 것이 유용하다. 본 예에서는 이는 1.3 MHz이다. 이런 식으로, 선형 영역 내에 있는 감쇠를 갖는 측정점이 최소 횟수의 측정으로 설정될 수 있다. 거의 선형인 영역에 대한 주파수 천이는 이러한 측정점에 따라 직접 결정되거나, 부하 상태에서 무부하 상태로의 거의 선형인 영역에 대한 주파수 편차를 두 변곡점에 기초하여 계산하기 이전에, 부하 상태의 변곡점은 거의 선형인 영역의 직선 방정식을 기초하여 결정될 수 있다.
로프를 측정 결과 내에 포함되도록 하기 위해서는, 추가 송수신 안테나(3, 4)를 보일러 이송 파이프(1) 부분에 제공해야 한다. 추가의 송수신 안테나 (3, 4)는 송수신 안테나 (1, 2)에 대해 90°방위 방향으로 놓이지만, 상기 송수신 안테나(1, 2)와 동일한 높이로 축 방향으로 위치된다.
로프를 포함하는 평균 부하를 결정하기 위해서, 공기 흐름의 미분탄의 부하가 안테나(2 및 3)와 안테나(4 및 5) 각각의 사이의 교번 전계를 순차적으로 또는 교대로 발생시킴으로써 상술된 방식으로 결정되며, 평균값이 두 측정으로부터 도출된다. 이에 따라, 로프가 평균값 내에 포함될 것이다. 평균값을 형성하는 이 사이클을 여러번 반복함으로써, 측정 결과의 정확성이 향상될 수 있다. 전체 평균값이 더 이상 변동하지 않을 때까지, 또는 거의 변동되지 않을 때까지 상기 사이클을 반복하는 것이 바람직하다.
로프를 검출하기 위해서, 동일한 주파수가 선형으로 분극되고, 위상고정인(n×180°위상, n은 자연수) 교번 전계가 송신 안테나(2 및 4)에 의해 형성된다. 전계가 새로운 합성 교번 전계로 되도록, 보일러 이송 파이프(1)에서 합쳐진다. 두 교번 전계의 감쇠가 수신 안테나(3 및 5)에 의해 검출되며, 측정 경로에 대한 합성 교번 전계의 감쇠는 이로부터 도출될 수 있다. 두 개의 교번 전계의 진폭을 변동시킴으로써, 합성 교번 전계가 90°정도까지 방위 방향으로 회전하는 경향이 나타날 수 있다. 하나의 교번 전계의 위상을 반전시킴으로써, 합성 교번 전계의 회전 범위는 180°로 증가될 수 있다. 500 mm의 공칭 내부 직경을 갖는 연소기 이송 파이프(1)를 이용한 본 실시예에서, +20 dB(약 100 mW의 송신 전력에 대응함)의 감쇠를 갖는 교번 전계가 안테나(2 및 4)에 의해 연소기 이송 파이프에서 형성된다. 90°방위 방향으로 놓여진 개별 교번 전계를 결합함으로써 생성된 합성 교번 전계의 방위각을 22.5°더 회전되도록 하기 위해서, 안테나의 이송라인은 하기 표의 값에 의해 감쇠된다.
Figure 111999018880353-pct00004
거의 선형인 영역에 대한 주파수 천이는 합성 교번 전계의 각각의 방위 방향 상태에서 검출되며, 이에 기초하여 공기의 흐름에서 미분탄의 부하가 전술한 바와 같이 계산된다. 검출된 주파수 천이가 하기의 표에 나타나 있다.
Figure 712006503883564-pct00014
주파수 천이 및 부하에 대해 최대 값이 분명히 결정될 수 있다. 이것은, 로프가 90°방위각 방향으로 존재해야 한다는 것을 의미한다. 도 3 및 도 4 각각은 0°의 방위각(도 3) 및 90°의 방위각(도 4)에서 연소기 이송 파이프(1) 내의 합성 교번 전계를 도시한다.
최대 주파수 천이(최대 부하) 대 최소 주파수 천이(최소 부하)의 비율로부터 로프의 반경 위치가 추론될 수 있다. 본 경우에서, 즉, 1:3의 비율에서, 로프는 파이프의 벽 가까이에 위치한다. 이 비율이 1로 향해 더 이동할수록, 로프는 파이프의 중심에 위치된다. 따라서, 파이프의 실 중심에 있는 로프는 검출될 수 없다.
물론, 고정적인 로프, 즉, 측정 간격에 대해 거의 고정적인 로프는 실제적으로만 검출된다. 측정 간격이 수 밀리 세컨드 범위에 있기 때문에, 효율적인 측정을 할 수 있다. 본 실시예에서 로프 검출의 목적은 로프를 제거하기 위한 것이며, 거의 위치 고정된 로프만이 중요한 의미가 있다.

Claims (10)

  1. 파이프 내의 기체상 캐리어 매체에 의해 전송되는 유전체 특성을 갖는 미립자 물질의 흐름 량을 측정하는 방법에 있어서:
    상기 파이프 내에 전기 전도성 측정 경로를 제공하는 단계와;
    상기 측정 경로에서 한 쌍의 제 1 위치들로부터 동일 주파수 그리고 파형 전파가 거의 존재하지 않으며 서로 90°만큼 방위가 변위된 제 1 및 제2 위상 고정 교번 전계들을 동시에 형성시키는 단계와;
    상기 제 1 및 제 2 교번 전계를 새로운 결과의 전계와 결합하는 단계와;
    상기 측정 경로에서 미립자 물질의 소정의 부하를 이용하여 상기 쌍의 제 1 위치들로부터 축 방향으로 위치되고 서로 90°만큼 방위가 변위된 한 쌍의 제2 위치들에서 상기 새로운 결과의 전계의 감쇠를 측정하는 단계와;
    상기 제1 위치들과 상기 제2 위치들 사이의 상기 새로운 결과의 전계의 주파수에 대한 상기 감쇠를 나타내는 곡선을 결정하는 단계와;
    기준 값으로서, 저주파수와 관련된 상위 임계값과 고주파수와 관련된 하위 임계값과 사이에서 상기 곡선의 가장 가파른 기울기로부터 거의 선형인 범위를 정의하는 단계와;
    상기 곡선의 상기 거의 선형인 부분에 걸친 주파수 천이를 결정함으로써 상기 캐리어 매체 내에 수반된 미립자 물질의 양을 나타내는 값을 획득하는 단계와;
    미립자 물질의 최대 및 최소 부하들이 결정될 때까지 상기 전계들 중 하나의 상을 반전시키고 상기 제 1 및 제 2 교번 전계들의 진폭들을 가변함으로써 방위각 방향으로 상기 결합된 교번 전계들을 회전시키는 단계와;
    상기 최대 및 최소 부하들과 이들의 공간적 관계로부터 총 부하의 측정과 상기 위치의 180°각 범위 내의 대략적인 표시와 상기 부하 내의 로프의 밀도를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미립자 물질의 흐름을 측정하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 위치에 한 쌍의 송신 안테나와 한 쌍의 수신 안테나를 각각 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 송신 안테나와 수신 안테나는 부정합인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 교번 전계를 형성시키기 위해, 높은 스펙트럼 순도의 고 전력 발생기에 의해 상기 송신 안테나에 전력을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    각 곡선의 거의 선형인 범위에서, 관련 감쇠 및 주파수를 갖는 기준점을 선택하는 단계와;
    상기 차단 주파수에서 상기 캐리어 매체에서의 미립자의 최대 부하에서의 주파수 천이(
    Figure 712006503883564-pct00015
    )(여기서,
    Figure 712006503883564-pct00016
    )를 뺀 것보다 낮은 주파수에서 서로로부터 90°만큼 방위가 변위된 또 다른 쌍의 교번 전계를 형성시키는 단계와;
    그의 관련 주파수가 상기 기준점과 관련된 감쇠와 같을 때까지 상기 저 주파수를 증가시키는 단계와;
    상기 증가된 저 주파수와 상기 기준점과 관련된 각 주파수간의 차이를 유도해내는 단계와; 그리고
    상기 차이로부터, 상기 캐리어 매체에 수반된 미립자 물질의 량을 나타내는 값을 유도해내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 저 주파수는 그의 관련 감쇠가 상기 상위 및 하위 임계값 내에 놓일 때까지 상기 상위 임계값과 하위 임계값 간의 주파수 차이를 초과하지 않는 증분으로 증가하며, 상기 주파수는 상기 관련 기준점과 관련된 감쇠로 외삽되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 곡선은 변곡점을 가지며, 상기 거의 선형인 범위는 상기 변곡점을 포함하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 변곡점은 상기 기준점으로서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 위치로부터, 상기 거의 선형인 범위내의 주파수에서 추가의 교번 전계를 형성시키는 단계와;
    상기 제 1 위치로부터 90°만큼 방위가 변위된 원격 위치에서 상기 추가의 교번 전계를 검출하는 단계와; 그리고
    상기 원격 위치에서 유도된 교류 전압의 상 위치에 의해 상기 로프의 위치를 정의하는 단계를 정의하는 단계를 더 포함하며,
    그럼으로써 상기 제 2 위치에서 0°방위각으로부터 출발하여, 동일 위상일 경우에는 로프가 90°보다 크고 270°보다 작은 범위에 위치하며, 반대 위상일 경우에는 로프가 90°보다 작고 270°보다 큰 범위에 위치하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 교번 전계의 유도 및 수신은 부정합된 짧은 헤르츠 안테나에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
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