PL205259B1 - Sposób pomiaru stężenia substancji unoszonej w ośrodku gazowym - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru stężenia substancji stałej lub ciekłej unoszonej w ośrodku gazowym, stosowany szczególnie do pomiaru stężenia i wydatku pyłu węglowego transportowanego pneumatycznie kanałem rurowym do palników kotłów energetycznych.

Znane są sposoby pomiaru substancji unoszonej w ośrodku gazowym wykorzystujące wpływ stężenia substancji na częstotliwość generowanej w kanale rurowym fali elektromagnetycznej. Znaną jest również prawidłowość fizyczna, według której przy ściśle określonej częstotliwości, zwanej częstotliwością graniczną występuje zjawisko skokowej zmiany parametrów fali elektromagnetycznej. Gwałtowna zmiana parametrów fali wynika ze zmiany charakteru jej rozprzestrzeniania, przejścia ze stanu tłumienia do stanu propagacji. Częstotliwość graniczna zależy wyłącznie od właściwości fizycznych środowiska wypełniającego kanał oraz od geometrii falowodu. Jeden ze sposobów pomiaru wykorzystujących opisane zjawisko przedstawiony jest w polskim opisie zgłoszenia wynalazku nr P-337795 (WO 9901752). Sposób polega na generowaniu fali elektromagnetycznej wewnątrz kanału oraz pomiarze w miejscu oddalonym od miejsca jej wprowadzania tłumienności fali w funkcji częstotliwości poniżej częstotliwości granicznej. Zmianę wartości częstotliwości granicznej określa się na podstawie przesunięcia liniowych odcinków charakterystyk tłumienności, które wyznaczone są dla warunków aktualnego pomiaru i dla warunków kalibracji przeprowadzonej dla przepływu o znanym stężeniu substancji unoszonej. Najczęściej kalibrację przeprowadza się dla przepływu czystego powietrza. Następnie obliczana jest wartość przenikalności dielektrycznej ε1 mieszaniny substancji i gazu z wzoru:

ει = 1/u.i(1^fg/fgo)², otrzymanego z przekształcenia równania:

^Afg = ^fg0^-fg1 = Μ^1-1/Χ^εΐλ w którym poszczególne symbole oznaczają :

Af_g - różnicę wartości częstotliwości granicznej w warunkach kalibracji f_g0 i w warunkach aktualnego pomiaru fg1, μ1 - przenikalność magnetyczną mieszaniny substancji i gazu.

Dla tak obliczonej przenikalności dielektrycznej ε1 przyporządkowana jest odpowiednia wartość stężenia substancji.

W opisanym sposobie dokładność wyznaczenia stężenia substancji wewnątrz falowodu zależy od dokładności ustalenia wartości częstotliwości granicznych. Pomiar tłumienności opiera się na pomiarze amplitud fali w miejscu generowania jak i w pewnym oddaleniu od miejsca generowania fali. Dokładność tych pomiarów nie jest wystarczająca dla określania przepływu ciał stałych transportowanych pneumatycznie. Ponadto należy stwierdzić, że przesunięcie odcinków charakterystyki tłumienności nie jest tożsame z przesunięciem wartości częstotliwości granicznej, przesunięciem wywołanym zmianą stężenia substancji w warunkach aktualnego przepływu względem warunków przepływu o znanym stężeniu. Nachylenie tych quasi liniowych odcinków jest funkcją wartości przenikalności dielektrycznej i przewodności ośrodka; nierównoległość odcinków liniowych może wprowadzać znaczące błędy pomiarowe.

Metodyka sposobu pomiaru według niniejszego wynalazku odróżnia się od powyżej opisanego tym, że mierzonym parametrem fali elektromagnetycznej jest szybkość przyrostu w dziedzinie częstotliwości różnicy faz fali w dwóch dowolnych punktach propagacji fali, a wartość częstotliwości granicznej falowodu wyznaczana jest jako wartość, przy której szybkość przyrostu różnicy faz fali w dziedzinie częstotliwości osiąga wartość maksymalną. Wartość przenikalności dielektrycznej oblicza się z wzoru:

^fg g1

1,81118 2 nr Αμε c, w którym:

fg1 - oznacza częstotliwość graniczną fali, r - promień kanału, μ1 - przenikalność magnetyczną ośrodka, ε1 - przenikalność dielektryczną ośrodka, c - prędkość światła.

PL 205 259 B1

Współczesna technika pomiarowa i obliczeniowa pozwala dokonać bezpośredniego, bardzo dokładnego pomiaru różnicy faz fali elektromagnetycznej. Z analizy zjawisk w falowodzie, w zakresie obejmującym częstotliwość graniczną wynika, iż przy częstotliwości granicznej fala osiąga w ośrodku bezstratnym prędkość fazową nieskończenie dużą, a w ośrodku rzeczywistym, stratnym - prędkość maksymalną. Objawia się to wartością maksymalną przyrostu różnicy faz między dwoma punktami propagacji fali. Wartość przenikalności magnetycznej przyjmuje się μ1 = 1. Wartość stężenia substancji wyznaczana jest więc na podstawie jednego pomiaru częstotliwości granicznej, zbyteczny staje się pomiar kalibracyjny dla przepływu o znanym stężeniu substancji.

Rozwinięcie wynalazku mające na celu zwiększenie dokładności pomiaru polega na tym, że tak samo jak dla przepływu aktualnego wyznacza się wartość częstotliwości granicznej dla przepływu o znanym stężeniu unoszonej substancji, a wartość przenikalnoś ci dielektrycznej oblicza się z wzoru:

^ε1 ^{= μ}1 ² _- Afg f k ^g0 7 w którym:

μ1 - oznacza przenikalność magnetyczną ośrodka w warunkach pomiaru,

Af_g - różnicę częstotliwości granicznych Af_g = f_g0 - f_g1, fg0 - częstotliwość graniczną w warunkach przepływu o znanym stężeniu unoszonej substancji, fg1 - częstotliwość graniczną w warunkach przepływu aktualnego.

Sposób ten zalecany jest szczególnie w warunkach, gdy przepływ substancji powoduje zmianę wymiarów kanału wskutek wycierania jego powierzchni. Pomiar kalibracyjny w warunkach przepływu o znanym stężeniu unoszonej substancji eliminuje błędy wynikające ze zmiany wymiarów, zwiększa dokładność pomiaru. Korzystne jest, gdy pomiar kalibracyjny przeprowadzany jest dla przepływu czystego powietrza.

Kolejne usprawnienie wynalazku eliminuje błędy pomiaru związane z występowaniem w kanale pasm o zwiększonym stężeniu substancji. Pomiary szybkości przyrostu w dziedzinie częstotliwości różnicy faz w dwóch punktach propagacji fali prowadzi się w co najmniej dwóch układach pomiarowych, z których każdy zawiera sondę nadawczą i sondę odbiorczą, zabudowane w płaszczyznach obróconych o kąt środkowy względem płaszczyzny sąsiedniego układu pomiarowego. Płaszczyznę układu pomiarowego wyznacza sonda nadawcza, sonda odbiorcza i oś kanału pomiarowego. Do obliczenia przenikalności dielektrycznej brana jest wartość średnia częstotliwości granicznych lub różnic wartości częstotliwości granicznych wyznaczonych na podstawie pomiarów we wszystkich układach pomiarowych. Korzystnym jest, gdy układy pomiarowe obrócone są o 90° względem siebie.

Dodatkowo wykonany pomiar prędkości przepływu substancji pozwala dla określonego stężenia obliczyć wydatek substancji unoszonej w kanale.

Wspólną ideę wynalazczą z powyżej opisanym sposobem ma sposób pomiaru, w którym dla określenia różnicy wartości częstotliwości granicznej falowodu w warunkach przepływu o znanym stężeniu unoszonej substancji i w warunkach przepływu aktualnego stosowany jest pomiar wielkości przesunięcia w dziedzinie częstotliwości wybranego punktu charakterystyki różnicy faz fali, zmierzonej w dwóch punktach propagacji fali. Pomiar ten prowadzony jest w zakresie częstotliwości obejmującym częstotliwość graniczną. Przesunięcie charakterystyki różnicy faz fali, wywołane zmianą stężenia substancji, jest niemal równoległe, sam przebieg charakterystyki jest bardzo stabilny.

Korzystnym jest, gdy różnicę wartości częstotliwości granicznych ustala się jako wartość średnią z przesunięć w dziedzinie częstotliwości co najmniej dwóch punktów charakterystyki różnicy faz fali, zmierzonej w dwóch punktach propagacji fali.

Podobnie jak w powyżej opisanym sposobie, błędy związane z występowaniem w kanale pasm o zwiększonym stężeniu substancji eliminować można przez wykonanie pomiarów przesunięć w dziedzinie częstotliwości punktów charakterystyki różnicy faz fali w co najmniej dwóch układach pomiarowych. Do obliczenia przenikalności dielektrycznej brana jest wartość średnia wartości przesunięcia punktów charakterystyki z wszystkich układów pomiarowych

Sposób według wynalazku wyjaśniony jest opisem przykładowego wykonania pomiaru parametrów przepływu pyłu węglowego do palnika kotła energetycznego, zobrazowanego rysunkami, które przedstawiają:

PL 205 259 B1

Fig. 1. - fragment pomiarowy kanału służącego do pneumatycznego transportu pyłu węglowego, Fig. 2. - charakterystyki różnicy faz fali elektromagnetycznej i szybkości przyrostu różnicy faz w dziedzinie czę stotliwoś ci,

Fig. 3. - doświadczalnie wyznaczone charakterystyki szybkości przyrostu różnicy faz fali w kanale zawierającym tylko powietrze ^{d (A}Pl) df w kanale z przepł ywem pył u wę glowego ^d(APi)

Fig. 4. - charakterystyki natężenia i przesunięcia fazowego fali w kanale.

Pył węglowy transportowany jest pneumatycznie kanałem 1 w postaci stalowej rury o średnicy D = 0,315 m, na której zainstalowane są dwie sondy nadawcze k1 i k3 oraz dwie sondy odbiorcze k2 i k4, umożliwiające pomiar parametrów fali elektromagnetycznej. Sonda k5 służy do pomiaru prędkości pyłu węglowego. Wszystkie sondy k1, k2, k3, k4 i k5 połączone są z nieuwidocznionym na rysunku układem pomiarowym i elektronicznego przetwarzania danych, który pozwala precyzyjnie wyznaczyć wartość pierwszej pochodnej różnicy faz Δφ względem częstotliwości. Wartość pochodnej d(Ap)/df osiąga maksimum dla wartości częstotliwości granicznej fg. Na rysunku fig. 2. przedstawiono doświadczalnie wyznaczone charakterystyki różnicy faz Apg fali w dwóch punktach przewodu wypełnionego wyłącznie powietrzem oraz charakterystykę pierwszej pochodnej różnicy faz względem częstotliwości d(Ap)/df. Częstotliwość, przy której d(Apg)/df osiąga maksimum jest częstotliwością graniczną fali w przewodzie, w tym przypadku jest to wartość 558,15 MHz. Na rysunku fig. 3 przedstawiono wyznaczoną charakterystykę d(Apg)/df fali w kanale 1 przy przepływie o znanym stężeniu substancji - w tym przypadku kanałem przepływało tylko czyste powietrze. Następnie wyznaczono charakterystykę d(Api)/df fali w kanale 1, którym transportowany był pneumatycznie pył węglowy. Maksymalne wartości d(Ap)/df określają wartości częstotliwości granicznych, a na podstawie wartości przesunięcia częstotliwości granicznej Afg lub na podstawie wartości częstotliwości granicznej fgi - fali w przewodzie z przepływem pyłu można wyznaczyć wartość ει i następnie przyporządkować tej wartości stężenie pyłu węglowego. W analizowanym przypadku wartości te wyniosły: Af_g = 0,529 MHz, f_g = 557,62 MHz, a wyznaczone stężenie pyłu węglowego osiągnęło wartość 949 g/m . Zmierzona sondą kg wartość prędkości substancji umożliwiła wyznaczenie wydatku pyłu węglowego.

Drugi przykład sposobu pomiaru stężenia substancji przedstawiony jest również w zastosowaniu do pomiaru parametrów przepływu pyłu węglowego wewnątrz stalowej rury o średnicy d = 0,315 m według rysunku fig. 1. Na rysunku fig. 4 zamieszczono charakterystyki natężenia fali elektromagnetycznej Ag i A i charakterystyki różnicy faz fali elektromagnetycznej Apg i Api. Charakterystyki Ag i Apg wykonane zostały w warunkach, gdy w kanale 1 było tylko powietrze, natomiast charakterystyki Ai i Ap1 wykonane zostały podczas przepływu pyłu węglowego unoszonego w powietrzu. Przebieg charakterystyk Ag i A uwidacznia, że quasi liniowe odcinki MgNg i M1N1 nie są równoległe - stąd też ustalenie wielkości przesunięcia charakterystyki natężenia fali w dziedzinie częstotliwości może być obarczone błędem. Różnicę wartości częstotliwości granicznych wyznaczono w oparciu o wartość przesunięcia w dziedzinie częstotliwości charakterystyk różnic faz Ap1 i Apg. I tak na stałym poziomie wartości Δφ punkt Sg ulega przesunięciu do punktu S1 o wartość Ap_g = 0,525 MHz.

Ze wzoru:

= 1/g1(1-Afg/fgg) obliczona zostaje wartość 81 i tej wartości przyporządkowane jest stężenie pyłu węglowego, które w tym przypadku osiąga wartość 942 g/m³. Wartość częstotliwości granicznej f_gg może być wyznaczona na drodze pomiarowej jako częstotliwość, przy której ^{d (A}Po)

Claims (11)

1. Sposób pomiaru stężenia substancji unoszonej w ośrodku gazowym, przepływającej przez kanał, wykonany z materiału przewodzącego prąd elektryczny, polegający na:

- generowaniu wewnątrz kanału fali elektromagnetycznej,

- pomiarze parametrów tej fali w zakresie częstotliwości obejmującym częstotliwość graniczną fali, w dwóch dowolnych punktach propagacji fali usytuowanych wzdłuż kanału w płaszczyźnie przechodzącej przez oś kanału i punkt generowania fali,

PL 205 259 B1

- okreś leniu - na podstawie zmian parametru fali, częstotliwości granicznej fali,

- obliczeniu wartoś ci przenikalnoś ci dielektrycznej oś rodka wypeł niają cego kanał oraz przyporządkowaniu do niej wartości stężenia substancji w warunkach przepływu aktualnego, znamienny tym, że mierzonym parametrem jest szybkość przyrostu w dziedzinie częstotliwości różnicy faz fali w dwóch dowolnych punktach propagacji fali (d(A<i>i)/df), a wartość częstotliwości granicznej fi) falowodu wyznaczana jest jako wartość, przy której szybkość przyrostu różnicy faz fali w dziedzinie częstotliwości (df.-A.pg/df) osiąga wartość maksymalną przy czym wartość przenikalności dielektrycznej (ει) oblicza się z wzoru:

^fg g1

1,81118 2 nr y/με c, w którym:

fg1 - oznacza częstotliwość graniczną fali, r - promień kanału, μ1 - przenikalność magnetyczną ośrodka, ε1 - przenikalność dielektryczną ośrodka, c - prędkość światła.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że tak samo jak dla przepływu aktualnego wyznacza się wartość częstotliwości granicznej (j^ dla przepływu o znanym stężeniu unoszonej substancji, a wartość przenikalności dielektrycznej (ει) oblicza się z wzoru:

^ε1 ^{= μ}1 ² \ Afg f i ^g0 7 w którym:

μ1 - oznacza przenikalność magnetyczną ośrodka w warunkach pomiaru,

A_g - różnicę częstotliwości granicznych Af_g = f_g0 - f_g1, fg0 - częstotliwość graniczną w warunkach przepływu o znanym stężeniu unoszonej substancji, fgi - częstotliwość graniczną w warunkach przepływu aktualnego.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że wartość częstotliwości granicznej (tgo) dla przepływu o znanym stężeniu unoszonej substancji wyznacza się dla przepływu czystego powietrza.

4. Sposób według zastrz. i albo 2, znamienny tym, że pomiary szybkości przyrostu w dziedzinie częstotliwości różnicy faz fali w dwóch punktach propagacji fali (df.-Apg/df) prowadzi się w co najmniej dwóch układach pomiarowych, z których każdy zawiera sondę nadawczą (ki, k3) i sondę odbiorczą (k2, k4), zabudowane w płaszczyznach obróconych o kąt środkowy względem płaszczyzny sąsiedniego układu pomiarowego, przy czym do obliczenia przenikalności dielektrycznej (ει) brana jest wartość średnia częstotliwości granicznych (f_g) lub różnic wartości częstotliwości granicznych (Afg wyznaczonych na podstawie pomiarów we wszystkich układach pomiarowych.

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że układy pomiarowe (ki, k2 i k3, k4) obrócone są o 90° względem siebie.

6. Sposób według zastrz. i, znamienny tym, że dokonuje się pomiaru prędkości przepływu substancji (k5) i na podstawie wartości stężenia i prędkości oblicza się wydatek substancji unoszonej w ośrodku gazowym.

7. Sposób pomiaru stężenia substancji unoszonej w ośrodku gazowym, przepływającej przez kanał, wykonany z materiału przewodzącego prąd elektryczny, polegający na:

- generowaniu wewnątrz kanału fali elektromagnetycznej,

- pomiarze parametrów tej fali w zakresie częstotliwości obejmującym częstotliwość graniczną fali w dwóch dowolnych punktach propagacji fali usytuowanych wzdłuż kanału, w płaszczyźnie przechodzącej przez oś kanału i punkt generowania fali,

- określeniu - na podstawie zmian parametru fali, różnicy wartości częstotliwości granicznej fali, dla warunków przepływu o znanym stężeniu unoszonej substancji i dla warunków przepływu aktualnego,

- obliczeniu wartości przenikalności dielektrycznej ε₁ z wzoru:

PL 205 259 B1 ει = 1/n.i(1^fg/f_g0)², w którym:

Af_g - oznacza różnicę wartości częstotliwości granicznej f_g0 w warunkach przepływu o znanym stężeniu unoszonej substancji i w warunkach przepływu aktualnego fg1, μ1 - przenikalność magnetyczna.

- oraz na przyporządkowaniu do tak obliczonej przenikalności dielektrycznej ε1 wartości stężenia substancji, znamienny tym, że parametrem określającym różnicę wartości częstotliwości granicznych (Af_g) jest wielkość przesunięcia (Sn-Sg w dziedzinie częstotliwości wybranego punktu (S0) charakterystyki różnicy faz fali (Αψη) zmierzonej w dwóch punktach (k₂, ks) propagacji fali, przesunięcia wywołanego zmianą stężenia substancji od wartości znanego stężenia do wartości stężenia aktualnego pomiaru.

8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że różnicę wartości częstotliwości granicznych (Afg) ustala się jako wartość średnią z przesunięć (S_o-S_:, To-Τι) w dziedzinie częstotliwości co najmniej dwóch punktów (Sn, To) charakterystyki różnicy faz fali (Αψη) zmierzonych w dwóch punktach propagacji fali.

9. Sposób według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że pomiary przesunięć w dziedzinie częstotliwości punktów charakterystyki różnicy faz fali prowadzi się w co najmniej dwóch układach pomiarowych, z których każdy zawiera sondę nadawczą (ki, Κβ) i sondę odbiorczą (k₂, k4> zabudowane w płaszczyznach obróconych o kąt środkowy względem płaszczyzny sąsiedniego układu pomiarowego, przy czym do obliczenia przenikalności dielektrycznej (gj) brana jest wartość średnia różnic wartości częstotliwości granicznych (Afg) ustalonych na podstawie pomiarów we wszystkich układach pomiarowych.

10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że układy pomiarowe (k1, k2 i k3, k4) obrócone są o 90° względem siebie.

11. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że dokonuje się pomiaru prędkości przepływu substancji (k5) i na podstawie wartości stężenia i prędkości oblicza się wydatek substancji unoszonej w ośrodku gazowym.