專利名稱：氣固混合相流的流量計及流量測量方法
技術領域：
本發(fā)明屬于測量技術領域，特別涉及到煤化工領域中氣固混合相流(例如粉煤)的質量流量計及其測量方法。
背景技術：
目前，煤化工粉煤流量計量通常采用的方法是用核輻射式裝置測量粉煤的濃度， 以及獨立安裝的速度檢測儀表測量粉煤的流速。在核輻射式濃度測量設備中，需要使用鈷或者銫作為輻射源，存在有核泄漏的危險以及核廢料處理問題。由于其測得的濃度值包含了輸送氣體的密度，并且壓力和溫度的變動會導致氣體密度發(fā)生變化，從而影響到煤粉濃度的測量精度。速度檢測儀表由于內襯材料及結構設計等因素，無法克服由于高壓力所造成的測量元件的變形以及磨損問題，其通常的最高工作壓力僅為4MPa到5MPa，尚無法達到 IOMPa0另外其各測量裝置是分體安裝的，從而導致測得的速度和濃度間產生時間上的不同步，進而使測量結果進一步產生偏差。上述測量系統(tǒng)的測量精度偏差一般都在5%以上，如果考慮到溫度和壓力波動的影響，精度會更低。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是在于克服上述的問題，從多個方面進行改進，從而實現在高壓下對氣固混合相流(例如粉煤)的流量進行連續(xù)穩(wěn)定的精確測量。本發(fā)明的上述目的是通過提供一種用于測量氣固混合相流的質量流量的流量計實現的。本發(fā)明所涉及的用于測量氣固混合相流的質量流量的流量計包括測量管、濃度傳感器、速度傳感器和信號處理單元，所述測量管在測量時被安裝在傳輸待測流的管道中。所述濃度傳感器和速度傳感器被安裝在測量管上。優(yōu)選地，所述流量計還包括被安裝在測量管上的溫度傳感器。優(yōu)選地，所述測量管包括內管、設置在所述內管徑向外側的外管和用于將所述內管和外管與所述管道連接起來的法蘭套管。所述溫度傳感器、濃度傳感器和速度傳感器被設置在所述內管和外管之間。優(yōu)選地，所述流量計還包括設置在所述外管和信號處理單元之間的散熱隔熱部件。優(yōu)選地，所述內管由耐磨陶瓷制成。優(yōu)選地，所述內管與所述法蘭套管之間設置密封結構，該密封結構包括錐面密封、 徑向密封元件和軸向密封元件。優(yōu)選地，所述速度傳感器包括設置所述內管外側并且彼此軸向相間隔的兩個測量環(huán)。優(yōu)選地，所述濃度傳感器包括徑向相對地設置在所述內管外周上的兩個電極組， 其中一個電極組為發(fā)射極，另一個電極組為接收極。
本發(fā)明還涉及用流量計測量氣固混合相流的質量流量的方法，包括預先獲得測量管內孔的橫截面面積(A)；通過濃度傳感器獲得測量管中的所述流的濃度(K)；通過速度傳感器獲得測量管中的所述流的速度(V)；由信號處理單元計算所述流的質量流量(Q)。優(yōu)選地，所述測量管上設置溫度傳感器以獲得所述流的溫度，并在所述信號處理單元中使用所述溫度(T)對計算結果進行修正。優(yōu)選地，在所述測量管和信號處理單元設有散熱隔熱部件，并根據所述溫度(T)計算所述散熱隔熱部件的隔熱長度。優(yōu)選地，所述測量管包括內管、設置在所述內管徑向外側的外管和用于將所述內管和外管與所述管道連接起來的法蘭套管，其中所述溫度傳感器、濃度傳感器和速度傳感器被設置在所述內管和外管之間。優(yōu)選地，所述速度傳感器包括設置所述測量管上的彼此軸向相間隔的兩個測量環(huán)，并且測量速度(V)的步驟是利用相關法原理測得的。優(yōu)選地，所述濃度傳感器包括徑向相對地設置在所述測量管外周上的兩個電極組，其中一個電極組為發(fā)射極，另一個電極組為接收極，并且所述測量濃度(K)的步驟是利用固體物料對電磁波產生的衰減效應實現的。本發(fā)明采用了速度、濃度、溫度設計的一體化設計，克服了分體安裝方案所引起的測量速度和濃度時間上的不同步，使得測量結果更加具有實時性，從而提高了測量結果的真實性和可靠性；同時一體化結構節(jié)省了安裝空間，為測量儀表的安裝、維護、標定帶來極大的方便。本發(fā)明填補了工業(yè)自動化測量領域中高壓氣固兩相流質量流量測量的空白。附圖簡述


圖1是本申請的高壓粉煤流量計的一個實施例沿軸向方向的剖視圖； 圖2是所述流量計的隔熱部件的剖視圖； 圖3是所述流量計的密封結構的示意圖。附圖標記列表
1、散熱隔熱部件；2、信號處理單元；3、溫度傳感器；4、密封部件；41、徑向密封元件；42、軸向密封元件；5、濃度傳感器；6、速度傳感器；7、測量管；71、內管；72、外管； 73、法蘭套管；11、散熱部分；12、隔熱部分。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發(fā)明的高壓煤粉流量計的實施例及其工作原理進行詳細的描述。圖1描繪了本發(fā)明的高壓粉煤流量計的一個實施例沿軸向方向的剖視圖。在該實施例中，本發(fā)明的流量計包括散熱隔熱部件1、信號處理單元2、溫度傳感器3、密封部件4、 濃度傳感器5、速度傳感器6、和測量管7。其中，測量管7是供待測量的粉末流體通過的管道，溫度傳感器3、濃度傳感器5和速度傳感器6分別用于檢測從測量管內氣固兩相流介質的平均溫度、流速(V)和濃度(K)。測量管7內孔的橫截面積(A)可預先通過設計參數獲得， 于是，可通過下面的公式在信號處理單元2中計算得到固體物料的質量流量(Q)，即
質量流量(Q)=濃度(K) X流速(V) X測量管橫截面積(A)
4CN 102478416 A 測量管7被安裝于傳輸待測流的管道上，并且優(yōu)選地被設計成與所述管道的內徑相同。優(yōu)選地，測量管7包括三部分，供粉煤通過的內管71、保護性的外管72和用于密封和固定的法蘭套管73，并且法蘭套管73還用于將所述內管71和外管72連接到待測的管道上。上述溫度傳感器3、濃度傳感器5和速度傳感器6都被設置在所述內管71和外管72 之間，從而向這些敏感元件提供適當的保護。外管72通過螺栓等適當方式固定到兩側的法蘭套管73上，信號處理單元2經由散熱隔熱部件1安裝在所述外管72上。散熱隔熱部件1由兩部分構成，如圖2所示，第一部分為圖中斜線表示的散熱部分 11，第二部分為圖中實黑色表示隔熱部分12。由于過高的介質溫度會對信號處理單元產生不良影響(如溫度漂移等)，甚至損壞，因此針對被測介質溫度為80 130°C的情況，本發(fā)明采用了該散熱隔熱部件1。散熱部分11用于將過高的介質溫度散熱到周圍環(huán)境中，隔熱部分12用于將信號處理單元2與測量管7熱隔離。根據不同的工藝狀態(tài)，例如可以根據由溫度傳感器3測得的流介質的溫度(T)估算出所需的散熱和隔熱長度(例如附圖2中示例性地示出了長度為500mm的散熱隔熱部件)，從而可更換適當的散熱隔熱部件1。使用散熱隔熱部件1能夠有效消除介質溫度對信號處理單元的不良影響，避免管道的熱輻射和熱傳導，從而保證測量的精度和穩(wěn)定性。在通常的運行條件下，氣固兩相流的最高流速可高達20米/秒，將對測量管7造成非常大的磨損。由于測量的需要，現有技術中測量管材料一般選擇低介電常數、介電常數溫度特性穩(wěn)定的非金屬材料，例如聚甲醛、PTFE、增強玻璃纖維等，但是這些材料均不能很好解決磨損問題，同時PTFE等材料在高壓下的形變會帶來測量精度變差和加速磨損等問題。本發(fā)明經過實踐，發(fā)現使用耐磨陶瓷做為測量管可以極大提到耐磨性和使用壽命，并且對檢測結果不會產生不良影響。但是由于耐磨陶瓷本身的物理特性決定了其機械加工性能極差，為保證在10 MI^a介質壓力下安全可靠的密封，本發(fā)明進一步采取了圖3所示的密封結構設計，其將在下文中詳細說明。測量管7的內管71的每一端與法蘭套管73之間都設有本發(fā)明的密封結構，圖3示出了其中一個端部。內管71與法蘭套管73通過徑向密封元件41和軸向密封元件42壓裝配合連接到一起。通過采用本發(fā)明的密封結構，能夠使耐磨陶瓷測量管的端面與金屬管道可靠連接和密封，同時還消除了在環(huán)境溫度和被測介質溫度變化(80 130°C)的情況下， 由于測量管熱形變而可能產生的應力破壞。速度傳感器6包括安裝在測量管7的內管外側的、相隔一定距離的兩個測量環(huán)。速度測量采用的是相關法原理，即當固體物料流經第一個測量環(huán)時，會產生一個與流場中固體物料分布相關聯的特定信號，同樣在流經第二個測量環(huán)時，也會產生一個與流場中固體物料分布相關聯的特定信號。由于兩個測量環(huán)間距離很短，可以理解為近似穩(wěn)定流，流場中固體物料的分布不會發(fā)生太大改變，于是兩個測量環(huán)會得到一對相似的、相位不同的信號。 因為兩個測量環(huán)之間的距離是固定的，只要測得這對相似信號之間的時間延遲，就可以計算出固體物料速度(V)。其計算公式如下
固體物料速度(V)=兩個測量環(huán)間距(L) /信號延遲時間(T)。本發(fā)明還對濃度傳感器5包括安裝在測量管7的內管71外側的上下兩個半圓柱形電極組。電極的內表面貼合內管71的外表面。本發(fā)明的濃度傳感器5通過利用固體物
5料對電磁波產生的衰減效應實現。其中上半圓柱為電磁波發(fā)射極，下半圓柱為電磁波接收極。通過發(fā)射極發(fā)射高頻電磁波，在測量管中形成一個均勻的高頻交變電磁場。當固體物料通過這個均勻的高頻交變電磁場時，將使接收極所接收的信號發(fā)生改變，該變化與固體物料的濃度成正比。利用該規(guī)律，可以將接收極接收到的經信號送至處理單元計算得到固體物料的濃度值(K)。 溫度傳感器3用于檢測測量管內氣固兩相流介質的平均溫度。由于介質溫度的變化，會引起固體顆粒介電常數發(fā)生改變，從而造成測量結果的偏離。溫度傳感器3將檢測到的溫度數據傳送到信號處理單元2，信號處理單元2利用所測得的介質溫度對測量結果進行修正。通常，在介質溫度80 130°C范圍變化的情況下，可將修正后的測量精度偏差控制在3%之內。 本發(fā)明的上述實施例對本發(fā)明的流量計的各部分都進行了詳細的描述，但本領域的技術人員將意識到，在實際使用中，流量計不能不會具有所有上述細節(jié)。因此，上述實施例僅僅是說明性的而非限定性的。本發(fā)明的保護范圍應根據權利要求書加以確定。
權利要求
1.一種用于測量氣固混合相流的質量流量的流量計，包括測量管(7)、濃度傳感器 (5)、速度傳感器(6)和信號處理單元(2)，測量管(7)在測量時被安裝在傳輸待測流的管道中，其特征在于所述濃度傳感器(5 )和速度傳感器(6 )被安裝在測量管(7 )上。
2.根據權利要求1所述的流量計，還包括被安裝在測量管(7)上的溫度傳感器(3)。
3.根據權利要求2所述的流量計，其特征在于所述測量管(7)包括內管(71)、設置在所述內管(71)徑向外側的外管(72)和用于將所述內管(71)和外管(72)與所述管道連接起來的法蘭套管(73)，其中所述溫度傳感器(3)、濃度傳感器(5)和速度傳感器(6)被設置在所述內管(71)和外管(72)之間。
4.根據權利要求3所述的流量計，還包括設置在所述外管(72)和信號處理單元(2)之間的散熱隔熱部件(1)。
5.根據權利要求3所述的流量計，其特征在于所述內管(71)由耐磨陶瓷制成。
6.根據權利要求5所述的流量計，其特征在于在所述內管(71)與所述法蘭套管(73) 之間設置密封結構(4)，該密封結構(4)包括徑向密封元件(41)和軸向密封元件(42)，通過徑向密封元件(41)和軸向密封元件(42)壓裝配合連接到一起，所述密封結構(4)能夠減輕熱脹冷縮導致的變形影響。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的流量計，其特征在于所述速度傳感器(6)包括設置所述內管(71)外側并且彼此軸向相間隔的兩個測量環(huán)。
8.根據權利要求1-6中任一項所述的流量計，其特征在于所述濃度傳感器(5)包括徑向相對地設置在所述內管(71)外周上的兩個電極組，其中一個電極組為發(fā)射極，另一個電極組為接收極。
9.使用權利要求1的流量計測量氣固混合相流的質量流量的方法，包括預先獲得測量管(7)內孔的橫截面面積(A)；通過濃度傳感器(5)獲得測量管(7)中的所述流的濃度(K)；通過速度傳感器(6)獲得測量管(7)中的所述流的速度(V)；由信號處理單元(2)計算所述流的質量流量(Q)。
10.根據權利要求9所述的方法，還包括在所述測量管(7)上設置溫度傳感器(3)以獲得所述流的溫度(T)，在所述信號處理單元(2)中使用所述溫度(T)對計算結果進行修正。
11.根據權利要求10所述的方法，其中在所述測量管(7)和信號處理單元(2)設有散熱隔熱部件(1 )，其特征在于，根據所述溫度(T)計算所述散熱隔熱部件的隔熱長度。
12.根據權利要求9所述的方法，其特征在于所述測量管(7)包括內管(71)、設置在所述內管(71)徑向外側的外管(72)和用于將所述內管(71)和外管(72)與所述管道連接起來的法蘭套管(73)，其中所述溫度傳感器(3)、濃度傳感器(5)和速度傳感器(6)被設置在所述內管(71)和外管(72)之間。
13.根據權利要求9所述的流量計，其特征在于所述速度傳感器(6)包括設置所述測量管(7)上的彼此軸向相間隔的兩個測量環(huán)，并且測量速度(V)的步驟是利用相關法原理測得的。
14.根據權利要求9所述的流量計，其特征在于所述濃度傳感器(5)包括徑向相對地設置在所述測量管(7)外周上的兩個電極組，其中一個電極組為發(fā)射極，另一個電極組為接收極，并且所述測量濃度(K)的步驟是利用固體物料對電磁波產生的衰減效應實現的。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于測量氣固混合相流的質量流量的流量計。所述流量計包括測量管(7)、濃度傳感器(5)、速度傳感器(6)和信號處理單元(2)，測量管(7)在測量時被安裝在傳輸待測流的管道(8)中，其特征在于所述濃度傳感器(5)和速度傳感器(6)被安裝在測量管(7)上。本發(fā)明還涉及使用所述流量計進行流量測量的方法，該方法包括預先獲得測量管(7)內孔的橫截面面積(A)；通過濃度傳感器(5)獲得測量管(7)中的所述流的濃度(K)；通過速度傳感器(6)獲得測量管(7)中的所述流的速度(V)；由信號處理單元(2)計算所述流的質量流量(Q)。
文檔編號G01F1/86GK102478416SQ20101056595
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權日2010年11月30日
發(fā)明者姚巍, 姜從斌, 孫瑞剛, 楊立峰 申請人:Swr測量技術(北京)有限公司, 孫瑞剛, 航天長征化學工程股份有限公司