專利名稱：一種氣固兩相流固相濃度在線測量系統(tǒng)及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)生產(chǎn)過程在線實(shí)時測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種氣固兩相流固相濃度的在線測量系統(tǒng)及測量方法。
背景技術(shù)：
在石油、冶金、化工、電力等諸多工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)過程中，應(yīng)用氣固兩相流固相參數(shù)在線實(shí)時測量手段，對生產(chǎn)過程實(shí)施優(yōu)化控制、安全環(huán)保和高效運(yùn)行具有十分重要的作用。但氣固兩相流固相參數(shù)在線實(shí)時測量與氣固兩相流的速度測量相比，固相濃度在線測量的難度極大。一是兩相流的流動情況比較復(fù)雜，存在著難以控制的各種流型，在流動過程中，各組分在流體混合物中的空間分布往往是不均勻的，而且分布隨時間變化，很難找到其流動規(guī)律，無法采用數(shù)學(xué)建模等手段；二是固相本身的尺寸大小、含水量、組分等物理特性的改變也會影響到傳感器的輸出信號，給固相濃度的在線測量帶來極大困難；三是固相顆粒對探頭的污染、磨損、堵塞以及部分場合高溫送料帶來的熱防護(hù)等存在的實(shí)際問題直接影響到傳感器的可靠性。為探索氣固兩相流固相參數(shù)在線實(shí)時測量的技術(shù)解決方案，目前國內(nèi)外已公開的相濃度的測量方法有基于衰減原理的聲學(xué)法、光學(xué)法、輻射法或微波法等；基于電學(xué)原理的靜電法、電容法；采用諧振原理的核磁共振法(NME)、電子磁共振法(EMR)，采用熱線風(fēng)速儀原理的傳熱法；采用PIV或普通CXD拍攝清晰粒子圖像后進(jìn)行處理的圖像法；還有采用流體力學(xué)差壓原理的如文丘里管差壓法等。中國專利92114912. 3公開了一種“非均勻氣固兩相流顆粒濃度和速度的測量方法及探針”，該方法通過減小探針端部的體積接受有限體積內(nèi)顆粒的反射光來測量某一局部的瞬時顆粒濃度和動壓強(qiáng)，以獲得局部的顆粒濃度，但由于探針本身的存在就會干擾顆粒濃度場，使得測量結(jié)果存在較大誤差，同時由于顆粒的沖刷作用使得此方法無法長期在線使用。中國專利93212914. 5公開了一種“工業(yè)用電容式氣固兩相流相濃度檢測裝置”該裝置利用離散相濃度的變化會引起電極間電容值的變化來實(shí)現(xiàn)氣固兩相流相濃度的檢測， 屬于非接觸式測量，不干擾流場，但無法抗拒現(xiàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，使得實(shí)際使用效果不佳。中國專利00119531. X公開了一種“氣固兩相流流量和濃度的氣動式測量方法”， 該方法在主管路的彎頭處設(shè)置一個氣動支路，通過氣動支路的參數(shù)測量獲得主管路彎頭處內(nèi)外壁的壓力差，從而算得氣固兩相流的流量和固相濃度。該方法同樣會對顆粒的濃度場造成干擾，另外由于顆粒的沖刷作用使得此方法無法長期在線使用。中國專利申請200510045723. 4公開了一種“超聲波和電容傳感器的兩相流濃度測量裝置及測量方法”，該方法使用電容傳感器和超聲波傳感器測量離散相濃度，利用數(shù)據(jù)融合提高測量精度，雖然在測量精度上有所提高，但仍無法避免收到現(xiàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，實(shí)際使用效果不佳。
中國專利200710069863. 4公開了一種“測量氣固兩相流中固體顆粒三維濃度場、 速度場的方法和裝置”，該方法利用高速攝影機(jī)拍攝粒子圖像，然后利用粒子圖像的相關(guān)性得到粒子三維運(yùn)動軌跡和三維速度場，雖然可以同時得到粒子的速度場和濃度場，但缺點(diǎn)是對于密相濃度場，只能得到表面的濃度，另外由于裝置價格昂貴，光學(xué)條件要求高，不適合工業(yè)現(xiàn)場在線使用。中國專利200710071293. 2公開了一種“基于太赫茲發(fā)射與探測裝置的氣固兩相流顆粒濃度的檢測裝置及方法”，該方法利用基于微波與紅外光之間的太赫茲電磁波通過顆粒場前后的幅值變化來測量顆粒濃度場，屬于非接觸式測量，可以在線使用，但電磁波幅值的衰減收到的影響因素較多，如顆粒的粒徑，氣固兩相流中的含水量都會對測量結(jié)果造成影響。而國內(nèi)外目前可以使用的在線式氣固兩相流濃度的非接觸式測量方法是是同位素的射線式儀表，如X射線、Y射線、β射線等，這些方法都存在安全防護(hù)問題，操作要求高， 需要定期標(biāo)定射線源，且價格昂貴。綜上所述，氣固兩相流固相濃度測量技術(shù)目前仍然處于工程應(yīng)用的探索階段，尚未有突破性的技術(shù)方案出現(xiàn)。因此，如何克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，已成為當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)在線實(shí)時測量技術(shù)領(lǐng)域中亟待解決的一項重大難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種氣固兩相流固相濃度的在線測量系統(tǒng)及測量方法，本發(fā)明能夠克服工業(yè)生產(chǎn)過程在線測量中的高溫高粉塵等惡劣工作環(huán)境所帶來的影響，從而實(shí)現(xiàn)高精度和高可靠性的測量。根據(jù)本發(fā)明提出的一種氣固兩相流固相濃度在線測量系統(tǒng)，包括超聲波發(fā)送裝置 Τ、超聲波接收裝置R、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)處理與輸出裝置，超聲波接收裝置R、 信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)處理與輸出裝置依次連接，信號調(diào)理器由帶通濾波器和信號放大器組成，超聲波發(fā)送裝置τ與超聲波接收裝置R對向設(shè)置，其特征在于還包括超聲波驅(qū)動振幅調(diào)制裝置和隔熱防塵防護(hù)裝置，超聲波驅(qū)動振幅調(diào)制裝置分別與超聲波發(fā)送裝置T 和數(shù)據(jù)采集器連接，超聲波發(fā)送裝置T設(shè)置在隔熱防塵防護(hù)裝置1內(nèi)，超聲波接收裝置R設(shè)置在隔熱防塵防護(hù)裝置2內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明提出的一種氣固兩相流固相濃度在線測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于第一步驅(qū)動信號調(diào)制，即對超聲波發(fā)射裝置T的正弦或方波的驅(qū)動信號進(jìn)行調(diào)幅，首先用振幅10-20V的正弦或方波信號驅(qū)動，然后顯著增加驅(qū)動信號的增幅使其達(dá)到40-80V并持續(xù)1-80毫秒時間，最后回到振幅10-20V的正弦或方波信號驅(qū)動；第二步超聲波信號接受，即超聲波信號經(jīng)過測量段，聲速發(fā)生改變，改變后的超聲波信號被超聲波接受裝置R接受；第三步測量信號調(diào)理，將超聲波接受裝置R接受的信號進(jìn)行濾波和放大；第四步測量信號采集，即利用數(shù)據(jù)采集器采集調(diào)理后的測量信號；第五步測量信號處理，數(shù)據(jù)處理和輸出裝置對采集到的信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算并代入計算公式算得固相濃度；第六步測量結(jié)果輸出， 即數(shù)據(jù)處理和輸出裝置算出的固相濃度結(jié)果進(jìn)行輸出顯示。本發(fā)明的測量原理是根據(jù)不同固相濃度條件下具有不同的聲速，通過測量聲速即可完成相濃度測量。根據(jù)均相模型，對于等熵過程，氣固混合物的聲速α與氣粉混合物的粉氣比β具有下列關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種氣固兩相流固相濃度在線測量系統(tǒng)，包括超聲波發(fā)送裝置T、超聲波接收裝置 R、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)處理與輸出裝置，超聲波接收裝置R、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)處理與輸出裝置依次連接，信號調(diào)理器由帶通濾波器和信號放大器組成，超聲波發(fā)送裝置T與超聲波接收裝置R對向設(shè)置，其特征在于還包括超聲波驅(qū)動振幅調(diào)制裝置和隔熱防塵防護(hù)裝置，超聲波驅(qū)動振幅調(diào)制裝置分別與超聲波發(fā)送裝置T和數(shù)據(jù)采集器連接，超聲波發(fā)送裝置T設(shè)置在隔熱防塵防護(hù)裝置1內(nèi)，超聲波接收裝置R設(shè)置在隔熱防塵防護(hù)裝置2內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣固兩相流固相濃度在線測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于第一步驅(qū)動信號調(diào)制，即對超聲波發(fā)射裝置T的正弦或方波的驅(qū)動信號進(jìn)行調(diào)幅，首先用振幅10-20V的正弦或方波信號驅(qū)動，然后顯著增加驅(qū)動信號的增幅使其達(dá)到40-80V 并持續(xù)1-80毫秒時間，最后回到振幅10-20V的正弦或方波信號驅(qū)動；第二步超聲波信號接受，即超聲波信號經(jīng)過測量段，聲速發(fā)生改變，改變后的超聲波信號被超聲波接受裝置R接受；第三步測量信號調(diào)理，將超聲波接受裝置R接受的信號進(jìn)行濾波和放大；第四步，測量信號采集，即利用數(shù)據(jù)采集器采集調(diào)理后的測量信號；第五步，測量信號處理，數(shù)據(jù)處理和輸出裝置對采集到的信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算并代入計算公式算得固相濃度；第六步，測量結(jié)果輸出，即數(shù)據(jù)處理和輸出裝置算出的固相濃度結(jié)果進(jìn)行輸出顯示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣固兩相流固相濃度在線測量系統(tǒng)，其特征在于超聲波驅(qū)動振幅調(diào)制裝置由正弦或方波信號源、幅值調(diào)制控制器、特征信號電壓放大器和特征信號功率放大器依次連接組成，其中，幅值調(diào)制控制器連接幅值調(diào)制電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣固兩相流固相濃度在線測量系統(tǒng)，其特征在于隔熱防塵防護(hù)裝置包括接氣法蘭、傳感器安裝基座、隔熱套管、超聲波傳感器、安裝基管和壓緊螺帽，其中接氣法蘭與隔熱套管連接，安裝基管和隔熱套管同軸與接氣法蘭連接并由壓緊螺帽固定，超聲波傳感器設(shè)置在傳感器安裝基座上，傳感器安裝基座設(shè)置在安裝基管的前端。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種氣固兩相流固相濃度在線測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于第一步驅(qū)動信號調(diào)制，即對超聲波發(fā)射裝置T的正弦或方波的驅(qū)動信號進(jìn)行調(diào)幅，首先用振幅10-20V的正弦或方波信號驅(qū)動，然后顯著增加驅(qū)動信號的增幅使其達(dá)到40-50V 并持續(xù)1-40毫秒時間，再次顯著增加驅(qū)動信號的增幅使其達(dá)到70-80V并持續(xù)1-40毫秒時間，最后回到振幅10-20V的正弦或方波信號驅(qū)動。
全文摘要
本發(fā)明屬于工業(yè)生產(chǎn)過程在線實(shí)時測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種氣固兩相流固相濃度的在線測量系統(tǒng)及測量方法。該測量系統(tǒng)包括超聲波發(fā)送裝置T、超聲波接收裝置R、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)處理與輸出裝置，其特征在于還包括超聲波驅(qū)動振幅調(diào)制裝置和隔熱防塵防護(hù)裝置，超聲波發(fā)送裝置T和超聲波接收裝置R分別設(shè)置在隔熱防塵防護(hù)裝置內(nèi)并對向設(shè)置；該測量方法依次為驅(qū)動信號調(diào)制、超聲波信號接受、測量信號調(diào)理、測量信號的采集、測量信號處理和測量結(jié)果的輸出等步驟。本發(fā)明能夠克服工業(yè)生產(chǎn)過程在線測量中的高溫高粉塵等惡劣工作環(huán)境特別是復(fù)雜電磁環(huán)境干擾所帶來的影響，從而實(shí)現(xiàn)高精度和高可靠性的測量。
文檔編號G01N15/06GK102507404SQ201110383628
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者劉心志, 張后雷, 朱曙光, 熊榮輝, 王益祥 申請人:南京理工大學(xué)