专利名称：电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统的制作方法
技术领域：
本发明属于多相流测量技术，特别是电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统。 二
背景技术：
在电厂锅炉的运行过程中，煤粉燃烧器一次风和煤粉量(即煤粉浓度)的均匀性 对锅炉的安全经济运行起着重要作用。保持适当的煤粉浓度是建立良好的炉内空气动 力工况和稳定燃烧的必要条件，国内外的许多学者在煤粉浓度的测量方面做过大量的 研究，现有的测量方法主要分为直接法和间接法，间接法包括阻力压差法、能量法、 温度法、热平衡法；直接法包括光学波动法、激光法、电容法和超声波法。这些测 量方法在测量原理、适用性、可靠性、反应速度、系统复杂程度上有较大差异。
间接测量方法的一个最主要的测量缺陷就是它所测量的参数不是煤粉浓度，而是 通过测量其它参数如温度、压力等来间接反映浓度，从而也就造成这些方法受其它因 素的影响很多,如锅炉的燃烧器的布置、炉膛内部结构、周围的环境温度等，所以要 想通过间接测量方法来实现煤粉浓度的准确测量非常困难。
直接测量法虽然不存在间接测量法固有的缺点，但是上述直接测量法各自也存在 严重的缺陷，应用前景不是很广泛。具体体现如下
光学波动法的测量精度主要受光纤探头的结构、被测量微粒的直径、煤粉浓度的 高低影响，探头是否被污染也直接影响到测量的准确性，同时仪器存在着价格高、校 核难、操作维护困难的问题，因此在工厂使用中推广有较大的难度；电容法的检测场 属于"软场"，有其固有的灵敏度分布不均匀性问题，使测量结果不仅与煤粉浓度有关， 而且受煤粉分布及流型变化的影响很大，测量误差较大，这使电容法在管道煤粉浓度 测量中受到很大限制，只能用于测量低浓度的煤粉流；激光法的探头容易受煤粉污染、 所以该方法因受工作环境及设备造价等因素影响而少有电厂应用。
而微波测量法作为一种新型的煤粉浓度测量法，属于直接测量法范畴，不存在间 接测量法的缺陷，另外它也不像其它的几种直接测量方法那样受诸多额外因素影响。 对于微波测量系统而言，目前应用最多的是采用探头作为信号接收和发射装置，也有
采用喇叭天线作为收发装置的。但是这两种收发装置的测量系统都有一定的局限性， 不能准确的测量煤粉浓度值。
采用探头作为信号发射装置时，需要将探头插入到输煤管内，这会对测量造成严 重影响，不能准确的测得煤粉浓度值，因为一方面输煤管内的煤粉流会磨损探头，影 响测量结果，同时也会造成探头更换频繁；另一方面管内的煤粉流会在探头顶端形成 绕流区，导致微波信号传输通过输煤管时产生较大波动，对测量也会造成较大影响。 采用喇叭天线作为收发装置的微波系统，在系统的设计上存在较大的差异；并且对微 波信号的处理上也不是很合理，导致即使在同一测量条件下其测量结果也会发生较大 变化，不能有效的测量煤粉浓度值。
目前，电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统一般采用喇叭天线(或探头)作为信号 发射和接收装置，其不同的放置方式会使得微波系统的测量结果相差很大。目前常用 的探头和喇叭天线的放置方式有两种(1)在输煤管两侧对等放置，微波信号垂直于 管内煤粉流动的方向被接收；(2)在输煤管同侧放置，微波信号在管壁反射几次后被 接收。这两种放置方式的微波系统在进行煤粉浓度在线测量时，都存在有一定的问题， 无法准确的实施测量。
采用前一种放置方式的微波系统，由于其测量沿程较短，测量段内的煤粉量较少， 所以对微波信号的吸收衰减也较小，使得衰减前后的电压值变化较小。这较小的电压 差值有时无法被测出，因此也就无法确定出煤粉浓度值。
采用后一种放置方式的微波系统，由于微波信号在管壁上有一个反射过程，测量 沿程较长，测量段内的煤粉量较大，所以对微波的吸收衰减也较大，使得衰减前后的 电压值变化较大，这种情况下的电压差值较易被测出。但是由于输煤管是圆管，当微 波在管壁上反射时，会有很大一部分微波信号被反射到其他方向上无法被接收装置接 收到，这也会导致衰减前后的电压值发生变化，所以该系统测得的电压差值不仅仅是 由管内煤粉对微波的吸收衰减引起的，还包括因一部分微波信号被反射掉而引起的， 因此不能用其测得的电压差值来确定煤粉浓度值。
另外，微波发射和接收装置一般都是通过喇叭天线或探头来实现的，喇叭天线是放置在输煤管外的，而探头是放置在管内的。输煤管内流动的是煤粉和空气的混合物， 而煤粉颗是表面粒一种多松孔的结构，具有较强的粘着力，较容易黏附到管内壁面。 而管内的一次风速较高， 一般在15m/s以上，这一较高的风速在输送煤粉的过程中会 不断的吹扫管内壁面，使得黏附在壁面上的煤粉不至于过多，但是由于不可能完全吹 扫去所有黏附在管壁面上煤粉，残留在管壁这一部分煤粉会对微波测量产生影响，会 增大测量误差。 三
发明内容
本发明的目的在于提供一种电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统，该系统能够提高 测量电压差值，减小测量误差，同时有效的消除了管壁粘煤粉的影响，提高测量精度， 实现煤粉浓度的准确测量。
实现本发明目的技术解决方案是 一种电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统，包括 输煤管，发射器和接收器设置在输煤管两侧，并沿径向错位安装以使发射器发射的微 波信号传输方向与输煤管内的煤粉流动方向成偏角。
本发明电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统的发射器发射的微波信号传输方向与煤
粉流动方向之间的偏角0为30° ~60° 。
本发明电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统的微波振荡器、功分计和发射器构成发 射装置，而接收装置包括测量信号接收装置和参考信号接收装置，测量信号接收装置 包括接收器、第一检波器、第一直流放大电路和第一低通滤波器，参考信号接收装置 包括第二检波器、第二直流放大电路、第二低通滤波器和差放电路；所述的输煤管两 侧设置发射器和接收器，微波振荡器产生的微波信号经隔离器滤除噪声信号后输入到 功分计，该微波信号被分成两束相同的信号， 一束作为参考信号，另一束作为测量信 号；该测量信号由发射器发射到输煤管，被管内的煤粉吸收产生衰减后被接收器接收， 并传输到第一检波器上将微波衰减信号转化为直流电压信号，并通过第一直流放大电 路将转化后的直流电压信号放大，再经第一低通滤波器滤除低频信号后传输到差分电 路中；所述的参考信号直接传输到第二检波器上将微波信号转化为直流电压信号，并 经过第二直流放大电路将转化后的直流电压信号放大，再经第二低通滤波器滤除低频
信号后，传输到差分电路中；参考信号和测量信号在差分电路中产生电压差值，该电 压差值与输煤管内的煤粉浓度之间存在一一对应关系，并在电压测量端中测出，从而 确定与电压差值相对应的煤粉浓度值。
本发明电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统的发射器和接收器沿径向错位设置在输 煤管两侧形成测量区域，在靠近该测量区域的输煤管上开孔设置喷口，压縮空气通过 该喷口吹扫测量区域的输煤管管壁，压缩空气的吹扫方向与输煤管内的煤粉流动的方 向相同。
本发明与现有技术相比，其显著优点是(1)改变传统微波信号收发装置的布置 方式，将收发装置在输煤管两侧倾斜布置，微波信号与管内煤粉流动方向成一定偏角 被接收，因而增加了测量沿程，充分利用了多卜勒效应，增大了煤粉对微波的吸收衰 减作用，从而增大了测量的电压差值，而且避免了采用反射测量时出现的问题，能准 确的测出煤粉浓度值，可以有效的用于电站锅炉煤粉浓度的在线测量。(2)利用煤粉 对微波的吸收作用，选用喇叭天线作为微波信号收发装置，结合微波发射装置和接收 装置，将微波衰减信号转化为电压差值信号，通过测量电压差值来确定煤粉浓度值， 避免了采用探头测量时存在的问题；通过测量电压差值信号的方法，有效的解决了测 量结果不一致的问题，能够准确的测出煤粉浓度值。(3)在输煤管上开两个孔安装喷 口，通过喷口向管内加压縮空气，吹扫管壁面黏附的煤粉，压缩空气的吹扫方向与煤 粉流动方向相同，压縮空气的流速要大于一次风速，因而消除管壁粘煤粉的影响，提 高了微波测量的精度。(4)结构简单，具有安装方便、测量精高、实时性好，能够有 效的用于煤粉浓度的在线测量。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 四
图1是本发明电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统的结构示意图。 图2是本发明电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统的差值电压随煤粉浓度的变化曲 线图。
五具体实施方式
结合图l，本发明电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统，包括输煤管14，发射器4 和接收器5设置在输煤管14两侧，并沿径向错位安装以使发射器4发射的微波信号传 输方向与输煤管14内的煤粉17流动方向成偏角e，该偏角^最宜为30。 ~60° 。发射 器4和接收器5可以为探头或者喇叭天线，如果发射器4和接收器5为探头时设置在 输煤管14的内侧，如果发射器4和接收器5为喇叭天线时设置在输煤管14的外侧。 当发射器4和接收器5为喇叭天线时，为了消除管壁对微波信号的吸收作用，在发射 器4和接收器5设置在输煤管14两侧的管壁上开孔设置两块聚四氟乙烯平板。
本发明利用煤粉对微波的吸收作用，设计微波发射装置和接收装置，将微波衰减 信号转化为电压差值信号，通过测量电压差值来确定煤粉浓度值。即微波振荡器l、功 分计3和发射器4构成发射装置，而接收装置包括测量信号接收装置和参考信号接收 装置，测量信号接收装置包括接收器5、第一检波器6、第一直流放大电路7和第一低 通滤波器8，参考信号接收装置包括第二检波器ll、第二直流放大电路12、第二低通 滤波器13和差放电路9;所述的输煤管14两侧设置发射器4和接收器5，微波振荡器 1产生的微波信号经隔离器2滤除噪声信号后输入到功分计3，该微波信号被分成两束 相同的信号， 一束作为参考信号，另一束作为测量信号；该测量信号由发射器4发射 到输煤管14，被管内的煤粉吸收产生衰减后被接收器5接收，并传输到第一检波器6 上将微波衰减信号转化为直流电压信号，并通过第一直流放大电路7将转化后的直流 电压信号放大，再经第一低通滤波器8滤除低频信号后传输到差分电路9中；所述的 参考信号直接传输到第二检波器11上将微波信号转化为直流电压信号，并经过第二直 流放大电路12将转化后的直流电压信号放大，再经第二低通滤波器13滤除低频信号 后，传输到差分电路9中；参考信号和测量信号在差分电路9中产生电压差值，该电 压差值与输煤管内的煤粉浓度之间存在一一对应关系，并在电压测量端10中测出，从 而确定与电压差值相对应的煤粉浓度值。因此，在锅炉现场进行煤粉浓度微波测量时， 要事先标定出电压差值随煤粉浓度的变化曲线，并为该曲线建立一个数据库。在以后 的测量过程中，将测得的电压差值自动输入到数据库中，即可找出该差值下对应的煤 粉浓度值，完成总个的测量过程。为了消除管壁粘煤粉17的影响，发射器4和接收器5沿径向错位设置在输煤管14 两侧形成测量区域15，在靠近该测量区域15的输煤管14上开孔设置喷口 16，压縮空 气18通过该喷口 16吹扫测量区域15的输煤管管壁，压縮空气18的吹扫方向与输煤 管14内的煤粉17流动的方向相同。在输煤管14内的煤粉17的测量过程中，通过发 射器4发射的微波信号传输通过一侧测量区域15，被煤粉17吸收，再穿过另一侧的测 量区域被接收。压縮空气18是通过安装在输煤管14上的喷口 16加入，并吹扫测量区 管壁，其吹扫方向与管内煤粉17流动的方向相同，防止流动的煤粉17堵塞喷口。喷 口 16的尺寸依据测量区域的宽度而定，基本要求是从喷口 16喷进的压縮空气18能完 全吹扫测量区域15的内管壁，而且压縮空气18的流速大于一次风速。
总之，本发明电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统是利用煤粉对微波的吸收作用研 制的。微波信号被分成两束相同的信号(测量信号和参考信号)。测量信号经过煤粉吸 收后产生衰减。参考信号没有被煤粉17吸收，与衰减前的测量信号具有相同的电压值。 则参考信号和测量信号之间的电压差值即是测量信号被煤粉吸收前后的电压变化值， 这一变化值与煤粉媒粉浓度之间存在一一对应关系，通过测量电压差值即可用来确定 煤粉浓度值。采用发射器4和接收器5错位放置，是为了增大测量沿程，产生多卜勒 效应，增大测量电压值，提高测量精度。开孔设置喷口 16是为了消除管壁粘煤粉的影 响，减小微波测量的误差。
结合图2，利用本发明电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统测得的四种不同煤粉的电 压差值随煤粉浓度变化曲线图，图中的煤粉浓度在0 0.8kg/kg之间变化，与现场煤粉 浓度范围一致。由图可知，通过本发明电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统测得的电压 差值与煤粉浓度之间存在一种单调曲线关系，在现场测量时，只要将测得的电压差值 与该曲线对比，即可确定出煤粉浓度值，因此可以有效的用于锅炉现场的煤粉浓度测 量。
权利要求
1、一种电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统，包括输煤管[14]，其特征在于发射器[4]和接收器[5]设置在输煤管[14]两侧，并沿径向错位安装以使发射器[4]发射的微波信号传输方向与输煤管[14]内的煤粉[17]流动方向成偏角。
2、 根据权利要求l所述的电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统，其特征在于发射 器[4]发射的微波信号传输方向与煤粉[17]流动方向之间的偏角^为30° ~60° 。
3、 根据权利要求l所述的电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统，其特征在于微波 振荡器[l]、功分计[3]和发射器[4]构成发射装置，而接收装置包括测量信号接收装置和 参考信号接收装置，测量信号接收装置包括接收器[5]、第一检波器[6]、第一直流放大 电路[7]和第一低通滤波器[8]，参考信号接收装置包括第二检波器[ll]、第二直流放大 电路[12]、第二低通滤波器[13]和差放电路[9];所述的输煤管[14]两侧设置发射器[4]和 接收器[5]，微波振荡器[1]产生的微波信号经隔离器[2]滤除噪声信号后输入到功分计 [3]，该微波信号被分成两束相同的信号， 一束作为参考信号，另一束作为测量信号； 该测量信号由发射器[4]发射到输煤管[14]，被管内的煤粉吸收产生衰减后被接收器[5] 接收，并传输到第一检波器[6]上将微波衰减信号转化为直流电压信号，并通过第一直 流放大电路[7]将转化后的直流电压信号放大，再经第一低通滤波器[8]滤除低频信号后 传输到差分电路[9]中；所述的参考信号直接传输到第二检波器[11]上将微波信号转化为 直流电压信号，并经过第二直流放大电路[12]将转化后的直流电压信号放大，再经第二 低通滤波器[13]滤除低频信号后，传输到差分电路[9]中；参考信号和测量信号在差分 电路[9]中产生电压差值，该电压差值与输煤管内的煤粉浓度之间存在一一对应关系， 并在电压测量端[10]中测出，从而确定与电压差值相对应的煤粉浓度值。
4、 根据权利要求l、 2或3所述的电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统，其特征在 于发射器[4]和接收器[5]沿径向错位设置在输煤管[14]两侧形成测量区域[15]，在靠近 该测量区域[15]的输煤管[14]上开孔设置喷口[16]，压縮空气[18]通过该喷口[16]吹扫测 量区域[15]的输煤管管壁，压縮空气[18]的吹扫方向与输煤管[14]内的煤粉[17]流动的方 向相同。
5、根据权利要求4所述的电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统，其特征在于压縮空气[18]的流速大于一次风速。
6、根据权利要求l、 2或3所述的电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统，其特征在 于发射器[4]和接收器[5]为探头或者喇叭天线。
7、根据权利要求7所述的电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统，其特征在于发射器[4]和接收器[5]为探头时设置在输煤管[14]内，或者发射器[4]和接收器[5]为喇叭天线 时设置在输煤管[14]外。
8、根据权利要求7所述的电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统，其特征在于在发 射器[4]和接收器[5]为喇叭天线时，在输煤管[14]的管壁上开孔设置两块聚四氟乙烯平 板。
全文摘要
本发明公开了一种电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统。该系统包括输煤管，发射器和接收器设置在输煤管两侧，并沿径向错位安装以使发射器发射的微波信号传输方向与输煤管内的煤粉流动方向成偏角；并从电压差值与输煤管内的煤粉浓度之间存在一一对应关系通过发射装置和接收装置来确定与电压差值相对应的煤粉浓度值。本发明将收发装置在输煤管两侧倾斜布置，微波信号与管内煤粉流动方向成一定偏角被接收，因而增加了测量沿程，增大了煤粉对微波的吸收衰减作用，从而增大了测量的电压差值，而且避免了采用反射测量时出现的问题，能准确的测出煤粉浓度值；通过测量电压差值信号的方法，有效的解决了测量结果不一致的问题，能够准确的测出煤粉浓度值。
文档编号G01N22/00GK101344473SQ200710025018
公开日2009年1月14日 申请日期2007年7月10日 优先权日2007年7月10日
发明者宣益民, 朱芳波, 强 李 申请人:南京理工大学