专利名称：颗粒物排放流速在线监测装置及其信号处理方法
技术领域：
本发明属于物理量的测量技术领域，特别涉及连续测定颗粒物排放速度的技术，可以用于电厂颗粒物排放或其它烟道排放的连续监测。还可以用于平板运动速度的非接触测量。
为了测定锅炉向大气排放固体颗粒物累计总量，需要连续在线测定烟道颗粒物的流速。以往的在线测量方法采用超声法、皮托管法或热膜法测定流速。超声流速监测系统依靠一对都可以收发超声波的电／声换能器，两个换能器分别安装在烟道两测，并在垂直方向上拉开一定距离。两个电／声换能器分别发送超声脉冲，并接受对方的超声波。顺着气流方向传播的超声波传输时间短，逆着气流方向传播的超声波传输时间长，根据传播时间和换能器的距离可以计算得到气流的流速。这种方法的缺点是在高流速烟道中，声波传输发生明显的弯曲，顺着流速的声波信号很强，而逆着流速的声波信号很弱，容易受到噪声干扰。皮托管法的缺点是容易发生堵塞。热膜法的缺点是需要温度补偿。
另一种方法是激光多普勒测速法。它利用分光镜把一束激光分成两束，并在测量区域相交。由于相干性，两束光形成平行的明暗变化的干涉条纹。当粒子穿过于涉条纹时，其散射光被探测器接收并转换成电信号。电信号是一串高频脉冲，通过分析脉冲的频率可以得到粒子的流速。这种方法并没有应用到烟道颗粒物排放速度的测量，其原因是光学结构精密，信号处理系统复杂，价格昂贵。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出了一种颗粒物排放流速在线监测装置及其信号处理方法，具有设备的成本低，能适应恶劣场合，且能自动地、快速地测定管道内气固两相流中颗粒物的流动速度。
本发明提出的一种颗粒物排放流速在线监测装置，其特征在于，包括安装在一个壳体内的一对单色光源，接收该两光源发出的两束光经测量介质反射后的光束的光学接收系统，接收经光学接收系统后的光束的光敏探测器阵列，与该光敏探测器阵列输出端相连的信号处理器及存储在其中的信号处理程序，所说的在测量区两光束相互平行且相距一间隔，所说的光学接收系统使测量区域与光敏探测器阵列共轭。
本发明所说的一对单色光源可采用两个半导体激光器。
本发明所说的光学接收系统可由设置在同一光轴上的接收物镜、透镜、滤光片所组成。
所说的光敏探测器阵列可为多元光敏二极管阵列或四象限光敏管。
本发明用于上述装置的信号处理方法，包括下述步骤(1)将光敏探测器阵列的输出信号转换成数字序列；(2)求这些序列的互相关函数；(3)计算流速，存贮结果并输出相应的模拟信号。
本发明的工作原理当粒子穿过测量区时，其像会成在探测器上。此探测器由两个分立的相同的光敏元组成，并分别与两激光束对应。由于颗粒的运动，先后经过两个激光束，粒子的像先后经过这两个光敏元，所以两个光敏元的输出信号具有相关性。根据它们的互相关函数可以确定颗粒物的流速。
若R(τ)是两个光敏元的输出的互相关函数，颗粒物的运动速度可以用下式表示V∝dτm]]>式中V为颗粒物的运动速度，d表示光敏元之间的距离，τm表示相关函数最大点。本发明的关键是基于上述两种信号处理方法。
本发明的特点及效果如下1、是一种非介入测量，测量装置不影响被侧区域中粒子的运动。
2、由于属于非多普勒测量，所以设备的成本会大幅度降低，且适应恶劣场合。
3、不仅可以用于颗粒物流速的测量，还可以测量平板运动速度的非接触测量。
附图简要说明
图1是本发明的实施例总体结构图；图2是本发明实施例的探测器结构图；图3是本发明实施例的软件框图；本发明设计的颗粒物排放量在线监测装置及其信号处理方法实施例结合各附图详细说明如下本实施例的颗粒物排放量在线监测装置总体结构如图1所示，由两个单色光源101a和101b、准值透镜102a和102b、楔形镜201a和201b、接收物镜202、透镜103、滤光片104、光敏探测器阵列105、单片机信号处理器106，电缆107组成，它们被安装在一个壳体内。其中，单色光源101a和101b所产生的光经透镜102a和102b准直后射入气固两相流体301中。两束光分别经过楔形镜201a和201b折射转向，在测量区302交汇，但并不相交，它们之间有3mm左右的距离。也就是说，如果光源101a发出的光束在纸面里，则101b发出的光束在纸面上方(或下方)3mm左右。处在测量区302的光束被粒子散射，一部分散射光经透镜202、103、滤光片104，被探测器阵列105接收。经放大和模／数转换后在单片机106内进行处理计算，最后得到颗粒物的流速。窄带滤光片104是用来阻止其它波长的光进入探测器以减少背景光的干扰，其透射波长与光源的中心波长吻合。法兰402安装在烟道壁401上。整机外壳通过法兰203固定在法兰402上。
本实施例的探测器为多元光敏二极管阵列或四象限光敏管，图2示出了两元光敏二极管阵列。测量时，粒子的像先经过205a再经过205b。
本实施例的流速信号处理软件流程如图3所示，包括以下步骤(1)对两元光敏二极管阵列205a和205b的输出交替采样，将模拟信号转换成两个数字序列；(2)求两序列的互相关函数R(τ)；(3)根据互相关函数求流速V；(4)将流速值存贮，并输出4～20mA电流信号。
权利要求
1.一种包括安装在一个壳体内的一对单色光源，接收该两光源发出的两束光经测量介质反射后的光束的光学接收系统，接收经光学接收系统后的光束的光敏探测器阵列，与该光敏探测器阵列输出端相连的信号处理器及存储在其中的信号处理程序，所说的在测量区两光束相互平行且相距一间隔，所说的光学接收系统使测量区域与光敏探测器阵列共轭。
2.按权利要求1所述的颗粒物排放流速在线监测装置，其特征在于，所说的一对单色光源采用两个半导体激光器。
3.按权利要求1所述的颗粒物排放流速在线监测装置，其特征在于，所说的光学接收系统由设置在同一光轴上的接收物镜、透镜、滤光片所组成。
4.按权利要求1所述的颗粒物排放流速在线监测装置，其特征在于，所说的光敏探测器阵列为多元光敏二极管阵列或四象限光敏管。
5.一种用于如权利要求1所述装置的信号处理方法，包括下述步骤(1)将光敏元探测器阵列输出的信号转换成数字序列；(2)求数字序列的互相关函数；(3)计算流速，存贮结果并输出相应的模拟信号。
全文摘要
本发明属于物理量的测量技术领域,特别涉及连续测定颗粒物排放速度的技术,包括安装在一个壳体内的一对半导体激光器、光学接收系统、光敏探测器阵列、信号处理器,其中,在测量区两激光束相互平行且相距一较近间隔,光学接收系统使测量区域与光敏探测器阵列共轭。本发明能自动地、快速地测定管道内气固两相流中颗粒物的流动速度。
文档编号G01F1/66GK1279394SQ0012154
公开日2001年1月10日 申请日期2000年8月11日 优先权日2000年8月11日
发明者陈安世, 郝吉明, 周中平, 贺克斌 申请人:清华大学