专利名称：测量管道中微粒/流体混合物的参数的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种测量管道内通过的流的装置，更特别地涉及一种利用声动态压力测量在流中传播的声速从而确定例如管道中流的微粒/流体比、微粒尺寸以及体积流速等参数的装置和方法，所述流具有在持续的流体中悬浮的微粒。
背景技术：
本发明提供一种测量管道中的流体/微粒混合物的参数的方法，该方法可以在许多应用中、例如在化学、制药、石油以及发电工业中使用。特别地，本发明提供一种在粉状燃料传送系统中使用的测量粉煤和空气混合物的方法，该粉状燃料传送系统位于在发电工业中使用的占大比例的燃煤锅炉中。
当前，在美国，超过50％的电是用煤产生的。虽然，在美国，煤被认为是节省成本且丰富的资源，但是主要出于保护环境的考虑，煤的使用已经受到限制。为了减轻这种影响，美国能源部门和发电企业设计了大量的计划来发展工艺以减少燃煤的环境影响。这些洁净煤计划包括被设计用于在减少污染物、例如未燃煤、灰以及氮氧化物(NOx)的同时改进燃烧过程以提高效率的技术。
测量煤管道内的流速和空气/煤混合物的成分的能力是任何被设计用于优化PF传送系统的性能的系统或策略的一个重要方面。企业认识到了这一点，并且因此一直在发展各种不同的技术以执行这种测量。这些技术包括基于采样装置的探测器，以及基于各种不同的技术(包括静电荷，微波，以及超声波)的实时仪表。
发明内容
本发明的目的包括提供一种在工业锅炉系统和相关的过程、例如燃煤锅炉系统中测量通过管道中的微粒/流体混合物传播的声速从而确定该混合物的特定参数的系统。
根据本发明，一种用于测量管道中微粒/流体混合物的至少一个参数的装置包括由至少两个压力传感器组成的空间阵列，所述传感器沿管道布置在不同轴向位置上。每一个压力传感器在相应的轴向位置上测量管道内的不稳定压力。每一个所述传感器在所述传感器中相应的一个传感器的所述轴向位置上提供指示管道内不稳定压力的压力信号。信号处理器响应于所述压力信号提供指示管道内混合物的至少一个参数的信号。
根据本发明，一种用于测量管道内微粒/流体混合物的至少一个参数的方法包括在沿管道的至少两个预定的轴向测量位置上测量管道内的不稳定压力，从而在至少两个预定的轴向测量位置中的每一个位置上提供指示管道内不稳定压力的压力信号。此外，所述方法还包括利用在轴向测量位置上测量的不稳定压力计算管道中微粒/流体混合物的至少一个参数。
本发明的上述以及其它目的、特征和优点根据下面对其示范性实施方式的详细描述将变得更显而易见。
附图1是根据本发明的、用于测量在管道中流动的流体/微粒混合物的声速的流量计的方框图。
附图2是根据本发明的在燃煤锅炉系统中的粉状燃料(PF)/空气混合物参数测量系统的示意图。
附图3是表示附图2所示系统特有的煤的微粒尺寸的放大的照片。
附图4是根据本发明的、混合物的声速与按照空气/煤质量流比的频率的关系曲线图。
附图5是根据本发明的、作为空气/煤混合物频率的函数的声速的实际数据和模型的曲线图。
附图6是表示根据本发明针对PF/空气混合物参数测量系统的不同阵列的声速的标准偏差与频率的关系曲线图。
附图7是根据本发明作为频率的函数的声速的曲线图，该频率是具有固定的微粒尺寸(50毫米)和变化的空气/燃料质量比的空气/煤混合物的频率。
附图8是根据本发明作为频率的函数的声速的曲线图，该频率是具有变化的微粒尺寸而空气/燃料质量比等于1.8的空气/煤混合物的频率。
附图9是根据本发明的作为空气/煤比率的函数的声速的曲线图。
附图10是根据本发明用于从分析模型以及用试验方法确定的分散的声速数据中确定空气/燃料比和微粒尺寸的优化过程的流程图。
附图11是将附图10的优化过程应用于由传感器阵列记录的数据的结果的曲线图，所述传感器阵列监听6英寸圆环管道中微粒尺寸为50微米、气流速率为100英尺/秒、空气/燃料比为1.8的流。
附图12是将附图10的优化过程应用于一系列具有变化的空气/燃料比的数据集的结果的曲线图。
附图13是根据本发明由压力传感器阵列处理的数据的kω曲线图，所述压力传感器用于测量在管道中流动的煤/空气混合物的声速。
附图14是根据本发明的具有PVDF的多个压力传感器的侧视图，所述压力传感器夹到管道的外表面上。
附图15是附图14的一个压力传感器的局部透视图。
具体实施例方式 参照附图1，提供一种实施本发明的流量计10，该流量计测量固体微粒的混合物12的多个参数/特征，所述固体微粒悬浮在管道或导管14中流动的持续流体中，其中，将流体限定为液体和/或气体。该流量计可以被配置成和设计成测量通过混合物传播的声速。该流量计可以测量混合物流12的下面的参数中的至少一个流体/微粒浓度(体积相位分数volumetric phase fraction)，体积流率，固体微粒的尺寸，混合物的质量流量，以及混合物的速度。为了确定这些参数的任何一个，流量计10测量由通过在管道14中流动的混合物传播的声速(SOS)产生的不稳定压力，这将在下文中更详细地描述。
混合物12的固体微粒可以是任何尺寸、形状和材料。例如，该微粒的尺寸可以小到粉末形式、颗粒形式，或尺寸更大。流量计10可以在任何传送在通过管道的流体中悬浮的固体微粒的应用中使用，例如在化学、制药、石油以及发电的应用中使用。例如，本发明非常适用于测量发电系统的参数(例如，空气/煤比率，微粒尺寸)，该发电系统使用粉煤来点燃蒸汽锅炉系统的炉子。
作为一个实例，本发明将在用于发电的粉状燃料(PF)传送系统的上下文中论述，但是应当理解，该流量计也可以应用于许多如上文所述的其它的应用。附图2的燃煤锅炉系统2中示出了典型的PF传送系统1。煤在磨粉机3中被粉碎并夹带在空气中，从而通过用于传送的管道12将PF/空气混合物传输到炉子6，所述空气由多种装置、如风扇4产生。典型的炉子具有多于50个煤管道，每一个煤管道的直径为12-20英寸。典型地，大于300Mw的大型实用锅炉可具有4-11台给炉供给的磨粉机。PF传送系统将适当数量的燃料和空气共同地和分别地通过这些多个煤管道传送到炉子的能力，对该燃煤锅炉的性能以及排放有着很强的影响。
众所周知，PF传送系统1中的不均匀性可以导致燃料/空气比的变化，造成热点、高NOx产生区域以及未燃烧的燃料。必须充分地认识PF燃料传送系统1和锅炉系统2的性能之间的联系。包含了本发明的流量计10能够测量燃料/空气比以及提供给炉子的粉煤的微粒尺寸，从而向操作者提供反馈，以提供煤的更有效的燃烧。
如上所述，本发明的流量计10可以被配置和设计成测量并处理检测到的不稳定压力P1(t)-PN(t)，从而确定混合物流12的参数，该不稳定压力由通过混合物传播的声波产生。附图1表示了一个这样的流量计10，该流量计测量通过流体/微粒混合物传播的一维声波的声速(SOS)，从而确定混合物的成分，也就是混合物的流体/微粒比。该流量计也可以确定微粒的平均尺寸、混合物的速度以及混合物的体积流率。众所周知，在例如SONAR和RADAR场中，声音通过不同的介质以不同的速度传播。管道14内的混合物的声速可以使用多种公知的技术来确定，例如在2002年3月12日授权的标题为“Fluid ParameterMeasurement in Pipes Using Acoustic Pressures”的美国专利No.6354147和2001年11月7日提交的标题为“Fluid ParameterMeasurement in Pipes Using Acoustic Pressures”的美国专利申请No.10/007749中陈述的那些技术，将这两个专利申请合并在此作为参考。本发明利用至少一个流量计10来确定流体/微粒混合物的不同参数，其中，一个参数是声音在混合物管道系统中行进的速度，该速度将在下面进行更全面的描述。
根据本发明，通过使用不稳定压力传感器阵列被动地监听流来测量通过混合物12传播的声速，从而确定通过包含在管道14内的流体/微粒混合物传播的一维压缩波的速度。
如图1所示，流量计10包括至少三个声压传感器15，16，17的阵列，所述传感器位于沿管道14轴向的三个位置x1，x2，x3处。可以认识到，如在位置xN处的压力传感器18所示，该传感器阵列可以包括多于三个压力传感器。由声波产生的压力可以通过管道14中与外部压力传感器15-18相通的孔测量，或者通过下文所述的其它技术测量。压力传感器15-18将线路20，21，22，23上的随时间变化的压力信号P1(t)，P2(t)，P3(t)，PN(t)提供给信号处理单元30，然后分别提供给已知的快速傅立叶变换(FFT)逻辑电路26，27，28，29。该FFT逻辑电路26-29计算基于时间的输入信号P1(t)-PN(t)的傅立叶变换，并且在线路32，33，34，35上提供表示输入信号的频率含量的复频域(或基于频率的)信号P1(ω)，P2(ω)，P3(ω)，PN(ω)。代替FFT逻辑电路，也可以使用任何其它用于得到信号P1(t)-PN(t)的频域特征的技术。例如，也可以使用交叉谱密度和功率谱密度形成下文所述的频域传递函数(或频率响应或比率)。
将频率信号P1(ω)-PN(ω)送到amix-Mx计算逻辑电路38，该逻辑电路38将表示通过混合物传播的声速的信号amix(ω)提供到线路40，所述信号为函数频率(在更后面论述)。将amix(ω)信号提供到映射(或等分)逻辑电路42，该逻辑电路将amix(ω)转变成PF/空气混合物的百分比成分，并且将表示所述百分比成分(如下文所述)的％Comp信号提供到线路44。同样，如果该马赫数Mx(ω)是不可忽略的并且是所需的，该计算逻辑电路40也可以将表示马赫数Mx(ω)的信号Mx(ω)提供到线路46，该信号Mx(ω)是频率的函数。
对附图1所示的环形导管或管道12来说，在频率低于截止(cut-on)频率时只有平面波传播(参考文献Acoustics of Ducts andMufflers，M.J.Munjal，John Wiley&Sons，New York，1987) 对在18英寸管道中具有500米/秒的声速的混合物来说，该截止频率大约为600Hz。这样，在这个例子中，仅一维声波在600Hz以下传播。应当注意到很重要的一点，一维波仍然可以在这个频率之上传播，但是更高数量级的模式可能存在或可能不存在。
更特别地，对同质混合物中的平面一维声波来说，已知在沿管道的位置x处的声压场P(x，t)可以表示为右行进波和左行进波的叠加，其中，待测声波的波长λ与管道12的直径d相比较长(即，λ/d＞＞1)，所述声压场表示如下 式1 其中，A、B分别是右行进波和左行进波的基于频率的复振幅，x是沿管道的压力测量位置，ω是频率(单位rad/sec，其中ω＝2πf)，以及kr，k1分别是右行进波和左行进波的波数，它们被定义为 和式2 其中，amix(ω)是管道中混合物的声速，ω是频率(单位rad/sec)，以及Mx(ω)是在管道中混合物流的轴向马赫数，其中 式3 其中，Vmix是混合物的轴向速度。对非同质混合物来说，该轴向马赫数表示混合物的平均速度，并且低频声场描述基本上保持不变。
在管道内的基于时间的声压场P(x，t)的频域表示P(x，ω)是式1的eiωt项的系数，其表示如下 式4 参照附图1，我们发现，对在沿管道12的三个轴向分布的压力测量位置x1，x2，x3处的P(x，ω)使用式4产生了作为基于频率的压力测量的比率的函数的amix的方程式，该方程式允许消去系数A，B。对最佳结果来说，A和B在测量时间上基本上为常数，并且在测量部分中，基本上没有声音(或声能)被产生或破坏。声激励仅通过检验部分51的末端进入测试部分，这样可以独立于检验部分之外的声环境来测量在测量部分51之内的声速。特别地，分别在沿管道12的三个位置x1，x2，x3处的频域压力测量P1(ω)，P2(ω)，P3(ω)表示如下，所述频域压力测量使用用于右行进波和左行进波的式1 式5 式6 式7 其中，对给定的频率来说，A和B是描述传感器14，16，18之间的声场的任意常数。从式6，7中形成P1(ω)/P2(ω)的比率，并且求出B/A，其给出下面的表达式 式8 其中，将R定义为反射系数。
从式5和7中形成P1(ω)/P3(ω)的比率，并且求出0，得到 式9 其中，R＝B/A由式8定义，并且kr和k1与由式2定义的amix有关。式9可以用数值方式解决，例如，通过将“误差”或残差项定义为式9左侧的幅度，并且迭代以最小化该误差项。
式10 来自传感器阵列的数据可以在任何域内处理，所述域包括频率/空间域，时间/空间域，时间/波数域，或者波数/频率(k-ω)域。同样地，如果需要，也可以使用在这些或其它相关的域中的任何已知的阵列处理技术。
同样，也可以用软件(使用微处理器或计算机)和/或固件实现信号处理单元30内的一些或全部的功能，或者可以利用模拟和/或数字硬件实现所述功能，所述硬件具有充足的内存、接口，并且能够执行在此描述的功能。
声压力传感器15-18检测声压信号，所测量的声压信号是与用于现有技术中的超声流量计的信号相比频率更低(和波长更长)的信号，因此即使在保护或煤“粘滞”(roping)是不可能的地方、例如在弯道之后，本发明也更能容忍流中的不均匀性，如在流中的粘滞以及其它时间和空间域的不均匀性。术语“粘滞”是对本领域的技术人员来说已知的术语，该术语表示严重的空间和时间不良分布形式，所述不良分布形式导致具有广泛不同的成分密度的混合物流。在这种条件下，大部分的煤流位于沿管道14的一侧流动的区域内。
此外，本发明结合管道14的柔度来确定管道/PF/空气混合物系统的有效声速。通过多种非离散源、例如远程机器、磨粉机、风扇4(附图2)、阀、弯管以及PF/空气混合物流本身，在管道14的PF/空气混合物内产生声压信号P1(t)-PN(t)。该最后的源、即在管道14内流动的PF/空气混合物12保证任何PF/空气混合物管道系统的最小声级，这就是本发明的独特优点，所述PF/空气混合物是普通的噪声源。流动产生的声音随平均流速而增长，并且总噪声级(声压级)是产生机制和潮湿机制的函数。同样地，在本发明内不需要外部的离散噪声源，因此可以使用被动监听来操作。当流量计10被动地监听混合物流12时，本发明试图通过例如压缩、振动和/或敲打管道等方法增加声源以将所需声波注入到待测的流中。
对下文中将论述的特定类型的压力传感器、例如管道应变传感器、加速计、速度传感器或位移传感器来说，可能需要管道14表现出特定量的管道柔度。
可选择地，为了最小化由管道柔度造成的任何误差效应(以及相应校准的需要)，可以使管道14的轴向检验部分50尽可能地硬，其中，传感器15-18沿该轴向检验部分50定位。为了得到所需的硬度，可以使检验部分50的壁的厚度具有预定的厚度，或者该检验部分50可以由非常硬的材料构成，所述材料例如为钢，钛，凯夫拉
陶瓷，或者其它具有高模数的材料。
压力传感器(15-18)阵列的长度(孔径)ΔX是正被测量的声波的测量波长的至少一个有效部分。如将更详细描述的，待测声波波长至少是混合物12的分散特性的函数，其中，该分散特性至少是微粒的尺寸和质量以及流体粘性的函数。混合物的分散越大(例如尺寸和质量越大和/或流体粘性越小)，所需的阵列的长度就越长。相反地，混合物的分散越小(例如尺寸和质量越小和/或流体粘性越大)，所需的阵列的长度就越短。
此外，在本发明的范围内，倘若传感器的位置已知，则压力传感器的间距可以是已知的或任意的。如下文中将更详细描述的，传感器15-18也可以等间距地放置(如附图1所示)，或者任何不平均的或不等间距的放置。应当认识到，如果关于PF/空气混合物管道系统的声特性的特定信息已知，则仅需要少到两个传感器。
正如所述的，流量计10测量通过流体/微粒混合物传播的一维声波的声速，从而确定混合物的成分。特别地，通过稀释的固体/空气混合物传播的声速可以直接与流动的微粒的质量部分相关。典型的PF燃料传送系统1可以以1.5至2.5的空气/煤的比率工作，其中与在标准大气环境下的1.2kg/m3空气相比，煤密度为1200至1400kg/m3。这样，满足所需的质量比会导致在体积基础上非常稀的煤混合物，这类似于体积的1/1000的数量级。
假设煤微粒足够小，并且声频以及与声音有关的干扰频率足够小，以致于固体微粒表现出可忽略的滑动(稳定的和不稳定的)，则可以假设声速为非分散的(即频率不变)，并且可以通过Wood方程确定混合物的体积相位分数 包括由导管12引入的柔度效应(在这种情况下，环形管的模数为E，半径为R，管壁厚度为t) 其中 利用上述关系，附图4所示为声音在具有典型的煤/空气混合物的管道系统内行进的速度作为空气/煤质量比的函数。对这个例子来说，假设纯净空气具有1.2kg/m^3的密度和365.9m/s的声速，并且假设煤具有1400kg/m^3的密度以及2439m/s的声速。如图所示，增加煤所占比例、即减少空气/煤比率的结果是降低了声速。物理上，有效地增加煤微粒加载了混合物的质量，而完全不会改变空气的可压缩性。在感兴趣的参数范围内，混合物声速和空气/煤比率之间的关系被很好地表现，并且是单原子的。
当基于第一原理预测的校准曲线是鼓舞人心的时，使用从声速映射到空气/煤比率的经验数据可以提高本发明测量混合物的空气/煤所占比例的准确性。
然而，已经发现，粉状的煤/空气混合物的物理性质通常为在除了很低的频率(对于空气中额定为50μm的煤微粒来说，类似于频率＜1-2Hz)之外的所有频率上都存在速度滑动，这种情况如图7和8所示，并且将在下文中更详细地描述。
附图5表示将所测量的声速作为实际的煤/空气混合物12的频率的函数。该声速是利用在此描述的本发明的被动监听技术测量的。通过在50-300Hz之间的多个窄频范围上应用Capon阵列处理算法，确定该声速的频率依赖性，从而确定特定声传播速度的频率。在这个特定的例子中，该数据是在煤/空气混合物以标称为100ft/sec流动时得到的，其中，空气/煤质量比等于1.8。该煤微粒标称尺寸为50μm，代表在发电以及其它工业应用中使用的典型的粉煤。附图3表示了用于该检验的煤微粒的放大的视图。
此外，如图5所示，声速随着增高的频率而增长，并且以渐近线接近恒定值。在较高频率的声速渐近线基本上是仅通过没有悬浮的微粒影响的空气传播的声速。同样，明显地，煤/空气混合物的声速并没有达到测量声速的最低频率的准稳定界限。该声速将在更低的频率界限持续减小。本发明的重大发现在于，通过在持续的流体中悬浮的稀释微粒传播的声速是分散的。如在此限定的，声波通过分散的混合物传播的速度随频率而变化。
由于压力传感器15-18阵列的总长度(Δxaperature)与声音的波长相比变小，因而在频率逐渐越来越低时测量混合物12的声速的精确度固有地变低，所述总长度(Δxaperature)限定该阵列的孔径。通常，该孔径至少应当为感兴趣声速的波长的有效部分。在特定的实施方式中，当总孔径为3英尺时，通过间距为12英寸的四个传感器的阵列记录声速数据。在50Hz时，100ft/sec的声波具有20ft的波长。这样，这种特定阵列的孔径(大约36英寸)仅跨越波长的3/20，并且明显地消弱该阵列在所述孔径之下精确地分辨声速的能力。本发明的重要方面在于，在低频时分辨声速的能力直接与该阵列的孔径有关。因此，将更长的阵列用于分辨在更低频率的声速。如图6所示，将与确定空气中的声速有关的标准偏差表示为具有不同孔径、即1.5ft、3ft和10ft的三个阵列的频率的函数。
指定在超低频率时精确地测量声速的实际限制，该数据提出，利用准稳定模型解释在高于可应用准稳定模型的那些频率的频率上所测量的声速和空气/燃料比之间的关系可能是有问题的，并且实际上可能是不切实际的。这样，通过声速测量理解并解释煤/空气混合物的成分的关键在于该煤/空气混合物的分散特性。
根据本发明，该系统的分散特性利用空气和微粒之间的相互作用的第一原理模型。这种模型被视为寻求说明分散效应的一类模型的代表。在不改变本公开内容的目的的情况下，也可以将其它模型用于说明分散效应(例如，参见由R.L.Gibson，Jr.和M.N.
所著的标题为“Viscous Attenuation of Acoustic Waves in Suspensions”的文章)，将其合并在此作为参考。该模型允许持续流体相位的局部速度和微粒的局部速度之间的滑动。通过与局部流体速度和流体微粒速度之差成比例的力对由持续流体施加在微粒上的拉力进行建模，所述拉力由惯性力平衡 其中，K＝比例常数，Uf＝流体速度，Up＝微粒速度，ρp＝微粒密度，以及vp＝微粒体积。
将流体微粒在持续流体相位上的作用力的效应建模为轴向动量方程的力项。区域A的控制体积和长度Δx的轴向动量方程由下式给出 其中，P＝在位置x和Δx处的压力，φp＝微粒的体积分数，ρf＝流体密度。
该微粒拉力由下式给出 其中，Cd＝拉力系数，Ap＝微粒的正面面积，以及ρf＝流体密度。
针对在低雷诺(Reynold)数时球面上拉力使用斯托克(Stokes)定律，产生如下的拉力系数 其中，Dp＝微粒直径，以及μ＝流体粘度。
在这种模型中求解K，产生 K＝3πμDp 使用上面的关系以及1维声学建模技术，可以导出理想流体微粒混合物的分散特性的下面的关系。
在上面的关系中，流体SOS、密度(ρ)以及粘度(φ)都是纯相位流体的，vp是单个微粒的体积，以及φp是混合物中微粒的体积相位分数。
在粉煤测量中首要感兴趣的两个参数是微粒尺寸和空气/燃料质量比。为此，感兴趣的是检验作为这两个变量的函数的混合物的分散特性。附图7和8表示煤/空气混合物的分散特性，其参数是那些在粉煤传送系统中经常使用的参数。
特别地，附图7表示对于一定范围的空气/燃料比率来说空气中具有50微米标称尺寸的煤的预测特性。如图所示，空气/燃料比的影响在低频率界限内被充分地限定。然而，在更高的频率，空气/燃料比的影响变得难以分辨，并且在高频(高于～100Hz)时接近纯空气中的声速。
相似地，附图8表示具有1.8的空气/燃料比和不同微粒尺寸的煤/空气混合物的预测特性。该附图表示，微粒尺寸对声速的低频界限(准稳定)或声速的高频界限都没有影响。然而，微粒尺寸在过渡区具有显著的影响。
附图7和8表示本发明的重要方面。换句话说，可将持续流体中悬浮的微粒的稀释混合物的分散属性粗略地分成三个频率范围低频范围，高频范围，以及过渡频率范围。最好如附图8所示，在低频范围内，通过混合物传播的声速基本上是相同的，而与微粒尺寸无关。在低频范围内，该混合物表现出准稳定模型，或无滑动(非分散)特性。如在中频范围内所示，通过混合物传播的声速取决于微粒的尺寸，并因此表现出分散特性。对高频范围来说，通过混合物传播的声速不受微粒的影响。换句话说，通过混合物在较高频范围内传播的声速基本上等于通过流体传播的声速，其中微粒不会产生影响，这将在下文中更详细地描述。
知道了如上所述的通过混合物的声速的分散效应，应当认识到，最好如附图7所示，为了确定混合物的浓度(例如，空气/燃料比)，被测声波的频率应当在低频范围内，该低频范围表现出微小的滑动或无滑动(非分散/准稳定状态)。此外，应当认识到，如图8所示，为了确定混合物12内的微粒尺寸，被测声波的频率应位于中频范围内，该中频范围表现出分散特性。
虽然微粒尺寸的影响与空气/燃料比的影响相互关联，但是，空气燃料比的主要影响是确定待测声速的低频界限，而微粒尺寸的主要影响是确定过渡区的频率范围。随着微粒尺寸增大，出现分散属性的频率降低。对典型的粉煤应用来说，该过渡区在相当低的频率处开始，对于尺寸为50微米的微粒来说为～2Hz。
在低频范围内，该微粒相对于流体表现出微不足道的滑动。无滑动、准稳定近似有效的频率范围是多个参数的函数，该参数包括微粒尺寸，持续相位粘性，微粒形状，以及微粒密度。
由上面关系的低频界限给出该准稳定(无滑动条件)的声速，其中，AFR是空气/燃料比
应当注意到，微粒尺寸不影响声速的低频界限。参照附图9，针对一定范围的空气/煤质量比，利用本发明的实施方式测量声速，该实施方式具有间隔为20.5英寸、平均20-40Hz的8个传感器。同时表示出使用准稳定模型预测的煤/空气混合物的声速。如图所示，虽然捕获了大体的趋势，即声速随煤装载量的增长而降低，但是误差也是非常显著的，使得基于准稳定模型的第一原理解释不够充分。
在高频界限内，分散关系预测了朝着纯流体声速渐近的声速。
有趣地，该高频界限独立于微粒尺寸和空气燃料比。
已知测量充分低的频率以应用准稳定模型以及认识到高频声速不包含关于微粒尺寸或空气/燃料比的直接信息的困难，显然，应当利用煤/空气混合物的分散特性来确定基于声速测量的微粒尺寸以及空气/燃料比。
如上所述，本发明的流量计10包括精确地确定管道14内PF/空气混合物中的煤的平均微粒尺寸和空气/燃料比的能力。倘若在空气和固态煤微粒之间没有明显的滑动，则通过多相混合物的一维声波的传播将受到混合物的有效质量和有效压缩率的影响。对空气传送系统来说，无滑动假设应用的程度是微粒尺寸和频率的强函数。在小微粒和低频率的界限内，该无滑动假设是有效的。随着微粒的尺寸增大，以及声波的频率变高，该无滑动假设逐渐地变得无效。对给定的平均煤微粒尺寸来说，随频率变高而增大的滑动造成分散，或者换句话说，混合物的声速随频率变化而变化。通过适当地校准，混合物的分散特性将提供平均微粒尺寸的测量，以及混合物的空气/燃料比(微粒/流体比)的测量。
利用产生下面所示的方程式的上述模型，以及用实验方法确定的作为频率的函数的声速，本发明包括同时确定煤/空气混合物中的微粒尺寸和AFR的优化过程
参照附图10，表示了根据本发明的优化过程，其中，优化分析模型的自由参数以使误差函数最小化。为了说明的目的，所利用的误差函数是分析模型和用实验方法确定的作为频率的函数的声速之间的声速差异的和 附图11表示将优化过程应用于传感器阵列记录的数据后的结果，该传感器监听6英寸环形管内微粒尺寸为50微米、气流速率为100ft/sec、空气/燃料比为1.8的流。示出了所测量的和用优化模型预测的声速。如图所示，该模型较好地捕获了过渡频率范围，并且提供了空气/燃料比的好的评估。
附图12表示将优化过程应用于一系列具有变化的空气/燃料比的数据组的结果。对于该优化来说应当注意，微粒尺寸在该数据组的范围内被保持为常数。
如上所述，该压力传感器阵列的长度至少应当是感兴趣的声速的波长的有效部分。该波长的有效部分可以是该波长的至少30％，然而，该部分也可以小于30％，这取决于所需的测量精度、所测量的波长，和/或声波的强度(例如，低信噪比)。因此，该阵列的长度取决于感兴趣的声速的频率(频率与波长成反比)，其中，感兴趣的声速的频率取决于待定的测量(例如，空气/微粒比和微粒尺寸)以及混合物的分散特性。例如，如图7所示，由于混合物分散的增长，测量混合物浓度(如空气/微粒比)的声速(准稳定状态)曲线的低频范围较低。如前所述，该混合物的分散特性取决于许多因素，其中之一为微粒尺寸。当微粒尺寸变大，该分散变大，而当微粒尺寸减小，该分散变低。因此，阵列的长度是混合物内微粒尺寸的函数，并且因此，最好如图8所示，随着微粒尺寸增长，低频范围和中频之间的过渡点(低频截止)频率降低。
例如，当测量混合物的浓度时，随着微粒的尺寸增长，低频截止降低，并且感兴趣的声波波长因此增长，从而需要该阵列的长度变得更长。相反地，随着微粒的尺寸减小，低频截止增长，因此感兴趣的声波的波长降低，从而需要该阵列的长度变得更短。简单地说，微粒越大，阵列越长，反之亦然。当确定混合物内微粒的尺寸时，相同的比较也是正确的。然而，对流量计的最佳性能来说，由于浓度的测量位于比微粒尺寸的中频(较短的波长)更低的频率(较长的波长)处，因而混合物浓度的测量与微粒尺寸的测量相比可能需要更长的阵列。
实际可测的最低频率范围大约为10-25Hz，因而大微粒的测量也许不能测量准稳定模型，所述准稳定模型在某些情况下可小于10Hz(即，截止频率小于10Hz)。在这些情况下，感兴趣的声速频率位于该截止频率之上。然而，如图10所示，通过改变微粒的尺寸和混合物的成分，使所测量的声速与混合物的分散模型曲线拟合，从而确定微粒尺寸和/或混合物的浓度，这将在下文中更详细地描述。
当阵列的长度取决于微粒尺寸时，该长度也可以取决于限定分散量的其它参数，例如微粒的质量，以及混合物内流体的粘性。
另一个限定(或影响)压力传感器15-18阵列的长度的因素包括由处理器接收的声波的信号强度。当信号强度提高或更大时，该阵列的长度必定更短。该信号强度取决于多个因素，如声波本身的强度，传感器的信噪比，传感器的匹配等等。
如图1所示，该间距可以是等间距的，然而本发明的流量计10考虑到该传感器可以具有不等或不均匀的间距。倘若传感器的位置或方位已知，则该传感器可以以任何所需的距离间隔。对于相通的压力传感器来说，最小间距由传感器的机械限制限定。对基于应变的传感器、例如在下文中描述的PVDF带来说，管道的柔度限制了该间隔的密集度。例如，管道越硬，传感器的间距必须越大，相反地，管道柔度越大，传感器必须间隔越近。
该压力传感器的间距也可以由布置在给定长度的阵列内的传感器的数量限定。在给定长度的阵列内布置的传感器越多，则该间距越近。布置在阵列内的传感器的数量取决于所需的或想要得到的流量计10的精确度。阵列内传感器的数量越多，则可以得到声压场的越精确的测量。换句话说，在给定的阵列长度(或波长)上，提供的声压波的取样或测量的数量越多，传感器在待测或特征化的声波的测量中能够实现的分辨率就越大。
除了使用测得的声速来测量管道14内的混合物12的流体/微粒比和微粒尺寸之外，流量计10进一步包括通过比较一维声波随着平均流传播以及一维声波逆着平均流传播的速度差异来测量混合物体积流率的能力。
该确定管道14内微粒/流体混合物12的体积流率的方法依赖于该平均流与声压场的相互作用。该相互作用导致随着平均流传播的声波以声速(假设该微粒/流体混合物不流动)加对流速度行进，而相反地，逆着平均流行进的声波以声速减对流速度传播。也就是说， aR＝amix+u aL＝amix-u 其中，aR＝相对于固定的观察者(即管道14)向右行进的声波的速度，aL＝相对于固定的观察者向左行进的声波的速度，amix＝流体声速(如果流体不流动)，以及u＝平均流速(在这种情况下，假设是从左往右流动的)。将这两个方程式结合产生平均速度的方程式， 因此，如前所述，通过在相对于固定管道的两个方向上测量声波的传播速度，可以通过将平均流速与管道14的截面面积相乘来计算该平均流速。
利用本方法确定该平均流的实用性基于在两个方向上充分精确地分辨声速以确定体积流的能力。对典型的流体测量来说，流速典型地为～10ft/sec，而声速为～4000ft/sec。这样，轴向马赫数大约为0.0025的10/4000。对流速(+/-1ft/sec)的+/-10％的精确性来说，逆游和顺游传播的波的声速的分辨率需要为+/-0.5/4000或8000分之一。
然而，对于PF/空气混合物流来说，轴向流速标称为70ft/sec左右，并且不具有～700ft/sec的流声速。这导致了～0.1的马赫数，该马赫数近似地比典型的流体流动大两个数量级。对粉状燃料流来说，为了将流速分辨到10％的精确度(或+/-7ft/sec)，不得不将声速分辨到+/-3.5ft/sec，或3.5/700，或200分之一。
对声速测量来说，流量计10利用与上文所使用的那些算法相似的处理算法。在处理管道14内传播的声音的时间和空间频率内容与分散关系有关。
ω＝kamix 波数是k，该波数被定义为k＝2π/λ，ω是时间频率，单位为弧度/秒(rad/sec)，以及amix为声音在处理管道内传播的速度。对于声音在两个方向上传播的这种情况来说，声功率沿两个声隆起(ridges)定位，所述声隆起中的一个是以amix+Vmix的速度和流一起行进的声音的，而另一个是以amix-Vmix的速度逆着流行进的声音的。
附图13所示的k-w曲线表示支持基于声纳的流测量的基本原理，也就是，可以结合使用轴向压力传感器阵列与声纳处理技术来确定速度，管道内自然地以该速度发生湍流涡旋对流。附图13表示流经管道的煤/空气混合物的声场产生的k-w曲线。两个声隆起非常明显。所示的两个声隆起的每个斜度分别限定相应的随着平均流行进以及逆着平均流进行的声速。使用了参数优化方法来确定表示该声隆起斜度的“最好的”线。
此外，附图13表示本发明确定在管道中移动的流体速度的能力。附图14表示不稳定压力的波数-频率曲线(k-w曲线)。该轮廓表示在频率和波数的所有组合中的相对信号功率。最高的功率“隆起”用与传播速度相等的隆起斜度表示声波。虚线表示功率的最佳拟合的两个变量的最大化，所述两个变量为声速和流速。右侧隆起表示与总体流动同向行进的声波，因而其斜度比左侧隆起更陡峭，所述左侧隆起表示与总体流动反向进行的声波。这意味着，相对于位于管道上的固定传感器，与总体流动同向行进的声波比与总体流动反向行进的声波行进地更快。
在此描述的压力传感器15-18可以是任何类型的压力传感器，例如压电压力传感器，光学压力传感器，电容式压力传感器，电阻式压力传感器(例如惠斯登电桥)，加速度计(或地震检波器)，速度测量装置，位移测量装置等，所述压力传感器能够测量管道14内的不稳定(或交流或动态)压力。如果使用光学压力传感器，则传感器15-18可以是基于布拉格(Brgg)光栅的压力传感器，例如在1997年9月8日提交的标题为“High Sensitivity Fiber Optic Pressure SensorFor Use In Harsh Environments”的美国专利申请No.08/925598、也就是现在的美国专利6016702中所描述的压力传感器。可选择地，传感器14可以是电的或光学的应变计，所述应变计附着于或嵌入管道的外壁或内壁，并且测量管壁的应变，所述传感器包括麦克风，水听器，或者其它任何能够测量管道14内的不稳定压力的传感器。在本发明的一个实施方式中，使用光纤作为压力传感器14，所述光纤可以单独地连接，或者可以使用波分多路复用(WDM)、时分多路复用(TDM)或者其它任何光学多路复用技术沿一个或多个光纤多路复用。
对在此描述的任何实施方式来说，压力传感器可以通过粘合剂、胶水、环氧树脂、胶带或其它适当的固定工具附着到管道上以保证传感器和管道14之间适当的接触，所述压力传感器包括在此描述的电应变计、光纤和/或光栅。可选择地，该传感器可以通过已知的机械技术、例如机械紧固件、加载弹簧、夹钳、夹钳壳体设备、皮带材料或其它等效的技术可拆卸地或永久地附着。可选择地，该应变计可以嵌入在复合管中，所述应变计包括光纤和/或光栅。如果需要，对某些应用来说，如果需要，该光栅可以与管道14分离(或应变或声隔离)。
在本发明的范围内，也可以使用其它任何的应变感应技术测量管道中应变的变化，如高灵敏压电的、电子的或电气的应变计，所述应变计附着于或嵌入在管道14中。
在本发明的某些实施方式中，可以使用压电电子压力传感器作为压力传感器15-18中的一个或多个，所述压电电子压力传感器可以通过测量管道内的压力级来测量管道14内的不稳定(或动态或交流)压力变化。在本发明的一个实施方式中，该传感器14包括由PCBPiezotronics制造的压力传感器。在一个压力传感器中，具有集成电路压电电压模式类型的传感器，该传感器特征在于嵌入式微电子放大器，并且将高阻抗电荷转变成低阻抗电压输出。特别地，使用由PCBPiezotronics制造Model 106B，该器件是高灵敏度的、加速度补偿的集成电路压电石英压力传感器，适于在液压系统和气动系统中测量低压声现象。在高度静态条件下，其具有测量小于0.001psi的小压力变化的独特能力。106B具有300mV/psi的灵敏度，以及91dB(0.0001psi)的分辨率。
该压力传感器包括嵌入的MOSFET微电子放大器，从而将高阻抗电荷输出转变成低阻抗电压信号。该传感器从恒流源得到功率，并且可以在长同轴或带状电缆上操作，而没有信号衰减。低阻抗电压信号不受摩擦电的电缆噪声或绝缘电阻降解污染物的影响。操作集成电路压电传感器的电源通常采取低成本的、24到27VDC、2到20毫安的恒流源形式。本发明的数据采集系统可以并入恒流源，以便直接给集成电路压电传感器提供电源。
大多数的压电压力传感器由在刚性壳体中预载入的压缩模式石英晶体或无约束的电气石晶体构成。这些设计为传感器提供微秒响应时间和数百KHz的共振频率，并且具有最小的过冲或振铃。小振动膜直径保证了窄冲击波的空间分辨率。
压电压力传感器系统的输出特性也就是交流耦合系统的输出特性，其中，重复的信号衰减，直到在原始基线的上面和下面具有相等的区域。由于被监视的事件的数量级会波动，所以输出信号在基线周围保持稳定，并且曲线的正负区域保持相等。
而且，如图20所示，本发明设想，流量计10，70的压力传感器15-18中的每一个都包括压电传感器104-107，所述压电传感器提供压电材料110以测量流体/微粒混合物12的不稳定压力。该压电材料、例如聚合物、极化的含氟聚合物、聚偏二氟乙烯(PVDF)等测量在处理管道14内感生的应变，所述应变归因于处理混合物12内不稳定压力的变化。管道内的应变通过附着的压电传感器104-107转变成输出电压或电流。
最好如图21所示，PVDF材料110附着于钢带112的外表面，所述钢带绕管道14的外表面延伸，并且夹到所述外表面上。该压电感应元件典型地是保角的，从而允许感生的应变的完全的或接近完全的圆周测量。该传感器可以由PVDF薄膜、共聚体薄膜或挠性PZT传感器构成，并且类似于在由Measurement Specialties，Inc.提供“Piezo FilmSensors technical Manual”中描述的传感器，该传感器在此合并作为参考。该技术的优点如下 1.非侵入式流速测量 2.低成本 3.测量技术不需要激励源。将环境流动噪声用作源。
4.可以以多种配置方式安装挠性压电传感器，从而增强信号检测方案。这些配置方式包括a)协同定位的传感器，b)具有相反极性配置的分段传感器，c)宽的传感器，从而增强声信号的检测，以及最小化旋涡噪声的检测，d)定制的传感器几何形状，从而最小化对管道模型的灵敏度，e)传感器的差分，从而从旋涡信号中消除噪声。
5.较高的温度(140C)(共聚体) 虽然本发明举例说明了压力传感器阵列包括多个相似的传感器，但是本发明设想，也可以在阵列内使用不同或相似的压力传感器的任何组合。
虽然本发明能够测量在流体中悬浮的固体微粒，但是应当认识到，也可以使用传感器阵列测量其它多相位混合物或流，如汽流。应进一步认识到，对流体中大固体微粒的分散的影响类似于气体或空气中分散的液体的大液滴，因此当测量蒸汽质量和液滴尺寸时，应当解决相似的考虑。
应当理解，也可以应用，使用关于特定实施方式所描述的任何特征、特性、备选方案或修改，或将其合并到在此描述的任何其它实施方式中。
虽然已根据示范性的实施方式描述并举例说明了本发明，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，也可以构成前述的以及多种其它的添加和省略。
权利要求
1.一种用于测量在管道中流动的分散微粒/流体混合物的至少一个参数的装置，所述装置包括
信号处理器，所述信号处理器响应于指示通过管道内该分散混合物传播的作为频率的函数的声速的信号来使用该分散混合物的分散模型确定管道内的该分散混合物的至少一个参数，其中该频率包括过渡频率范围内的频率。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述信号处理器接收指示通过所述分散混合物传播的声速的至少一个信号，并且响应于所述至少一个信号来确定作为频率的函数的声速。
3.如权利要求2所述的装置，还包括至少一个传感器，用于提供指示通过管道传播的声速的至少一个信号。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述信号处理器还表征所述分散混合物的分散特性并且将所述分散混合物的分散特性与所述分散混合物的分散模型相比较以提供指示所述分散混合物的至少一个参数的信号。
5.如权利要求1所述的装置，还包括测量计，用于测量通过管道内流体传播的声速。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述信号处理器至少比较所述分散模型的过渡频率范围以确定所述分散混合物中的微粒的平均尺寸。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述信号处理器比较所述分散模型的低频范围和过渡频率范围中的至少一个以确定所述分散混合物的微粒/流体比。
8.一种用于测量在管道中流动的分散微粒/流体混合物的至少一个参数的方法，所述方法包括
接收指示通过该分散混合物传播的作为频率的函数的声速的信号，其中该频率包括过渡频率范围内的频率，以及
使用所述指示声速的信号和该分散混合物的分散模型来确定管道内的该分散混合物的至少一个参数。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述确定至少一个参数还使用指示通过所述分散混合物传播的声速的信号来表征所述分散混合物的分散特性并且将所述分散混合物的分散特性与所述分散混合物的分散模型相比较以提供指示所述分散混合物的至少一个参数的信号。
10.如权利要求8所述的方法，还包括响应于指示通过所述分散混合物传播的声速的至少一个信号来确定作为频率的函数的声速。
11.如权利要求8所述的方法，还包括测量通过管道内所述分散混合物传播的声速。
12.如权利要求8所述的方法，其中，还包括至少比较所述分散模型的过渡频率范围以确定所述分散混合物中的微粒的平均尺寸。
13.如权利要求8所述的方法，其中，还包括比较所述分散模型的低频范围和过渡频率范围中的至少一个以确定所述分散混合物的微粒/流体比。
全文摘要
提供一种装置(10)和方法，所述装置和方法包括被置于沿管道(14)的轴向布置的预定轴向位置x1-xN上的不稳定压力传感器(15-18)的空间阵列，用于测量在管道(14)内流动的固定微粒/流体混合物(12)的至少一个参数。所述压力传感器(15-18)将声压信号P1(t)-PN(t)提供到信号处理单元(30)，所述信号处理单元(30)使用声空间阵列信号处理技术确定管道(14)内的微粒/流体混合物(12)的声速amix(ω)。待测的主要参数包括流体/微粒浓度，流体/微粒混合物体积流量，以及微粒尺寸。利用分散模型确定基于频率的声速，从而确定感兴趣的参数。所述计算至少一个参数使用声压来进行计算。
文档编号G01N15/06GK101726537SQ200910222489
公开日2010年6月9日 申请日期2003年4月24日 优先权日2002年4月24日
发明者D·L·吉斯林, D·H·罗斯 申请人:西德拉企业服务公司