专利名称：一种气固两相流固相浓度在线测量系统及测量方法
技术领域：
本发明属于工业生产过程在线实时测量技术领域，特别是一种气固两相流固相浓度的在线测量系统及测量方法。
背景技术：
在石油、冶金、化工、电力等诸多工业领域的生产过程中，应用气固两相流固相参数在线实时测量手段，对生产过程实施优化控制、安全环保和高效运行具有十分重要的作用。但气固两相流固相参数在线实时测量与气固两相流的速度测量相比，固相浓度在线测量的难度极大。一是两相流的流动情况比较复杂，存在着难以控制的各种流型，在流动过程中，各组分在流体混合物中的空间分布往往是不均勻的，而且分布随时间变化，很难找到其流动规律，无法采用数学建模等手段；二是固相本身的尺寸大小、含水量、组分等物理特性的改变也会影响到传感器的输出信号，给固相浓度的在线测量带来极大困难；三是固相颗粒对探头的污染、磨损、堵塞以及部分场合高温送料带来的热防护等存在的实际问题直接影响到传感器的可靠性。为探索气固两相流固相参数在线实时测量的技术解决方案，目前国内外已公开的相浓度的测量方法有基于衰减原理的声学法、光学法、辐射法或微波法等；基于电学原理的静电法、电容法；采用谐振原理的核磁共振法(NME)、电子磁共振法(EMR)，采用热线风速仪原理的传热法；采用PIV或普通CXD拍摄清晰粒子图像后进行处理的图像法；还有采用流体力学差压原理的如文丘里管差压法等。中国专利92114912. 3公开了一种“非均勻气固两相流颗粒浓度和速度的测量方法及探针”，该方法通过减小探针端部的体积接受有限体积内颗粒的反射光来测量某一局部的瞬时颗粒浓度和动压强，以获得局部的颗粒浓度，但由于探针本身的存在就会干扰颗粒浓度场，使得测量结果存在较大误差，同时由于颗粒的冲刷作用使得此方法无法长期在线使用。中国专利93212914. 5公开了一种“工业用电容式气固两相流相浓度检测装置”该装置利用离散相浓度的变化会引起电极间电容值的变化来实现气固两相流相浓度的检测， 属于非接触式测量，不干扰流场，但无法抗拒现场复杂电磁环境的干扰，使得实际使用效果不佳。中国专利00119531. X公开了一种“气固两相流流量和浓度的气动式测量方法”， 该方法在主管路的弯头处设置一个气动支路，通过气动支路的参数测量获得主管路弯头处内外壁的压力差，从而算得气固两相流的流量和固相浓度。该方法同样会对颗粒的浓度场造成干扰，另外由于颗粒的冲刷作用使得此方法无法长期在线使用。中国专利申请200510045723. 4公开了一种“超声波和电容传感器的两相流浓度测量装置及测量方法”，该方法使用电容传感器和超声波传感器测量离散相浓度，利用数据融合提高测量精度，虽然在测量精度上有所提高，但仍无法避免收到现场复杂电磁环境的干扰，实际使用效果不佳。
中国专利200710069863. 4公开了一种“测量气固两相流中固体颗粒三维浓度场、 速度场的方法和装置”，该方法利用高速摄影机拍摄粒子图像，然后利用粒子图像的相关性得到粒子三维运动轨迹和三维速度场，虽然可以同时得到粒子的速度场和浓度场，但缺点是对于密相浓度场，只能得到表面的浓度，另外由于装置价格昂贵，光学条件要求高，不适合工业现场在线使用。中国专利200710071293. 2公开了一种“基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度的检测装置及方法”，该方法利用基于微波与红外光之间的太赫兹电磁波通过颗粒场前后的幅值变化来测量颗粒浓度场，属于非接触式测量，可以在线使用，但电磁波幅值的衰减收到的影响因素较多，如颗粒的粒径，气固两相流中的含水量都会对测量结果造成影响。而国内外目前可以使用的在线式气固两相流浓度的非接触式测量方法是是同位素的射线式仪表，如X射线、Y射线、β射线等，这些方法都存在安全防护问题，操作要求高， 需要定期标定射线源，且价格昂贵。综上所述，气固两相流固相浓度测量技术目前仍然处于工程应用的探索阶段，尚未有突破性的技术方案出现。因此，如何克服现有技术的不足，已成为当今工业生产在线实时测量技术领域中亟待解决的一项重大难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种气固两相流固相浓度的在线测量系统及测量方法，本发明能够克服工业生产过程在线测量中的高温高粉尘等恶劣工作环境所带来的影响，从而实现高精度和高可靠性的测量。根据本发明提出的一种气固两相流固相浓度在线测量系统，包括超声波发送装置 Τ、超声波接收装置R、信号调理器、数据采集器、数据处理与输出装置，超声波接收装置R、 信号调理器、数据采集器、数据处理与输出装置依次连接，信号调理器由带通滤波器和信号放大器组成，超声波发送装置τ与超声波接收装置R对向设置，其特征在于还包括超声波驱动振幅调制装置和隔热防尘防护装置，超声波驱动振幅调制装置分别与超声波发送装置T 和数据采集器连接，超声波发送装置T设置在隔热防尘防护装置1内，超声波接收装置R设置在隔热防尘防护装置2内。根据本发明提出的一种气固两相流固相浓度在线测量系统的测量方法，其特征在于第一步驱动信号调制，即对超声波发射装置T的正弦或方波的驱动信号进行调幅，首先用振幅10-20V的正弦或方波信号驱动，然后显著增加驱动信号的增幅使其达到40-80V并持续1-80毫秒时间，最后回到振幅10-20V的正弦或方波信号驱动；第二步超声波信号接受，即超声波信号经过测量段，声速发生改变，改变后的超声波信号被超声波接受装置R接受；第三步测量信号调理，将超声波接受装置R接受的信号进行滤波和放大；第四步测量信号采集，即利用数据采集器采集调理后的测量信号；第五步测量信号处理，数据处理和输出装置对采集到的信号进行相关运算并代入计算公式算得固相浓度；第六步测量结果输出， 即数据处理和输出装置算出的固相浓度结果进行输出显示。本发明的测量原理是根据不同固相浓度条件下具有不同的声速，通过测量声速即可完成相浓度测量。根据均相模型，对于等熵过程，气固混合物的声速α与气粉混合物的粉气比β具有下列关系
权利要求
1.一种气固两相流固相浓度在线测量系统，包括超声波发送装置T、超声波接收装置 R、信号调理器、数据采集器、数据处理与输出装置，超声波接收装置R、信号调理器、数据采集器、数据处理与输出装置依次连接，信号调理器由带通滤波器和信号放大器组成，超声波发送装置T与超声波接收装置R对向设置，其特征在于还包括超声波驱动振幅调制装置和隔热防尘防护装置，超声波驱动振幅调制装置分别与超声波发送装置T和数据采集器连接，超声波发送装置T设置在隔热防尘防护装置1内，超声波接收装置R设置在隔热防尘防护装置2内。
2.根据权利要求1所述的一种气固两相流固相浓度在线测量系统的测量方法，其特征在于第一步驱动信号调制，即对超声波发射装置T的正弦或方波的驱动信号进行调幅，首先用振幅10-20V的正弦或方波信号驱动，然后显著增加驱动信号的增幅使其达到40-80V 并持续1-80毫秒时间，最后回到振幅10-20V的正弦或方波信号驱动；第二步超声波信号接受，即超声波信号经过测量段，声速发生改变，改变后的超声波信号被超声波接受装置R接受；第三步测量信号调理，将超声波接受装置R接受的信号进行滤波和放大；第四步，测量信号采集，即利用数据采集器采集调理后的测量信号；第五步，测量信号处理，数据处理和输出装置对采集到的信号进行相关运算并代入计算公式算得固相浓度；第六步，测量结果输出，即数据处理和输出装置算出的固相浓度结果进行输出显示。
3.根据权利要求1所述的一种气固两相流固相浓度在线测量系统，其特征在于超声波驱动振幅调制装置由正弦或方波信号源、幅值调制控制器、特征信号电压放大器和特征信号功率放大器依次连接组成，其中，幅值调制控制器连接幅值调制电路。
4.根据权利要求1所述的一种气固两相流固相浓度在线测量系统，其特征在于隔热防尘防护装置包括接气法兰、传感器安装基座、隔热套管、超声波传感器、安装基管和压紧螺帽，其中接气法兰与隔热套管连接，安装基管和隔热套管同轴与接气法兰连接并由压紧螺帽固定，超声波传感器设置在传感器安装基座上，传感器安装基座设置在安装基管的前端。
5.根据权利要求2所述的一种气固两相流固相浓度在线测量系统的测量方法，其特征在于第一步驱动信号调制，即对超声波发射装置T的正弦或方波的驱动信号进行调幅，首先用振幅10-20V的正弦或方波信号驱动，然后显著增加驱动信号的增幅使其达到40-50V 并持续1-40毫秒时间，再次显著增加驱动信号的增幅使其达到70-80V并持续1-40毫秒时间，最后回到振幅10-20V的正弦或方波信号驱动。
全文摘要
本发明属于工业生产过程在线实时测量技术领域，特别是一种气固两相流固相浓度的在线测量系统及测量方法。该测量系统包括超声波发送装置T、超声波接收装置R、信号调理器、数据采集器、数据处理与输出装置，其特征在于还包括超声波驱动振幅调制装置和隔热防尘防护装置，超声波发送装置T和超声波接收装置R分别设置在隔热防尘防护装置内并对向设置；该测量方法依次为驱动信号调制、超声波信号接受、测量信号调理、测量信号的采集、测量信号处理和测量结果的输出等步骤。本发明能够克服工业生产过程在线测量中的高温高粉尘等恶劣工作环境特别是复杂电磁环境干扰所带来的影响，从而实现高精度和高可靠性的测量。
文档编号G01N15/06GK102507404SQ201110383628
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者刘心志, 张后雷, 朱曙光, 熊荣辉, 王益祥 申请人:南京理工大学