气力输送固体物料的速度、密度和流量的测量方法及装置与流程

本发明属于测量技术领域，具体涉及气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的速度、密度和流量的测量方法及装置。

背景技术：

工业装置中(如干煤粉气化装置、炼铁高炉等)，通常在管道中采用气力来输送颗粒状或粉末状的固体物料(如煤粉、氧化铝粉末等)，需要对输送的固体物料的运动速度和流量等进行实时、准确的测量，以满足生产工艺控制的要求。对于管道中气力输送的颗粒物或粉末状的固体物料的流量测量，通常采用分别测量固体物料的运动速度和密度，用“流量＝运动速度×密度×管道横截面积”的方式来计算其实时流量。

通常，速度测量有以下几种实现方式：

一、静电电荷信号法

该方法或设备通过在沿管道延伸的方向上，以一定的间隔布置2个或多个测量环，用于收集固体物料在运动过程中相互摩擦产生的静电荷信号。管道中，颗粒物或粉体在运动过程中随时间推移呈现出不同的流动形态，同一流动形态先后流过这2个或多个测量环时，产生的静电电荷信号是相同的或相似的，通过对比分析这种相同性或相似性，就可以分析出同一流动形态在各个测量环间的渡越时间，而各个测量环的间距是一定的，用“间距÷渡越时间”，就可以计算出颗粒物或粉体在管道内的运动速度；

该方法的不足之处在于：当管道内的固体颗粒物或粉末在运动过程中，由于工况条件的变化，相互摩擦产生的静电荷信号减弱至信号处理单元无法感知时，测量结果就会失效。这种情况在工业现场是经常出现的，如：固体物料的水分含量变大，固体物料的运动速度变得低速，或固体物料的粒径增大(相互接触面积变小)等，都会导致静电荷信号急剧减弱，导致这种测量方法失效。

二、电磁波色散或扰动信号法

该方法在沿管道延伸的方向上，以一定的间隔布置2组或多组电极对，每个电极对包含一个发射器和一个接收器，发射的电磁波被流过的固体物料色散或扰动，而同一固体物料在流过每一组电磁波收发电极对时，对电磁波的色散或扰动是相同的，或具有很大的相似度，根据这种相同或相似，分析计算出同一固体物料在各组电极对之间的渡越时间，而各组电极对之间的间距是一定的，用“间距÷渡越时间”就可以计算出固体物料在管道内的运动速度。

这种方法的不足之处在于：1)电磁波是一种空间辐射波，其能量作用范围远超出同组电极对之间的范围，容易影响工业现场其余电子设备的稳定工作。2)同样，接收电极既然能接收发射电极的电磁波，也能接收来自空间的其它的非发射电极产生的电磁波，这些空间杂散电磁波会对测量结果造成影响，导致测量信号失真，测量精度降低甚至测量失效。3)电磁波多次多路径反射后，以不同的时刻重新到达接收电极，干扰同时刻正常接收的信号，导致测量结果精度变差或失效。4)为保证同一固体物料在各组电极对之间产生的电磁波色散或扰动是相同的或具有很大的相似度，就要求各组电极对的发射单元(包括发射电极以及将发射电磁波输入发射电极的电子元器件等)之间保持高度的制造一致性，各组电极对的接收单元(包括接收电极以及将接收后的信号传输的电子元器件等)之间保持高度的制造一致性，这样就导致传感器(发射单元、接收单元)的制造成本增加，失去了其经济性。否则，很难保证其测量精度。

通常，密度测量有以下几种实现方式：

一、核放射性密度测量方法

该方法通过在被测管道径向一侧安装放射源，另一侧安装放射射线接收装置进行测量。放射源发出的射线穿透管道，经过管道内的固体物料及输运物料的气体(载气)的衰减后到达接收装置，在此过程中，放射线产生的衰减量与载气和固体物料的浓度总和呈一定的比例关系，载气的密度可以通过气态方程根据管道的温度、压力等参数计算获得，用总的密度减去载气的密度之后，就可以获得固体物料的浓度了。

这种方法的不足之处在于：1)需要放射源，对环境存在放射源污染。2)由于存在放射源，设备的维护费用高。3)测量结果是经过“减去载气密度”的补偿计算获得的，因此整个过程测量的参量个数(包括管道内载气的温度、压力)增多，测量结果的可靠性和精度相对较差。

二、利用固体物料对电磁波产生的色散效应进行测量

该方法通过在测量管两侧安装发射器与接收器，其中发射器用于发射电磁波，接收器用于接收电磁波，测量管中的固体物料浓度不同，会对电磁波产生不同的色散，依据电磁波的色散量与固体物料的浓度的比例关系，计算获得测量管内固体物料的浓度。

这种方法的不足之处在于：1)电磁波是一种空间辐射波，其能量作用范围远超出同组发射器与接收器之间的范围，容易影响工业现场其余电子设备的稳定工作。2)同样，接收器既然能接收发射器的电磁波，也能接收来自工作空间的其它的发射器产生的电磁波，这些空间杂散电磁波会对测量结果造成影响，导致测量信号失真，测量精度降低甚至测量失效。3)电磁波多次多路径反射后，以不同的时刻重新到达接收器，干扰同时刻正常接收的信号，导致测量结果精度变差或失效。4)对于多种固体物料混合的混掺物料，当混掺比例发生变化时，固体物料的堆积密度变化，此时，电磁波的色散量与浓度的比例关系就会发生变化，按设备已校验的比例系数计算出的浓度就会偏离真实值，当然由浓度计算出来的固体物料的流量也会偏离真实值，导致测量结果错误。

技术实现要素：

首先，本发明提供一种气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的速度的测量方法，能对管线中气力输送的固体物料的速度进行准确、可靠、安全的实时测量。

一种气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的速度的测量方法，通过电场信号变化得出气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的同一流态流过测量管(腔)内预设间距的渡越时间，用“间距÷渡越时间”得出固体物料的运动速度。

本发明还提供一种气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的悬浮密度(或浓度)的测量方法，能对管线中气力输送的固体物料的密度(或浓度)进行准确、可靠、安全的实时测量。

一种气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的悬浮密度(或浓度)的测量方法，通过电场信号变化得出测量管(腔)内固体物料的空间填充比例，用“固体物料空间填充比例×固体物料堆积密度”得出固体物料的悬浮密度。

本发明还提供一种气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的流量的测量方法，能对管线中气力输送的固体物料的流量进行准确、可靠、安全的实时测量。

一种气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的流量的测量方法，在上述气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的速度的测量方法和气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的悬浮密度的测量方法的基础上，通过“运动速度×固体物料空间填充比例×固体物料堆积密度×测量管(腔)的横截面积”得出测量管(腔)内固体物料的流量。

本发明进一步提供一种气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的速度测量装置，能对管线中气力输送的固体物料的速度进行准确、可靠、安全的实时测量。

一种气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的速度测量装置，包括测量管、安装在测量管上的速度测量电极和与所述速度测量电极相连的速度信号处理单元，所述速度测量电极为一组以上，且每组速度测量电极包括一个公共电极和两个以上独立电极，所述独立电极沿管道轴向方向间隔排列，所述公共电极与所述独立电极在测量管上横向相对或斜对而设；所述公共电极与独立电极分别作为电场的正负两极，形成两个以上速度测量电场。

本发明进一步提供一种气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的流量测量装置，能对管线中气力输送的固体物料的流量进行准确、可靠、安全的实时测量。

一种气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的流量测量装置，在上述气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的速度测量装置的基础上，还包括密度测量装置和流量积算仪，所述密度测量装置与所述速度测量装置一体设置或单独设置，所述流量积算仪与所述速度测量装置和所述密度测量装置分别相连。

本发明的测量方法及装置能以安全、经济、可靠的方式对管道中气力输送的固体颗粒物或粉末状物质的流动速度、悬浮密度(或浓度)以及实时流量进行准确的测量，即使在工况变化多端、各种干扰频繁出现的恶劣工业现场，也依然能够可靠、高准确度的完成测量。

附图说明

图1为本发明气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的流量测量装置的局部结构示意图；

图2为本发明气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的流量测量装置的原理解析图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明进行说明，但本发明的范围不限于此。

本发明气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的速度的测量方法，通过电场信号变化得出气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的同一流态流过测量管(腔)内预设间距的渡越时间，用“间距÷渡越时间”得出固体物料的运动速度。

作为本发明气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的速度测量方法的一种具体实现方式，可在测量管(腔)壁面的一侧安装一个电极，作为电场的正极，在其相对、斜对或部分斜对的壁面上安装不少于两个电极，沿测量管(腔)轴向方向以一定间距隔开，作为电场的负极，从而形成了从同一正极发出并终止于多个负极的电力线。固体物料沿测量管(腔)轴向方向向前运动，从而在不同时刻，从前至后穿过这些电场电力线截面，随着固体物料的流动，负极上依次产生电场变化信号。固体物料的同一流动形态先后流经这些电场，引起这些电场产生相同或相似的变化，对比分析这些相同或相似的变化，即可获得同一流动形态在各个电极之间的渡越时间，用“间隔÷渡越时间”，即可获得固体物料的运动速度。

该速度检测方案的优势在于：

(1)由于用于计算速度的电场信号是从同一正极出发，这就保证了负极上的电场信号差异完全是由固体物料流态引起的，从而避免了各电极制造精度不匹配引入的误差，提升了测量精度，降低了制造成本。

(2)采用电场信号工作，避免了静电式测量原理在现场工况变化时，不满足可检测静电荷信号的产生条件而导致的测量结果失效。

(3)采用电场信号工作，避免了采用发射/接收电磁波信号工作方式时，电磁波多路径多次反射后叠加在正常信号上，或外部空间干扰电磁波进入接收器导致的干扰，从而导致测量结果精度降低或失效的的风险。

(4)采用电场信号工作，不会对外辐射电磁波，从而避免了仪器本身对现场其它设备的电磁干扰。

本发明气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的悬浮密度(或浓度)的测量方法，通过电场信号变化得出测量管(腔)内固体物料的空间填充比例，用“固体物料空间填充比例×固体物料堆积密度”得出固体物料的悬浮密度。

作为本发明气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的悬浮密度(或浓度)测量方法的一种具体实现方式，在测量管(腔)的壁面上相对、部分相对、斜对或部分斜对的安装两个电极，其中一个电极作为电场的正极，另一个电极作为电场的负极，电力线从正极出发，终止于负极。当测量管内正负电极之间有固体物料填充时，电场信号就会发生变化。即，当测量管内空间完全填充满时(即固体物料的自然堆积状态)，电场信号产生的变化最大；当测量管内空间完全不被填充时(即空管时)，电场信号的变化为零，最小。依据这种电场信号变化与测量管内空间填充比例关系，检测电极上电场信号的变化，就可以计算出“测量管内固体物料的空间填充比例”。由于固体物料堆积密度是已知的参数，因此通过“固体物料空间填充比例×固体物料堆积密度”，就可以得出气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的悬浮密度，也即浓度。

该密度检测方案的优势在于：

(1)采用电场信号工作，电场电力线从正极出发，终止于负极，从而保证了测量电场的作用范围严格局限于正极和负极之间，不会对现场其它设备产生电磁干扰，不会影响到其它设备的正常工作。

(2)采用电场信号工作，避免了采用电磁波等具有空间传播特性的波进行工作时，多路径多次反射后叠加在正常信号上，或外部空间干扰电磁波进入接收器导致的干扰，从而导致测量结果精度降低或失效的风险。

(3)采用电场信号工作，不存在任何放射源，无放射源泄露的环保安全风险，无放射源后续维护费用。

本发明气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的流量的测量方法，是在上述气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的速度的测量方法和气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的悬浮密度的测量方法的基础上，通过“运动速度×固体物料空间填充比例×固体物料堆积密度×测量管(腔)的横截面积”得出测量管(腔)内固体物料的流量。

在一种具体的实施方式中，所述“运动速度”和测量管(腔)内的“固体物料空间填充比例”由安装在现场的传感器实时测量获得，“固体物料堆积密度”和“测量管(腔)的横截面积”则是信号处理计算单元中预先设置的参数。

本发明气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的速度测量装置，包括测量管、安装在测量管上的速度测量电极和与所述速度测量电极相连的速度信号处理单元，所述速度测量电极为一组以上，且每组速度测量电极包括一个公共电极和两个以上独立电极，所述独立电极沿管道轴向方向间隔排列，所述公共电极与所述独立电极在测量管上横向相对或斜对而设；所述公共电极与独立电极分别作为电场的正负两极，形成两个以上速度测量电场。

在一个具体的实施方案中，所述速度测量电极安装在测量管的外壁上或全部地或局部地镶嵌在测量管的管壁中。

在一个具体的实施方案中，所述速度测量电极为碳棒或金属材料构成的电极。

在一个具体的实施方案中，所述测量管的材质为塑料或陶瓷。

在一个具体的实施方案中，所述测量管外设有保护外管，该保护外管由金属材料构成。

本发明气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的流量测量装置，是在上述气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的速度测量装置的基础上，还包括密度测量装置和流量积算仪，所述密度测量装置与所述速度测量装置一体设置或单独设置，所述流量积算仪与所述速度测量装置和所述密度测量装置分别相连。其中的流量积算仪相当于二次信号处理单元，其负责将获得的速度和密度数据进行二次处理，并解析得到流量数据。

所述密度测量装置与所述速度测量装置可一体设置或单独设置。一体设置是指密度和速度的测量结构集成在一个设备中，典型的，例如集成在一个测量管中。单独设置是指密度和速度的测量分由不同的设备测量，典型的，密度测量装置和速度测量装置设于测量管道的临近位置上。密度和速度测量装置将获得的气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的密度和速度数据分别传到积算仪，由积算仪分析计算得到实时流量数据。在具体的实施方案中，所述密度测量装置的测量方式包括但不限于核放射性密度测量、电磁波色散效应测量等。

在一个具体的实施方案中，所述密度测量装置与所述速度测量装置一体设置。所述密度测量装置与所述速度测量装置一体设置，保证了速度测量和空间填充比例测量取自工艺管道的同一位置，保证了参与流量计算的各个参量时间取点和空间取样严格匹配，从而避免了以往速度测量和浓度测量分开在不同位置测量时，参与流量计算的参量空间取样位置不匹配导致的误差，从而获得了更高的瞬时流量测量精度。

在一个更具体的实施方案中，所述密度测量装置与所述速度测量装置同用一个测量管，所述密度测量装置包括密度测量电极和与所述密度测量电极相连的密度信号处理单元，所述密度测量电极为一组以上，且每组密度测量电极包括安装在测量管上横向相对或斜对的两个电极，两个电极分别作为电场的正负两极，形成密度测量电场。

在一个具体的实施方案中，所述密度测量电极安装在测量管的外壁上或全部地或局部地镶嵌在测量管的管壁中。

在一个具体的实施方案中，所述密度测量电极为碳棒或金属材料构成的电极。

以下通过实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本测量方法是：气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的质量流量＝运动速度×固体物料空间填充比例×固体物料堆积密度×测量管(腔)的横截面积，其中固体物料堆积密度和测量管(腔)的横截面积是通过预先设置的参数获得的，运动速度和测量管(腔)内固体物料空间填充比例通过本发明的测量装置实时测量获得。

实施例1

如图1和图2所示，图1为本发明气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的流量测量装置的局部结构示意图，图2为本发明气力输送的颗粒状或粉末状固体物料的流量测量装置的原理解析图。其中，1为测量管；2为速度测量电极，其中2-1为公共电极，2-2为独立电极；3为密度测量电极；4为保护外管；a为固体物料在测量管内的流动方向；b为多个沿测量管轴向间隔排列的速度测量电场；c为密度测量电场。

测量管1用于给待测固体物料提供流经通道，优选地，该管道的内径与工艺管道的内径等同，以避免引入额外的压力损失；同时，测量管1也用于支撑安装速度测量电极2和密度测量电极3，以在管道径向方向形成流速测量和填充率测量的工作电场。保护外管4设于测量管1外，优选由金属材料构成，用于保护安装在测量管1和保护外管4之间的测量电极。

图中a代表了固体物料在测量管1内的流动方向。速度测量电极2包括一个公共电极2-1和4个独立电极2-2，独立电极2-2沿管道轴向方向间隔排列，公共电极2-1与独立电极2-2在测量管1上横向相对或斜对而设。公共电极2-1与独立电极2-2分别作为电场的正负两极，形成两个以上速度测量电场。具体如，公共电极2-1为电场正极时，独立电极2-2为电场负极；也可独立电极2-2为电场负极，公共电极2-1为电场正极。b示意了速度测量电极2之间形成的多个沿测量管1轴向间隔排列的电场。当固体物料的同一流动形态依次流过这些电场时，会引起这些电场产生相同或相似的变化，检测并对比分析这些电场的变化，就可以计算获得同一流态在这些电极间的渡越时间，而电极的距离是一定的，用“间距÷渡越时间”就可以计算获得物料在管道内的运动速度。

c示意了密度测量电极3两个相对设置的电极间形成的测量电场。当测量管1内固体物料的填充率发生改变时，工作电场随之以一定的比例关系改变，典型的，当测量管1内无任何物料填充时(即空管)，工作电场变化为零，当完全填充满测量管1时，电场的变化量为100％，从而通过检测电场的变化，就可以计算出测量管内固体物料的填充率的变化。

分析计算出的固体物料的运动速度以及固体物料对测量管1的空间填充率，再根据预先设置的待测物料的堆积密度和管道的横截面积，就可计算出固体物料的实时流量。

实施例2

一种用于测量气固两相流中固体物料运动速度、填充率和实时质量流量的测量装置，该装置至少包含一个非金属的测量管、一个用于保护测量元件的金属外套管、固体物料的运动速度测量单元、固体物料空间填充率测量单元和用于将测量装置与物料输送管道连接起来的密封法兰套件；其中，固体物料的运动速度测量单元至少包含位于测量管外壁和保护外套管内壁之间的速度测量电场电极，固体物料空间填充率测量单元至少包含固体物料空间填充率测量电场电极。

更具体地，固体物料的运动速度测量单元包含了至少一个安装在测量管外壁径向一侧的金属极板，用作工作电场的正极或负极，以及安装在径向另一侧的沿管道轴向方向以一定间距隔开的至少两个金属极板，用作工作电场负极或正极，从而在测量管径向方向以一定的轴向间距形成至少两个以上的工作电场。固体物料的同一流动形态先后流经这些电场，引起这些电场产生相同或相似的变化，对比分析这些产生相同或相似变化的时间间隔，就可以获得同一流动形态在各个电极间的渡越时间，用“间距÷渡越时间”，即可获得固体物料的运动速度。

更具体地，固体物料空间填充率测量单元包含了至少一个安装在测量管外壁径向一侧的金属极板，用作工作电场的正极或负极，以及安装于径向另一侧的至少一个金属极板，用作工作电场的负极或正极。当固体物料在测量管内的空间填充比例发生变化，正负极板间的工作电场随之改变，依据工作电场的变化与空间填充比例的比例关系，通过检测工作电场的变化，即可计算出固体物料在测量管内的空间填充率。

通过在测量装置中预先设置的固体物料的堆积密度和测量管的横截面积，通过测量管测量获得固体物料流经测量管的运动速度，以及固体物料在测量管内的空间填充比例，用“流量＝运动速度×测量管内固体物料空间填充比例×固体物料堆积密度×测量管横截面积”来计算出管道内固体物料的实时流量。

以上实施方案仅用以说明本发明的技术方案而非限制。本领域技术人员在不脱离本发明技术方案的宗旨和范围的情况下，对发明的技术方案进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的范围中。