專利名稱：含塵氣流流量和濃度的在線監(jiān)測方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于測量領域，具體涉及一種含塵氣流流量和濃度的在線監(jiān)測方法及裝置。
我國曾在80年代對氣固兩相流的測試技術作了全面的研究，包括氣力法、溫度法、電容法、激光法、超聲波法、摩擦電極法、柯氏質量流量計等等。也有研究者曾進行過利用激光測速儀測量氣固兩相流的探索，但適應的固體濃度極小，不適于較高粉塵濃度(如電站鍋爐制粉系統(tǒng)中，濃度在0.4-0.6kg/kg)應用的要求；研究者曾對氣力法作過改進，利用單節(jié)流元件來測量氣固兩相流流量，發(fā)表過論文，此法在理論上可行的，但由于它對被測量管道系統(tǒng)較大幅度地額外增加阻力，難于投入實際應用。也曾作過利用微波、射線、電磁場等進行含塵氣體濃度和速度測量的嘗試，但都無最終應用于工業(yè)實踐的結果。
本發(fā)明的目的在于提供一種能準確、可靠的測量含塵氣流的流量、濃度，并在線監(jiān)測含塵氣流流量和濃度的方法及裝置。
實現(xiàn)該方法的步驟如下1)在純氣體狀態(tài)下，采用常規(guī)標準測風元件——皮托管根據(jù)等截面法測量管道內的氣流平均動壓Δpd，同時用探針測量管道內控制點的差壓Δp0，對探針1進行標定，得到探針的流量標定系數(shù)kkb為kkb=ΔPdΔP0]]>2)在純氣體狀態(tài)下，測量被測管段的各段管道的阻力，根據(jù)管道阻力特性公式計算得到被測管段的摩擦阻力系數(shù)λ0和管段內節(jié)流元件和彎頭的局部阻力系數(shù)ξ0；3)根據(jù)管道特性選取含粉狀態(tài)下摩擦阻力修正系數(shù)kλ和局部阻力修正系數(shù)kξ，由下式計算得到管道阻力的濃度修正系數(shù)kk=kλλ0LD+ξ0kξλ0LD+ξ0]]>
4)探針的流量標定系數(shù)kkb、管道阻力的濃度修正系數(shù)k均預置在計算機6的測量計算程序中，將測量探針1插入帶粉塵的管道中，迎向氣流的一支測量氣流的全壓，背向氣流的一支測量氣流的背壓，得到輸出差壓Δp1和兩個靜壓測點2輸出的管道阻力差壓Δp2，并由靜壓測點2-2得到管道內的靜壓ps，通過測點3得到管道內的溫度t；5)通過選取大氣壓力pa，根據(jù)測量得到的靜壓ps和溫度t由氣流密度公式計算得到管道內的氣流密度ρ為ρ=1.293×273273+t×pa+ps101325---kg/m3]]>6)通過探針差壓Δp1，由探針差壓公式ΔP1=12kkb2ρw2(1+kμ×μ)]]>計算出濃度為0時的風速w1，其中kμ為探針差壓濃度修正系數(shù)w1=kkb2Δp1ρ(1+kμ×μ)]]>7)根據(jù)管道的阻力特性由管道阻力特性公式計算出濃度為0時的步驟6得出的風速下純氣體狀態(tài)時的管道阻力差壓ΔP20，ΔP20=12ρw2(λ0LD+ξ0)]]>則阻力比R=ΔP2/ΔP20，通過公式R=1+kμ計算得到濃度μ1μ1=R-1k]]>8)將求出的濃度值μ1，代入探針差壓式ΔP1=12]]>kkbρw2(1+kμ×μ)，求出該濃度下的氣流速度w2，使用本步驟得到的風速w2重復進行上述計算，得到了第二次計算的濃度值μ2，將得到的速度w2、濃度值μ2與上次的計算速度w1、濃度值μ1比較，如果誤差小于0.5％，計算機認為已經得到了準確的氣流速度和粉塵濃度，否則重復步驟7、8直至兩次計算出的速度、濃度誤差小于O.5％9)通過計算機6內的在線監(jiān)測程序實時顯示測量結果，并可通過該程序查詢歷史記錄。
一種根據(jù)上述方法而設計的裝置，包括探針1、靜壓探測裝置2、溫度探測儀3、差壓變送器、數(shù)據(jù)采集板5、計算機6，其特征在于用來測量含塵氣流動壓差的防堵探針1與差壓變送器4-1連接，在管道上相隔一段距離布置的2個靜壓測點2-1、2-2與差壓變送器4-2連接，在靜壓測點2-2上取靜壓信號與差壓變送器4-3連接，能將探針動壓差和靜壓差轉換為電流信號的差壓變送器4-1、4-2、4-3與數(shù)據(jù)采集板5電連接，數(shù)據(jù)采集板5的輸出通過數(shù)據(jù)總線與計算機6連接。
所述的防堵探針1包括探針支管7、緩沖容器8、高壓清潔氣體管道11、傳壓管12，其特征在于兩個探針支管7組成動壓探頭，伸向含塵氣流管道內的端部制作成楔形，一支探針支管迎向含塵氣流，另一支背向氣流，兩個探針支管7的尾部與緩沖箱8連通，在兩個探針支管7伸向含塵氣流的端部分別開有靜壓取壓孔13，通過傳壓管12分別與差壓變送器(4-1)連接。所述的高壓清潔氣體經高壓清潔氣體管道11進入緩沖容器內，再經過探針支管噴入含塵氣流中。
所述的靜壓探測裝置2，包括一個緩沖容器14，緩沖容器14內有一振動絲15，所述的振動絲15伸出緩沖容器14進入管道壁面上的靜壓孔16，在緩沖容器14的頂端開有與傳壓管16、吹掃管17、強制吹掃管18連通的孔19、20、21。
所述的振動絲15一端通過連接器22固定在緩沖容器14的頂端，另一端伸出緩沖容器下端的錐形口23進入管道壁面上的靜壓孔16，在錐形口23內壁面上有一確定振動絲15方向的導向塊24，所述的振動絲15具有一彈性段25。
所述的與吹掃管17連通的孔26為微型孔，靜壓孔16與微型孔26的直徑之比為15～25。吹掃管17接在高壓清潔氣體管28和微型孔26之間，截止閥9接在強制吹掃管18和高壓清潔氣體管28之間。傳壓管16上裝有限壓閥27，限壓閥(27)的出口與差壓變送器(4-2、4-3)連接。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點測量含塵氣流的流量、濃度，必須保證測量的準確性、可靠性。根據(jù)本發(fā)明設計的監(jiān)測系統(tǒng)適用于含塵氣流的流量、濃度在線監(jiān)測，采用了能夠可靠地防止堵塞的探針、靜壓測點，同時這些防堵手段又不影響測量精度；探針采用耐磨材料制作，可以保證長時間工作在含塵氣流中；所測量的差壓信號與氣流流量、粉塵濃度的關系穩(wěn)定，且與采用的高壓清潔氣體壓力、粉塵的成分等因素無關，測量精度高；由于沒有節(jié)流元件，對被測量管道系統(tǒng)不增加阻力；本裝置還具有設備簡單，運行可靠性高，維護方便等特點。適用范圍廣，可用于各種輸送粉塵的管道系統(tǒng)；測量設備簡單，可大幅度降低實際應用中的投資；運行可靠性高，沒有轉動、活動部件，不易損壞；不增加額外的管道阻力；不受粉塵成分變化的影響；測量精度較高，風量精度可達1％，濃度精度可達5％以內。
本發(fā)明的實施例參見下列各圖

圖1為測量系統(tǒng)的原理2為測量裝置的框3為防堵探針原理4為靜壓探測裝置原理圖本發(fā)明的原理是可以防止粉塵堵塞和磨損的探針，其輸出差壓與氣流速度、粉塵濃度有固定的關系，同樣某一段管道的阻力也與氣流速度和粉塵濃度有關，通過現(xiàn)場或試驗臺標定和數(shù)學模型建立起氣流速度、粉塵濃度與這些壓差信號之間的關系，從而成為測量氣流流量和粉塵濃度的手段。
本發(fā)明提出了一種測量裝置如圖1、2所示，主要包括以下部分一支用來測量含塵氣流的動壓差的防堵探針1，它采用耐磨材料制造，保證探針在含塵氣流中不易磨損，通過采用清潔空氣吹掃避免了探針堵塞，防堵探針的輸出的是差壓信號，通過傳壓管連接至一臺差壓變送器4-1，該差壓與氣流的速度和濃度有關。
兩個靜壓測點2，在被測管道上相距一定距離布置，用來測量該段管道的阻力和管道內靜壓，采用的靜壓測點經過特殊設計，可以防止堵塞；兩個靜壓測量裝置輸出的靜壓形成一個差壓，該差壓即是被測量管段的阻力，通過傳壓管連接到一臺差壓變送器上。其中一個靜壓測量裝置的靜壓送入另一臺差壓變送器。兩個靜壓測量裝置輸出的差壓與管道的阻力特性以及管道內的氣流速度、濃度有關。該靜壓探測裝置2采取了清潔氣體吹掃和振動的方法，防止了靜壓探測裝置堵塞。
三臺差壓變送器4，將探針動壓差和管道阻力以及管道內靜壓轉換為電流信號送至數(shù)據(jù)采集板5；一支用來測量管道內溫度的熱電偶3，熱電偶測量得到的電壓信號也送至數(shù)據(jù)采集板5；數(shù)據(jù)采集板與差壓變送器及熱電偶之間為電連接，將防堵探針動壓、管道阻力、管道內氣流溫度、管道內氣流靜壓等數(shù)據(jù)轉換為數(shù)字信號并通過信號電纜送往計算機；計算機(6)，利用探針測量得到的氣流動壓、靜壓測點測量到的管道阻力與含塵氣流的流量、濃度之間的關系，對所有測量數(shù)據(jù)進行計算，得到氣流的流量、濃度，并具有實時顯示結果，查詢歷史記錄，流量累計等多種功能，也可根據(jù)需要隨時增加新的功能。
在本實施例中，所述的探針1是一種防堵耐磨探針，如附圖3所示，所述的裝置包括探針支管7、差壓變送器4-1、兩個探針支管1并在一起組成動壓探頭，伸向含塵氣流管道內的端部制作成楔形，一支探針支管迎向含塵氣流，另一支背向氣流，兩個探針支管1的尾部伸向緩沖箱內與緩沖箱8連通，在兩個探針支管1申向含塵氣流的端部分別開有靜壓取壓孔13，通過傳壓管12分別與差壓變送器4-1連接。
本防堵耐磨探針的原理是采用與被測氣流動壓相關的高壓清潔氣體的靜壓差代替?zhèn)鹘y(tǒng)探針的動壓，從而避免了傳統(tǒng)探針測量含塵氣流時容易堵塞的缺點，該方法稱之為差壓替代法。
提出了一種采用差壓替代法設計的用于含塵氣流流量測量的探針，很好地解決了傳壓管堵塞、信號失真的問題，主要包括以下部分兩支探針支管1，其幾何條件完全相同，進出口阻力系數(shù)、摩擦阻力系數(shù)相等，探針的兩個支管組成動壓探頭，迎向氣流的一支測量氣流的全壓，背向氣流的一支測量氣流的背壓；探針尾部設有緩沖箱，壓力遠高于被測管道內氣流全壓的高壓清潔氣體經過高壓清潔氣體管進入緩沖箱內，再以相同的壓力進入探針的兩個支管，經過探針支管連續(xù)噴入含塵氣流中；在探針兩個支管的頭部分別設有靜壓取壓孔13，來感應此處高壓清潔氣體的靜壓，采用傳壓管12將靜壓取壓孔的差壓引至差壓變送器13，該差壓與被測含塵氣流在當?shù)氐膭訅合嚓P，經過標定后由該差壓即可計算出含塵氣流流量；靜壓測點2是一種具有多種防堵措施的靜壓測量裝置，如圖4所示。在管道壁面上開有靜壓孔16，在靜壓孔外裝有緩沖容器14；緩沖容器14內布置有一振動絲15，該振動絲15一端通過連接器22固定在緩沖容器14的頂端，另一端伸出緩沖容器下端的錐形口23進入管道壁面上的靜壓孔16，其作用是靠管道本身的振動將粘積在靜壓孔16附近的粉塵撞落，萬一由于高壓清潔氣體管路故障停運而造成緩沖容器14內大量積粉時可以將振動絲15卸除進行處理，為了便于振動絲15的安裝及其定位，在緩沖容器14下部裝有導向塊24；在緩沖容器14的頂部有微型孔20、通孔19、21，傳壓管30與通孔19相通，傳壓管30中間裝有限壓閥27，防止靜壓孔16堵塞時緩沖容器14內的壓力過大而損壞后面連接的壓力變送器或壓力表；強制吹掃管18兩端分別與高壓清潔氣體管28和緩沖容器14上的通孔21相通，中間裝有截止閥29，正常運行時，該閥門關閉，在需要吹掃時將其打開對緩沖容器14內進行吹掃；吹掃管17的一端與緩沖容器14上微型孔20連通，另一端與高壓清潔氣體管28相連接，少量的高壓清潔氣體可以通過微型孔20進入緩沖容器14內；高壓清潔氣體管28上裝有過濾器26，將高壓清潔氣體內的雜質(油、水、固體顆粒等)濾除，以免堵塞微型孔20。
一般的靜壓測量裝置沒有設置吹掃管17，由于緩沖容器14通過靜壓孔16與管道內部相連，因此緩沖容器14內的壓力等于管道內的靜壓，傳壓管30所引出的壓力信號也等于管道內的靜壓。在本裝置中，壓力遠高于管道內靜壓的高壓清潔氣體通過微型孔20進入緩沖容器14內，但由于微型孔20的直徑很小，阻力很大，因此進入緩沖容器的高壓清潔氣體量并不大，這些高壓清潔氣體經過相對較大的靜壓孔16進入管道內。由于這少量高壓清潔氣體的流動，使得粉塵難以進入靜壓孔內，靜壓孔處不易積粉；當靜壓孔處萬一有積粉時，首先振動絲的撞擊可以將其撞落，或者由于積粉造成靜壓孔直徑減小，阻力增大，緩沖容器內的壓力升高，將積粉壓出靜壓孔。這樣就保證了靜壓孔不會堵塞。
熱電偶3、差壓變送器4、數(shù)據(jù)采集板5、計算機6為市售產品，熱電偶采用K型凱裝熱電偶，差壓變送器為Setra C264型，數(shù)據(jù)采集板為IMP 1C型，計算機為IBM兼容工控機。
本方法的工作過程如下采用探針動壓和管道阻力配合的法，根據(jù)標定和理論計算得到的探針動壓和管道阻力與氣流速度和粉塵濃度的關系，求出流量和濃度。
探針和測量管道阻力用的靜壓測點均有防堵措施，防止在含塵氣流中堵塞取壓孔，造成測量失敗；作為防磨措施，探針用耐磨材料制作，避免探針磨損造成過大的測量誤差或探針磨壞無法進行正常測量。
根據(jù)常規(guī)的計算方法，測量到的探針差壓、管道阻力與氣流速度和粉塵濃度的關系為ΔP1=12kkb2ρw2(1+kμ×μ)---(1)]]>ΔP2=12ρw2(λμLD+ξμ)---(2)]]>其中kkb為探針標定系數(shù)，由標定試驗得出。標定方法為采用標準測風元件——皮托管根據(jù)等截面法測量管道內的氣流平均動壓Δpd，同時用探針測量管道內控制點的差壓Δp0，計算得到流量標定系數(shù)kkb=ΔpdΔp0]]>kμ為探針濃度修正系數(shù)；ρ當?shù)貧饬髅芏?，kg/m3，可以由大氣壓力pa(Pa)、靜壓ps(Pa)和溫度t(℃)計算得出ρ=1.293×273273+t×pa+ps101325---kg/m3]]>w為氣流速度，m/s；μ為粉塵濃度，kg/kg；λμ為帶粉時的摩擦阻力系數(shù)λμ=λ0(1+kλ×μ)(4)kλ為摩擦阻力濃度修正系數(shù)；λ0為純空氣時的摩擦阻力系數(shù)；L為測量段長度，m；D為測量管道直徑，m；ξμ為帶粉時的局部阻力系數(shù)ξμ=ξ0(1+kξ×μ)(5)kξ為局部阻力濃度修正系數(shù)；ξ0為純空氣時的局部阻力系數(shù)。ΔP2=12ρw2(λμLD+ξμ)=12ρw2[λ0LD(1+kλ×μ)+ξ0(1+kξ×μ)]]]>=12ρw2[(λ0Ld+ξ0)+(kλλ0LD+ξ0×kξ)×μ]---(6)]]>與純空氣下的管道阻力相比ΔP2ΔP20=12ρw2[(λ0LD+ξ0)+(kλλ0LD+ξ0×kξ)×μ]12ρw2(λ0LD+ξ0)=1+kλλ0LD+ξ0kξλ0LD+ξ0×μ---(7)]]>式(6)中，濃度μ的系數(shù)僅與測量管道的結構有關，將該系數(shù)定義為管道阻力的濃度修正系數(shù)k，帶粉狀態(tài)下的管道阻力與純空氣下相同速度時管道阻力之比定義為阻力比R，則R=1+kμ(8)其中R=ΔP2ΔP20---(9)]]>k=kλλ0LD+ξ0kξλ0LD+ξ0---(10)]]>在以上計算公式中，對于特定的管道和測量點，可以認為除了速度和濃度以外，其它參數(shù)均為已知數(shù)，測量得到兩個差壓后，可以將速度和濃度求出。求解過程可以采用疊代法進行，首先根據(jù)探針差壓由公式1求出初始濃度下的氣流速度w1，根據(jù)管道的阻力特性計算得到純氣體狀態(tài)時該速度下測量管段的阻力Δp20,]]>得到阻力比R=Δp2/Δp20,]]>可以根據(jù)公式8得出濃度μ1，再將μ1作為初始濃度重復上述過程，直到相鄰兩次計算求出的速度、濃度值的偏差足夠小，即認為得到了準確的速度、濃度值。
權利要求
1．一種含塵氣流流量和濃度的在線監(jiān)測方法，其步驟如下1)在純氣體狀態(tài)下，采用常規(guī)標準測風元件一一皮托管根據(jù)等截面法測量管道內的氣流平均動壓△pd，同時用探針測量管道內控制點的差壓△p0，對探針(1)進行標定，得到探針的流量標定系數(shù)kkb為kkb=ΔPdΔP0]]>2)在純氣體狀態(tài)下，測量被測管段的各段管道的阻力，根據(jù)管道阻力特性公式計算得到被測管段的摩擦阻力系數(shù)λ0和管段內節(jié)流元件和彎頭的局部阻力系數(shù)ξ0；3)根據(jù)管道特性選取含粉狀態(tài)下摩擦阻力修正系數(shù)kλ和局部阻力修正系數(shù)kξ，由下式計算得到管道阻力的濃度修正系數(shù)kk=kλλ0LD+ξ0kξλ0LD+ξ0]]>4)探針的流量標定系數(shù)kkb、管道阻力的濃度修正系數(shù)k均預置在計算機(6)的測量計算程序中，將測量探針(1)插入帶粉塵的管道中，迎向氣流的一支測量氣流的全壓，背向氣流的一支測量氣流的背壓，得到輸出差壓△p1和兩個靜壓測點(2)輸出的管道阻力差壓△p2，并由靜壓測點(2-2)得到管道內的靜壓ps，通過測點(3)得到管道內的溫度f；5)通過選取大氣壓力Pa，根據(jù)測量得到的靜壓Ps和溫度t由氣流密度公式計算得到管道內的氣流密度p為ρ=1.293×273273+t×Pa+Ps101325---kg/m3]]>6)通過探針差壓△p1由探針差壓公式ΔP1=12kkb2ρw2(1+kμ×μ)]]>計算出濃度為0時的風速w1，其中kμ為探針差壓濃度修正系數(shù)w1=kkb2Δp1ρ(1+kμ×μ)]]>7)根據(jù)管道的阻力特性由管道阻力特性公式計算出濃度為0時，在風速為w1的情況下純氣體狀態(tài)時的管道阻力差壓ΔP20]]>為ΔP20=12ρw2(λ0LD+ξ0)]]>則阻力比R=ΔP2/ΔP20,]]>通過公式R=1+kμ計算得到濃度μ1為μ1=R-1k]]>8)將求出的濃度值μ1代入探針差壓式ΔP1=12kkbρw2(1+kμ×μ),]]>求出該濃度下的氣流速度w2，使用本步驟得到的風速w2重復進行上述計算，得到了第二次計算的濃度值μ2，將得到的速度w2、濃度值μ2與上次的計算速度w1、濃度值μ1比較，如果誤差小于0.5％，計算機認為已經得到了準確的氣流速度和粉塵濃度，否則重復步驟7、8直至兩次計算出的速度、濃度誤差小于0.5％；9)通過計算機(6)內的在線監(jiān)測程序實時顯示測量結果，并可通過該程序查詢歷史記錄。
2．一種根據(jù)上述方法而設計的裝置，包括探針(1)、靜壓探測裝置(2)、溫度探測儀(3)、差壓變送器、數(shù)據(jù)采集板(5)、計算機(6)，其特征在于用來測量含塵氣流動壓差的防堵探針(1)與差壓變送器(4-1)連接，在管道上相隔一段距離布置的2個靜壓測點(2-1、2-2)與差壓變送器(4-2)連接，在靜壓測點(2-2)上取靜壓信號與差壓變送器(4-3)連接，能將探針動壓差和靜壓差轉換為電流信號的差壓變送器(4-1、4-2、4-3)與數(shù)據(jù)采集板(5)電連接，數(shù)據(jù)采集板(5)的輸出通過數(shù)據(jù)總線與計算機(6)連接。
3．根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于所述的防堵探針(1)包括探針支管(7)、緩沖容器(8)、高壓清潔氣體管道(11)、傳壓管(12)，兩個探針支管(7)組成動壓探頭，伸向含塵氣流管道內的端部制作成楔形，一支探針支管迎向含塵氣流，另一支背向氣流，兩個探針支管(7)的尾部與緩沖箱(8)連通，在兩個探針支管(7)伸向含塵氣流的端部分別開有靜壓取壓孔(13)，通過傳壓管(12)分別與差壓變送器(9)連接。
4．根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于所述的高壓清潔氣體經高壓清潔氣體管道(11)進入緩沖容器內，再經過探針支管噴入含塵氣流中。
5．根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于所述的靜壓探測裝置(2)，包括一個緩沖容器(14)，緩沖容器(14)內有一振動絲(15)，所述的振動絲(15)伸出緩沖容器(14)進入管道壁面上的靜壓孔(16)，在緩沖容器(14)的頂端開有與傳壓管(30)、吹掃管(17)、強制吹掃管(18)連通的孔(19、20、21)。
6．根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于所述的振動絲(15)一端通過連接器(22)固定在緩沖容器(14)的頂端，另一端伸出緩沖容器下端的錐形口(23)進入管道壁面上的靜壓孔(16)，在錐形口(23)內壁面上有一確定振動絲(15)方向的導向塊(24)，所述的振動絲(15)具有一彈性段(25)。
7．根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于所述的與吹掃管(17)連通的孔(20)為微型孔，靜壓孔(16)與微型孔(20)的直徑之比為15～25。
8．根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于傳壓管(30)上裝有限壓閥(27)，限壓閥(27)的出口與差壓變送器(4-2、4-3)連接。
9．根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于吹掃管(17)接在高壓清潔氣體管(28)和微型孔(20)之間，截止閥(29)接在強制吹掃管(18)和高壓清潔氣體管(28)之間，高壓清潔氣體管道上裝有過濾器(26)。
全文摘要
一種含塵氣流流量和濃度的在線監(jiān)測方法及裝置,通過標定和理論計算,采用探針動壓和管道阻力配合計算出含塵氣流的流量和濃度,探針具有防堵和防磨措施,測量管道阻力的靜壓測量裝置也具有防堵措施,保證測量的準確可靠。本方法具有適用范圍廣,測量設備簡單運行可靠性高,沒有轉動、活動部件、不易損壞,不增加額外的管道阻力,不受粉塵成分變化的影響,測量精度較高等優(yōu)點。
文檔編號G01F1/34GK1303017SQ0110419
公開日2001年7月11日 申請日期2001年2月26日 優(yōu)先權日2001年2月26日
發(fā)明者王月明, 晉中華, 蔣敏華 申請人:電站鍋爐煤清潔燃燒國家工程研究中心