專利名稱：測(cè)量在管道中流動(dòng)的流體中具有懸浮的固體微粒的混合物的參數(shù)的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量管道內(nèi)通過(guò)的流的裝置，更特別地涉及一種利用聲動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量在流中傳播的聲速?gòu)亩_定例如管道中流的微粒/流體比、微粒尺寸以及體積流速等參數(shù)的裝置和方法，所述流具有在持續(xù)的流體中懸浮的微粒。
背景技術(shù)：
本發(fā)明提供一種測(cè)量管道中的流體/微?；旌衔锏膮?shù)的方法，該方法可以在許多應(yīng)用中、例如在化學(xué)、制藥、石油以及發(fā)電工業(yè)中使用。特別地，本發(fā)明提供一種在粉狀燃料傳送系統(tǒng)中使用的測(cè)量粉煤和空氣混合物的方法，該粉狀燃料傳送系統(tǒng)位于在發(fā)電工業(yè)中使用的占大比例的燃煤鍋爐中。
當(dāng)前，在美國(guó)，超過(guò)50％的電是用煤產(chǎn)生的。雖然，在美國(guó)，煤被認(rèn)為是節(jié)省成本且豐富的資源，但是主要出于保護(hù)環(huán)境的考慮，煤的使用已經(jīng)受到限制。為了減輕這種影響，美國(guó)能源部門和發(fā)電企業(yè)設(shè)計(jì)了大量的計(jì)劃來(lái)發(fā)展工藝以減少燃煤的環(huán)境影響。這些潔凈煤計(jì)劃包括被設(shè)計(jì)用于在減少污染物、例如未燃煤、灰以及氮氧化物(NOx)的同時(shí)改進(jìn)燃燒過(guò)程以提高效率的技術(shù)。
測(cè)量煤管道內(nèi)的流速和空氣/煤混合物的成分的能力是任何被設(shè)計(jì)用于優(yōu)化PF傳送系統(tǒng)的性能的系統(tǒng)或策略的一個(gè)重要方面。企業(yè)認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)，并且因此一直在發(fā)展各種不同的技術(shù)以執(zhí)行這種測(cè)量。這些技術(shù)包括基于采樣裝置的探測(cè)器，以及基于各種不同的技術(shù)(包括靜電荷，微波，以及超聲波)的實(shí)時(shí)儀表。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的包括提供一種在工業(yè)鍋爐系統(tǒng)和相關(guān)的過(guò)程、例如燃煤鍋爐系統(tǒng)中測(cè)量通過(guò)管道中的微粒/流體混合物傳播的聲速?gòu)亩_定該混合物的特定參數(shù)的系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明，一種用于測(cè)量管道中微粒/流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)的裝置包括由至少兩個(gè)壓力傳感器組成的空間陣列，所述傳感器沿管道布置在不同軸向位置上。每一個(gè)壓力傳感器在相應(yīng)的軸向位置上測(cè)量管道內(nèi)的不穩(wěn)定壓力。每一個(gè)所述傳感器在所述傳感器中相應(yīng)的一個(gè)傳感器的所述軸向位置上提供指示管道內(nèi)不穩(wěn)定壓力的壓力信號(hào)。信號(hào)處理器響應(yīng)于所述壓力信號(hào)提供指示管道內(nèi)混合物的至少一個(gè)參數(shù)的信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明，一種用于測(cè)量管道內(nèi)微粒/流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)的方法包括在沿管道的至少兩個(gè)預(yù)定的軸向測(cè)量位置上測(cè)量管道內(nèi)的不穩(wěn)定壓力，從而在至少兩個(gè)預(yù)定的軸向測(cè)量位置中的每一個(gè)位置上提供指示管道內(nèi)不穩(wěn)定壓力的壓力信號(hào)。此外，所述方法還包括利用在軸向測(cè)量位置上測(cè)量的不穩(wěn)定壓力計(jì)算管道中微粒/流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)。
本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)下面對(duì)其示范性實(shí)施方式的詳細(xì)描述將變得更顯而易見(jiàn)。


附圖1是根據(jù)本發(fā)明的、用于測(cè)量在管道中流動(dòng)的流體/微粒混合物的聲速的流量計(jì)的方框圖。
附圖2是根據(jù)本發(fā)明的在燃煤鍋爐系統(tǒng)中的粉狀燃料(PF)/空氣混合物參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。
附圖3是表示附圖2所示系統(tǒng)特有的煤的微粒尺寸的放大的照片。
附圖4是根據(jù)本發(fā)明的、混合物的聲速與按照空氣/煤質(zhì)量流比的頻率的關(guān)系曲線圖。
附圖5是根據(jù)本發(fā)明的、作為空氣/煤混合物頻率的函數(shù)的聲速的實(shí)際數(shù)據(jù)和模型的曲線圖。
附圖6是表示根據(jù)本發(fā)明針對(duì)PF/空氣混合物參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的不同陣列的聲速的標(biāo)準(zhǔn)偏差與頻率的關(guān)系曲線圖。
附圖7是根據(jù)本發(fā)明作為頻率的函數(shù)的聲速的曲線圖，該頻率是具有固定的微粒尺寸(50毫米)和變化的空氣/燃料質(zhì)量比的空氣/煤混合物的頻率。
附圖8是根據(jù)本發(fā)明作為頻率的函數(shù)的聲速的曲線圖，該頻率是具有變化的微粒尺寸而空氣/燃料質(zhì)量比等于1.8的空氣/煤混合物的頻率。
附圖9是根據(jù)本發(fā)明的作為空氣/煤比率的函數(shù)的聲速的曲線圖。
附圖10是根據(jù)本發(fā)明用于從分析模型以及用試驗(yàn)方法確定的分散的聲速數(shù)據(jù)中確定空氣/燃料比和微粒尺寸的優(yōu)化過(guò)程的流程圖。
附圖11是將附圖10的優(yōu)化過(guò)程應(yīng)用于由傳感器陣列記錄的數(shù)據(jù)的結(jié)果的曲線圖，所述傳感器陣列監(jiān)聽(tīng)6英寸圓環(huán)管道中微粒尺寸為50微米、氣流速率為100英尺/秒、空氣/燃料比為1.8的流。
附圖12是將附圖10的優(yōu)化過(guò)程應(yīng)用于一系列具有變化的空氣/燃料比的數(shù)據(jù)集的結(jié)果的曲線圖。
附圖13是根據(jù)本發(fā)明由壓力傳感器陣列處理的數(shù)據(jù)的kω曲線圖，所述壓力傳感器用于測(cè)量在管道中流動(dòng)的煤/空氣混合物的聲速。
附圖14是根據(jù)本發(fā)明的具有PVDF的多個(gè)壓力傳感器的側(cè)視圖，所述壓力傳感器夾到管道的外表面上。
附圖15是附圖14的一個(gè)壓力傳感器的局部透視圖。
具體實(shí)施例方式
參照附圖1，提供一種實(shí)施本發(fā)明的流量計(jì)10，該流量計(jì)測(cè)量固體微粒的混合物12的多個(gè)參數(shù)/特征，所述固體微粒懸浮在管道或?qū)Ч?4中流動(dòng)的持續(xù)流體中，其中，將流體限定為液體和/或氣體。該流量計(jì)可以被配置成和設(shè)計(jì)成測(cè)量通過(guò)混合物傳播的聲速。該流量計(jì)可以測(cè)量混合物流12的下面的參數(shù)中的至少一個(gè)流體/微粒濃度(體積相位分?jǐn)?shù)volumetric phase fraction)，體積流率，固體微粒的尺寸，混合物的質(zhì)量流量，以及混合物的速度。為了確定這些參數(shù)的任何一個(gè)，流量計(jì)10測(cè)量由通過(guò)在管道14中流動(dòng)的混合物傳播的聲速(SOS)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力，這將在下文中更詳細(xì)地描述。
混合物12的固體微?？梢允侨魏纬叽纭⑿螤詈筒牧?。例如，該微粒的尺寸可以小到粉末形式、顆粒形式，或尺寸更大。流量計(jì)10可以在任何傳送在通過(guò)管道的流體中懸浮的固體微粒的應(yīng)用中使用，例如在化學(xué)、制藥、石油以及發(fā)電的應(yīng)用中使用。例如，本發(fā)明非常適用于測(cè)量發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)(例如，空氣/煤比率，微粒尺寸)，該發(fā)電系統(tǒng)使用粉煤來(lái)點(diǎn)燃蒸汽鍋爐系統(tǒng)的爐子。
作為一個(gè)實(shí)例，本發(fā)明將在用于發(fā)電的粉狀燃料(PF)傳送系統(tǒng)的上下文中論述，但是應(yīng)當(dāng)理解，該流量計(jì)也可以應(yīng)用于許多如上文所述的其它的應(yīng)用。附圖2的燃煤鍋爐系統(tǒng)2中示出了典型的PF傳送系統(tǒng)1。煤在磨粉機(jī)3中被粉碎并夾帶在空氣中，從而通過(guò)用于傳送的管道12將PF/空氣混合物傳輸?shù)綘t子6，所述空氣由多種裝置、如風(fēng)扇4產(chǎn)生。典型的爐子具有多于50個(gè)煤管道，每一個(gè)煤管道的直徑為12-20英寸。典型地，大于300Mw的大型實(shí)用鍋爐可具有4-11臺(tái)給爐供給的磨粉機(jī)。PF傳送系統(tǒng)將適當(dāng)數(shù)量的燃料和空氣共同地和分別地通過(guò)這些多個(gè)煤管道傳送到爐子的能力，對(duì)該燃煤鍋爐的性能以及排放有著很強(qiáng)的影響。
眾所周知，PF傳送系統(tǒng)1中的不均勻性可以導(dǎo)致燃料/空氣比的變化，造成熱點(diǎn)、高NOx產(chǎn)生區(qū)域以及未燃燒的燃料。必須充分地認(rèn)識(shí)PF燃料傳送系統(tǒng)1和鍋爐系統(tǒng)2的性能之間的聯(lián)系。包含了本發(fā)明的流量計(jì)10能夠測(cè)量燃料/空氣比以及提供給爐子的粉煤的微粒尺寸，從而向操作者提供反饋，以提供煤的更有效的燃燒。
如上所述，本發(fā)明的流量計(jì)10可以被配置和設(shè)計(jì)成測(cè)量并處理檢測(cè)到的不穩(wěn)定壓力P1(t)-PN(t))，從而確定混合物流12的參數(shù)，該不穩(wěn)定壓力由通過(guò)混合物傳播的聲波產(chǎn)生。附圖1表示了一個(gè)這樣的流量計(jì)10，該流量計(jì)測(cè)量通過(guò)流體/微粒混合物傳播的一維聲波的聲速(SOS)，從而確定混合物的成分，也就是混合物的流體/微粒比。該流量計(jì)也可以確定微粒的平均尺寸、混合物的速度以及混合物的體積流率。眾所周知，在例如SONAR和RADAR場(chǎng)中，聲音通過(guò)不同的介質(zhì)以不同的速度傳播。管道14內(nèi)的混合物的聲速可以使用多種公知的技術(shù)來(lái)確定，例如在2002年3月12日授權(quán)的標(biāo)題為“Fluid ParameterMeasurement in Pipes Using Acoustic Pressures”的美國(guó)專利No.6354147和2001年11月7日提交的標(biāo)題為“Fluid Parameter Measurement in Pipes Using AcousticPressures”的美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/007749中陳述的那些技術(shù)，將這兩個(gè)專利申請(qǐng)合并在此作為參考。本發(fā)明利用至少一個(gè)流量計(jì)10來(lái)確定流體/微?；旌衔锏牟煌瑓?shù)，其中，一個(gè)參數(shù)是聲音在混合物管道系統(tǒng)中行進(jìn)的速度，該速度將在下面進(jìn)行更全面的描述。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)使用不穩(wěn)定壓力傳感器陣列被動(dòng)地監(jiān)聽(tīng)流來(lái)測(cè)量通過(guò)混合物12傳播的聲速，從而確定通過(guò)包含在管道14內(nèi)的流體/微粒混合物傳播的一維壓縮波的速度。
如圖1所示，流量計(jì)10包括至少三個(gè)聲壓傳感器15，16，17的陣列，所述傳感器位于沿管道14軸向的三個(gè)位置x1，x2，x3處。可以認(rèn)識(shí)到，如在位置xN處的壓力傳感器18所示，該傳感器陣列可以包括多于三個(gè)壓力傳感器。由聲波產(chǎn)生的壓力可以通過(guò)管道14中與外部壓力傳感器15-18相通的孔測(cè)量，或者通過(guò)下文所述的其它技術(shù)測(cè)量。壓力傳感器15-18將線路20，21，22，23上的隨時(shí)間變化的壓力信號(hào)P1(t)，P2(t)，P3(t)，PN(t)提供給信號(hào)處理單元30，然后分別提供給已知的快速傅立葉變換(FFT)邏輯電路26，27，28，29。該FFT邏輯電路26-29計(jì)算基于時(shí)間的輸入信號(hào)P1(t)-PN(t)的傅立葉變換，并且在線路32，33，34，35上提供表示輸入信號(hào)的頻率含量的復(fù)頻域(或基于頻率的)信號(hào)P1(ω)，P2(ω)，P3ω)，PN(ω)。代替FFT邏輯電路，也可以使用任何其它用于得到信號(hào)P1(t)-PN(t)的頻域特征的技術(shù)。例如，也可以使用交叉譜密度和功率譜密度形成下文所述的頻域傳遞函數(shù)(或頻率響應(yīng)或比率)。
將頻率信號(hào)P1(ω)-PN(ω)送到amix-Mx計(jì)算邏輯電路38，該邏輯電路38將表示通過(guò)混合物傳播的聲速的信號(hào)amix(ω)供到線路40，所述信號(hào)為函數(shù)頻率(在更后面論述)。將amix(ω)信號(hào)提供到映射(或等分)邏輯電路42，該邏輯電路將amix(ω)轉(zhuǎn)變成PF/空氣混合物的百分比成分，并且將表示所述百分比成分(如下文所述)的％Comp信號(hào)提供到線路44。同樣，如果該馬赫數(shù)Mx(ω)是不可忽略的并且是所需的，該計(jì)算邏輯電路40也可以將表示馬赫數(shù)Mx(ω)的信號(hào)Mx(ω)提供到線路46，該信號(hào)Mx(ω)是頻率的函數(shù)。
對(duì)附圖1所示的環(huán)形導(dǎo)管或管道12來(lái)說(shuō)，在頻率低于截止(cut-on)頻率時(shí)只有平面波傳播(參考文獻(xiàn)Acoustics of Ducts and Mufflers，M.J.Munjal，JohnWiley&Sons，New York，1987)f<1.84πDa]]>對(duì)在18英寸管道中具有500米/秒的聲速的混合物來(lái)說(shuō)，該截止頻率大約為600Hz。這樣，在這個(gè)例子中，僅一維聲波在600Hz以下傳播。應(yīng)當(dāng)注意到很重要的一點(diǎn)，一維波仍然可以在這個(gè)頻率之上傳播，但是更高數(shù)量級(jí)的模式可能存在或可能不存在。
更特別地，對(duì)同質(zhì)混合物中的平面一維聲波來(lái)說(shuō)，已知在沿管道的位置x處的聲壓場(chǎng)P(x，t)可以表示為右行進(jìn)波和左行進(jìn)波的疊加，其中，待測(cè)聲波的波長(zhǎng)λ與管道12的直徑d相比較長(zhǎng)(即，λ/d＞＞1)，所述聲壓場(chǎng)表示如下P(x,t)=(Ae-ikrx+Be+iklx)eiωt]]>式1其中，A、B分別是右行進(jìn)波和左行進(jìn)波的基于頻率的復(fù)振幅，x是沿管道的壓力測(cè)量位置，ω是頻率(單位rad/sec，其中ω＝2πf)，以及kr，kl分別是右行進(jìn)波和左行進(jìn)波的波數(shù)，它們被定義為kr=[ωamix(ω)]11+Mx(ω)]]>和k1≡[ωamix(ω)]11-Mx(ω)]]>式2其中，amix(ω)是管道中混合物的聲速，ω是頻率(單位rad/sec)，以及Mx(ω)是在管道中混合物流的軸向馬赫數(shù)，其中Mx(ω)≡Vmixamix(ω)]]>式3其中，Vmix是混合物的軸向速度。對(duì)非同質(zhì)混合物來(lái)說(shuō)，該軸向馬赫數(shù)表示混合物的平均速度，并且低頻聲場(chǎng)描述基本上保持不變。
在管道內(nèi)的基于時(shí)間的聲壓場(chǎng)P(x，t)的頻域表示P(x，ω)是式1的eiωt項(xiàng)的系數(shù)，其表示如下P(x,ω)=Ae-ikrx+Be+iklx]]>式4
參照附圖1，我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)在沿管道12的三個(gè)軸向分布的壓力測(cè)量位置x1，x2，x3處的P(x，ω)使用式4產(chǎn)生了作為基于頻率的壓力測(cè)量的比率的函數(shù)的amix的方程式，該方程式允許消去系數(shù)A，B。對(duì)最佳結(jié)果來(lái)說(shuō)，A和B在測(cè)量時(shí)間上基本上為常數(shù)，并且在測(cè)量部分中，基本上沒(méi)有聲音(或聲能)被產(chǎn)生或破壞。聲激勵(lì)僅通過(guò)檢驗(yàn)部分51的末端進(jìn)入測(cè)試部分，這樣可以獨(dú)立于檢驗(yàn)部分之外的聲環(huán)境來(lái)測(cè)量在測(cè)量部分51之內(nèi)的聲速。特別地，分別在沿管道12的三個(gè)位置x1，x2，x3處的頻域壓力測(cè)量P1(ω)，P2(ω)，P3(ω)表示如下，所述頻域壓力測(cè)量使用用于右行進(jìn)波和左行進(jìn)波的式1P1(ω)=P(x=x1,ω)=Ae-ikrx1+Be+iklx1]]>式5P2(ω)=P(x=x2,ω)=Ae-ikrx2+Be+iklx2]]>式6P3(ω)=P(x=x3,ω)=Ae-ikrx3+Be+iklx3]]>式7其中，對(duì)給定的頻率來(lái)說(shuō)，A和B是描述傳感器14，16，18之間的聲場(chǎng)的任意常數(shù)。從式6，7中形成P1(ω)/P2(ω)的比率，并且求出B/A，其給出下面的表達(dá)式R≡BA=e-ikrx1-[P1(ω)P2(ω)]e-ikrx2[P1(ω)P2(ω)]eiklx2-eiklx1]]>式8其中，將R定義為反射系數(shù)。
從式5和7中形成P1(ω)/P3(ω)的比率，并且求出0，得到e-ikrx1+Reiklx1e-ikrx3+Reiklx3-[P1(ω)P3(ω)]=0]]>式9其中，R＝B/A由式8定義，并且kr和kl與由式2定義的amix有關(guān)。式9可以用數(shù)值方式解決，例如，通過(guò)將“誤差”或殘差項(xiàng)定義為式9左側(cè)的幅度，并且迭代以最小化該誤差項(xiàng)。
mag[e-ikrx1+Reiklx1e-ikrx3+Reiklx3-[P1(ω)P3(ω)]]≡Error]]>式10來(lái)自傳感器陣列的數(shù)據(jù)可以在任何域內(nèi)處理，所述域包括頻率/空間域，時(shí)間/空間域，時(shí)間/波數(shù)域，或者波數(shù)/頻率(k-ω)域。同樣地，如果需要，也可以使用在這些或其它相關(guān)的域中的任何已知的陣列處理技術(shù)。
同樣，也可以用軟件(使用微處理器或計(jì)算機(jī))和/或固件實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理單元30內(nèi)的一些或全部的功能，或者可以利用模擬和/或數(shù)字硬件實(shí)現(xiàn)所述功能，所述硬件具有充足的內(nèi)存、接口，并且能夠執(zhí)行在此描述的功能。
聲壓力傳感器15-18檢測(cè)聲壓信號(hào)，所測(cè)量的聲壓信號(hào)是與用于現(xiàn)有技術(shù)中的超聲流量計(jì)的信號(hào)相比頻率更低(和波長(zhǎng)更長(zhǎng))的信號(hào)，因此即使在保護(hù)或煤“粘滯”(roping)是不可能的地方、例如在彎道之后，本發(fā)明也更能容忍流中的不均勻性，如在流中的粘滯以及其它時(shí)間和空間域的不均勻性。術(shù)語(yǔ)“粘滯”是對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)已知的術(shù)語(yǔ)，該術(shù)語(yǔ)表示嚴(yán)重的空間和時(shí)間不良分布形式，所述不良分布形式導(dǎo)致具有廣泛不同的成分密度的混合物流。在這種條件下，大部分的煤流位于沿管道14的一側(cè)流動(dòng)的區(qū)域內(nèi)。
此外，本發(fā)明結(jié)合管道14的柔度來(lái)確定管道/PF/空氣混合物系統(tǒng)的有效聲速。通過(guò)多種非離散源、例如遠(yuǎn)程機(jī)器、磨粉機(jī)、風(fēng)扇4(附圖2)、閥、彎管以及PF/空氣混合物流本身，在管道14的PF/空氣混合物內(nèi)產(chǎn)生聲壓信號(hào)P1(t)-PN(t)。該最后的源、即在管道14內(nèi)流動(dòng)的PF/空氣混合物12 保證任何PF/空氣混合物管道系統(tǒng)的最小聲級(jí)，這就是本發(fā)明的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，所述PF/空氣混合物是普通的噪聲源。流動(dòng)產(chǎn)生的聲音隨平均流速而增長(zhǎng)，并且總噪聲級(jí)(聲壓級(jí))是產(chǎn)生機(jī)制和潮濕機(jī)制的函數(shù)。同樣地，在本發(fā)明內(nèi)不需要外部的離散噪聲源，因此可以使用被動(dòng)監(jiān)聽(tīng)來(lái)操作。當(dāng)流量計(jì)10被動(dòng)地監(jiān)聽(tīng)混合物流12時(shí)，本發(fā)明試圖通過(guò)例如壓縮、振動(dòng)和/或敲打管道等方法增加聲源以將所需聲波注入到待測(cè)的流中。
對(duì)下文中將論述的特定類型的壓力傳感器、例如管道應(yīng)變傳感器、加速計(jì)、速度傳感器或位移傳感器來(lái)說(shuō)，可能需要管道14表現(xiàn)出特定量的管道柔度。
可選擇地，為了最小化由管道柔度造成的任何誤差效應(yīng)(以及相應(yīng)校準(zhǔn)的需要)，可以使管道14的軸向檢驗(yàn)部分50盡可能地硬，其中，傳感器15-18沿該軸向檢驗(yàn)部分50定位。為了得到所需的硬度，可以使檢驗(yàn)部分50的壁的厚度具有預(yù)定的厚度，或者該檢驗(yàn)部分50可以由非常硬的材料構(gòu)成，所述材料例如為鋼，鈦，凱夫拉爾，陶瓷，或者其它具有高模數(shù)的材料。
壓力傳感器(15-18)陣列的長(zhǎng)度(孔徑)ΔX是正被測(cè)量的聲波的測(cè)量波長(zhǎng)的至少一個(gè)有效部分。如將更詳細(xì)描述的，待測(cè)聲波波長(zhǎng)至少是混合物12的分散特性的函數(shù)，其中，該分散特性至少是微粒的尺寸和質(zhì)量以及流體粘性的函數(shù)。混合物的分散越大(例如尺寸和質(zhì)量越大和/或流體粘性越小)，所需的陣列的長(zhǎng)度就越長(zhǎng)。相反地，混合物的分散越小(例如尺寸和質(zhì)量越小和/或流體粘性越大)，所需的陣列的長(zhǎng)度就越短。
此外，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，倘若傳感器的位置已知，則壓力傳感器的間距可以是已知的或任意的。如下文中將更詳細(xì)描述的，傳感器15-18也可以等間距地放置(如附圖1所示)，或者任何不平均的或不等間距的放置。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，如果關(guān)于PF/空氣混合物管道系統(tǒng)的聲特性的特定信息已知，則僅需要少到兩個(gè)傳感器。
正如所述的，流量計(jì)10測(cè)量通過(guò)流體/微粒混合物傳播的一維聲波的聲速，從而確定混合物的成分。特別地，通過(guò)稀釋的固體/空氣混合物傳播的聲速可以直接與流動(dòng)的微粒的質(zhì)量部分相關(guān)。典型的PF燃料傳送系統(tǒng)1可以以1.5至2.5的空氣/煤的比率工作，其中與在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下的1.2kg/m3空氣相比，煤密度為1200至1400kg/m3。這樣，滿足所需的質(zhì)量比會(huì)導(dǎo)致在體積基礎(chǔ)上非常稀的煤混合物，這類似于體積的1/1000的數(shù)量級(jí)。
假設(shè)煤微粒足夠小，并且聲頻以及與聲音有關(guān)的干擾頻率足夠小，以致于固體微粒表現(xiàn)出可忽略的滑動(dòng)(穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的)，則可以假設(shè)聲速為非分散的(即頻率不變)，并且可以通過(guò)Wood方程確定混合物的體積相位分?jǐn)?shù)ρmix=Σi=1Nφiρi]]>1ρmixamix2=Σi=1Nφiρiai2]]>Σi=1Nφi=1]]>包括由導(dǎo)管12引入的柔度效應(yīng)(在這種情況下，環(huán)形管的模數(shù)為E，半徑為R，管壁厚度為t)1ρmixameasured2=1ρmixamix2+σ]]>其中σ≡2REt]]>利用上述關(guān)系，附圖4所示為聲音在具有典型的煤/空氣混合物的管道系統(tǒng)內(nèi)行進(jìn)的速度作為空氣/煤質(zhì)量比的函數(shù)。對(duì)這個(gè)例子來(lái)說(shuō)，假設(shè)純凈空氣具有1.2kg/m^3的密度和365.9m/s的聲速，并且假設(shè)煤具有1400kg/m^3的密度以及2439m/s的聲速。如圖所示，增加煤所占比例、即減少空氣/煤比率的結(jié)果是降低了聲速。物理上，有效地增加煤微粒加載了混合物的質(zhì)量，而完全不會(huì)改變空氣的可壓縮性。在感興趣的參數(shù)范圍內(nèi)，混合物聲速和空氣/煤比率之間的關(guān)系被很好地表現(xiàn)，并且是單原子的。
當(dāng)基于第一原理預(yù)測(cè)的校準(zhǔn)曲線是鼓舞人心的時(shí)，使用從聲速映射到空氣/煤比率的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以提高本發(fā)明測(cè)量混合物的空氣/煤所占比例的準(zhǔn)確性。
然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，粉狀的煤/空氣混合物的物理性質(zhì)通常為在除了很低的頻率(對(duì)于空氣中額定為50μm的煤微粒來(lái)說(shuō)，類似于頻率＜1-2Hz)之外的所有頻率上都存在速度滑動(dòng)，這種情況如圖7和8所示，并且將在下文中更詳細(xì)地描述。
附圖5表示將所測(cè)量的聲速作為實(shí)際的煤/空氣混合物12的頻率的函數(shù)。該聲速是利用在此描述的本發(fā)明的被動(dòng)監(jiān)聽(tīng)技術(shù)測(cè)量的。通過(guò)在50-300Hz之間的多個(gè)窄頻范圍上應(yīng)用Capon陣列處理算法，確定該聲速的頻率依賴性，從而確定特定聲傳播速度的頻率。在這個(gè)特定的例子中，該數(shù)據(jù)是在煤/空氣混合物以標(biāo)稱為100ft/sec流動(dòng)時(shí)得到的，其中，空氣/煤質(zhì)量比等于1.8。該煤微粒標(biāo)稱尺寸為50μm，代表在發(fā)電以及其它工業(yè)應(yīng)用中使用的典型的粉煤。附圖3表示了用于該檢驗(yàn)的煤微粒的放大的視圖。
此外，如圖5所示，聲速隨著增高的頻率而增長(zhǎng)，并且以漸近線接近恒定值。在較高頻率的聲速漸近線基本上是僅通過(guò)沒(méi)有懸浮的微粒影響的空氣傳播的聲速。同樣，明顯地，煤/空氣混合物的聲速并沒(méi)有達(dá)到測(cè)量聲速的最低頻率的準(zhǔn)穩(wěn)定界限。該聲速將在更低的頻率界限持續(xù)減小。本發(fā)明的重大發(fā)現(xiàn)在于，通過(guò)在持續(xù)的流體中懸浮的稀釋微粒傳播的聲速是分散的。如在此限定的，聲波通過(guò)分散的混合物傳播的速度隨頻率而變化。
由于壓力傳感器15-18陣列的總長(zhǎng)度(Δxaperature)與聲音的波長(zhǎng)相比變小，因而在頻率逐漸越來(lái)越低時(shí)測(cè)量混合物12的聲速的精確度固有地變低，所述總長(zhǎng)度(Δxaperature)限定該陣列的孔徑。通常，該孔徑至少應(yīng)當(dāng)為感興趣聲速的波長(zhǎng)的有效部分。在特定的實(shí)施方式中，當(dāng)總孔徑為3英尺時(shí)，通過(guò)間距為12英寸的四個(gè)傳感器的陣列記錄聲速數(shù)據(jù)。在50Hz時(shí)，100ft/sec的聲波具有20ft的波長(zhǎng)。這樣，這種特定陣列的孔徑(大約36英寸)僅跨越波長(zhǎng)的3/20，并且明顯地消弱該陣列在所述孔徑之下精確地分辨聲速的能力。本發(fā)明的重要方面在于，在低頻時(shí)分辨聲速的能力直接與該陣列的孔徑有關(guān)。因此，將更長(zhǎng)的陣列用于分辨在更低頻率的聲速。如圖6所示，將與確定空氣中的聲速有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示為具有不同孔徑、即15.ft、3ft和10ft的三個(gè)陣列的頻率的函數(shù)。
指定在超低頻率時(shí)精確地測(cè)量聲速的實(shí)際限制，該數(shù)據(jù)提出，利用準(zhǔn)穩(wěn)定模型解釋在高于可應(yīng)用準(zhǔn)穩(wěn)定模型的那些頻率的頻率上所測(cè)量的聲速和空氣/燃料比之間的關(guān)系可能是有問(wèn)題的，并且實(shí)際上可能是不切實(shí)際的。這樣，通過(guò)聲速測(cè)量理解并解釋煤/空氣混合物的成分的關(guān)鍵在于該煤/空氣混合物的分散特性。
根據(jù)本發(fā)明，該系統(tǒng)的分散特性利用空氣和微粒之間的相互作用的第一原理模型。這種模型被視為尋求說(shuō)明分散效應(yīng)的一類模型的代表。在不改變本公開(kāi)內(nèi)容的目的的情況下，也可以將其它模型用于說(shuō)明分散效應(yīng)(例如，參見(jiàn)由R.L.Gibson，Jr.和M.N.Toksz所著的標(biāo)題為“Viscous Attenuation of AcousticWaves in Suspensions”的文章)，將其合并在此作為參考。該模型允許持續(xù)流體相位的局部速度和微粒的局部速度之間的滑動(dòng)。通過(guò)與局部流體速度和流體微粒速度之差成比例的力對(duì)由持續(xù)流體施加在微粒上的拉力進(jìn)行建模，所述拉力由慣性力平衡Fdrag=K(Uf-Up)=ρpvp∂Up∂t]]>其中，K＝比例常數(shù)，Uf＝流體速度，Up＝微粒速度，ρp＝微粒密度，以及vp＝微粒體積。
將流體微粒在持續(xù)流體相位上的作用力的效應(yīng)建模為軸向動(dòng)量方程的力項(xiàng)。區(qū)域A的控制體積和長(zhǎng)度Δx的軸向動(dòng)量方程由下式給出px-Px+Δx-K(Uf-Up){φpΔxvp}=∂∂t(ρfUfΔx)]]>其中，P＝在位置x和Δx處的壓力，φp＝微粒的體積分?jǐn)?shù)，ρf＝流體密度。
該微粒拉力由下式給出Fdrag=K(Uf-Up)=CdAp12ρf(Uf-Up)2]]>其中，Cd＝拉力系數(shù)，Ap＝微粒的正面面積，以及ρf＝流體密度。
針對(duì)在低雷諾(Reynold)數(shù)時(shí)球面上拉力使用斯托克(Stokes)定律，產(chǎn)生如下的拉力系數(shù)Cd=24Re=24μρf(Uf-Up)Dp]]>其中，Dp＝微粒直徑，以及μ＝流體粘度。
在這種模型中求解K，產(chǎn)生K＝3πμDp使用上面的關(guān)系以及1維聲學(xué)建模技術(shù)，可以導(dǎo)出理想流體微粒混合物的分散特性的下面的關(guān)系。
在上面的關(guān)系中，流體SOS、密度(ρ)以及粘度(φ)都是純相位流體的，vp是單個(gè)微粒的體積，以及φp是混合物中微粒的體積相位分?jǐn)?shù)。
在粉煤測(cè)量中首要感興趣的兩個(gè)參數(shù)是微粒尺寸和空氣/燃料質(zhì)量比。為此，感興趣的是檢驗(yàn)作為這兩個(gè)變量的函數(shù)的混合物的分散特性。附圖7和8表示煤/空氣混合物的分散特性，其參數(shù)是那些在粉煤傳送系統(tǒng)中經(jīng)常使用的參數(shù)。
特別地，附圖7表示對(duì)于一定范圍的空氣/燃料比率來(lái)說(shuō)空氣中具有50微米標(biāo)稱尺寸的煤的預(yù)測(cè)特性。如圖所示，空氣/燃料比的影響在低頻率界限內(nèi)被充分地限定。然而，在更高的頻率，空氣/燃料比的影響變得難以分辨，并且在高頻(高于～100Hz)時(shí)接近純空氣中的聲速。
相似地，附圖8表示具有1.8的空氣/燃料比和不同微粒尺寸的煤/空氣混合物的預(yù)測(cè)特性。該附圖表示，微粒尺寸對(duì)聲速的低頻界限(準(zhǔn)穩(wěn)定)或聲速的高頻界限都沒(méi)有影響。然而，微粒尺寸在過(guò)渡區(qū)具有顯著的影響。
附圖7和8表示本發(fā)明的重要方面。換句話說(shuō)，可將持續(xù)流體中懸浮的微粒的稀釋混合物的分散屬性粗略地分成三個(gè)頻率范圍低頻范圍，高頻范圍，以及過(guò)渡頻率范圍。最好如附圖8所示，在低頻范圍內(nèi)，通過(guò)混合物傳播的聲速基本上是相同的，而與微粒尺寸無(wú)關(guān)。在低頻范圍內(nèi)，該混合物表現(xiàn)出準(zhǔn)穩(wěn)定模型，或無(wú)滑動(dòng)(非分散)特性。如在中頻范圍內(nèi)所示，通過(guò)混合物傳播的聲速取決于微粒的尺寸，并因此表現(xiàn)出分散特性。對(duì)高頻范圍來(lái)說(shuō)，通過(guò)混合物傳播的聲速不受微粒的影響。換句話說(shuō)，通過(guò)混合物在較高頻范圍內(nèi)傳播的聲速基本上等于通過(guò)流體傳播的聲速，其中微粒不會(huì)產(chǎn)生影響，這將在下文中更詳細(xì)地描述。
知道了如上所述的通過(guò)混合物的聲速的分散效應(yīng)，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，最好如附圖7所示，為了確定混合物的濃度(例如，空氣/燃料比)，被測(cè)聲波的頻率應(yīng)當(dāng)在低頻范圍內(nèi)，該低頻范圍表現(xiàn)出微小的滑動(dòng)或無(wú)滑動(dòng)(非分散/準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài))。此外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，如圖8所示，為了確定混合物12內(nèi)的微粒尺寸，被測(cè)聲波的頻率應(yīng)位于中頻范圍內(nèi)，該中頻范圍表現(xiàn)出分散特性。
雖然微粒尺寸的影響與空氣/燃料比的影響相互關(guān)聯(lián)，但是，空氣燃料比的主要影響是確定待測(cè)聲速的低頻界限，而微粒尺寸的主要影響是確定過(guò)渡區(qū)的頻率范圍。隨著微粒尺寸增大，出現(xiàn)分散屬性的頻率降低。對(duì)典型的粉煤應(yīng)用來(lái)說(shuō)，該過(guò)渡區(qū)在相當(dāng)?shù)偷念l率處開(kāi)始，對(duì)于尺寸為50微米的微粒來(lái)說(shuō)為～2Hz。
在低頻范圍內(nèi)，該微粒相對(duì)于流體表現(xiàn)出微不足道的滑動(dòng)。無(wú)滑動(dòng)、準(zhǔn)穩(wěn)定近似有效的頻率范圍是多個(gè)參數(shù)的函數(shù)，該參數(shù)包括微粒尺寸，持續(xù)相位粘性，微粒形狀，以及微粒密度。
由上面關(guān)系的低頻界限給出該準(zhǔn)穩(wěn)定(無(wú)滑動(dòng)條件)的聲速，其中，AFR是空氣/燃料比 應(yīng)當(dāng)注意到，微粒尺寸不影響聲速的低頻界限。參照附圖9，針對(duì)一定范圍的空氣/煤質(zhì)量比，利用本發(fā)明的實(shí)施方式測(cè)量聲速，該實(shí)施方式具有間隔為20.5英寸、平均20-40Hz的8個(gè)傳感器。同時(shí)表示出使用準(zhǔn)穩(wěn)定模型預(yù)測(cè)的煤/空氣混合物的聲速。如圖所示，雖然捕獲了大體的趨勢(shì)，即聲速隨煤裝載量的增長(zhǎng)而降低，但是誤差也是非常顯著的，使得基于準(zhǔn)穩(wěn)定模型的第一原理解釋不夠充分。
在高頻界限內(nèi)，分散關(guān)系預(yù)測(cè)了朝著純流體聲速漸近的聲速。
amix(ω∞)＝afluid有趣地，該高頻界限獨(dú)立于微粒尺寸和空氣燃料比。
已知測(cè)量充分低的頻率以應(yīng)用準(zhǔn)穩(wěn)定模型以及認(rèn)識(shí)到高頻聲速不包含關(guān)于微粒尺寸或空氣/燃料比的直接信息的困難，顯然，應(yīng)當(dāng)利用煤/空氣混合物的分散特性來(lái)確定基于聲速測(cè)量的微粒尺寸以及空氣/燃料比。
如上所述，本發(fā)明的流量計(jì)10包括精確地確定管道14內(nèi)PF/空氣混合物中的煤的平均微粒尺寸和空氣/燃料比的能力。倘若在空氣和固態(tài)煤微粒之間沒(méi)有明顯的滑動(dòng)，則通過(guò)多相混合物的一維聲波的傳播將受到混合物的有效質(zhì)量和有效壓縮率的影響。對(duì)空氣傳送系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，無(wú)滑動(dòng)假設(shè)應(yīng)用的程度是微粒尺寸和頻率的強(qiáng)函數(shù)。在小微粒和低頻率的界限內(nèi)，該無(wú)滑動(dòng)假設(shè)是有效的。隨著微粒的尺寸增大，以及聲波的頻率變高，該無(wú)滑動(dòng)假設(shè)逐漸地變得無(wú)效。對(duì)給定的平均煤微粒尺寸來(lái)說(shuō)，隨頻率變高而增大的滑動(dòng)造成分散，或者換句話說(shuō)，混合物的聲速隨頻率變化而變化。通過(guò)適當(dāng)?shù)匦?zhǔn)，混合物的分散特性將提供平均微粒尺寸的測(cè)量，以及混合物的空氣/燃料比(微粒/流體比)的測(cè)量。
利用產(chǎn)生下面所示的方程式的上述模型，以及用實(shí)驗(yàn)方法確定的作為頻率的函數(shù)的聲速，本發(fā)明包括同時(shí)確定煤/空氣混合物中的微粒尺寸和AFR的優(yōu)化過(guò)程 參照附圖10，表示了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)化過(guò)程，其中，優(yōu)化分析模型的自由參數(shù)以使誤差函數(shù)最小化。為了說(shuō)明的目的，所利用的誤差函數(shù)是分析模型和用實(shí)驗(yàn)方法確定的作為頻率的函數(shù)的聲速之間的聲速差異的和err=Σf=flowf=fhigh(a(f)model-a(f)measured)2]]>附圖11表示將優(yōu)化過(guò)程應(yīng)用于傳感器陣列記錄的數(shù)據(jù)后的結(jié)果，該傳感器監(jiān)聽(tīng)6英寸環(huán)形管內(nèi)微粒尺寸為50微米、氣流速率為100ft/sec、空氣/燃料比為1.8的流。示出了所測(cè)量的和用優(yōu)化模型預(yù)測(cè)的聲速。如圖所示，該模型較好地捕獲了過(guò)渡頻率范圍，并且提供了空氣/燃料比的好的評(píng)估。
附圖12表示將優(yōu)化過(guò)程應(yīng)用于一系列具有變化的空氣/燃料比的數(shù)據(jù)組的結(jié)果。對(duì)于該優(yōu)化來(lái)說(shuō)應(yīng)當(dāng)注意，微粒尺寸在該數(shù)據(jù)組的范圍內(nèi)被保持為常數(shù)。
如上所述，該壓力傳感器陣列的長(zhǎng)度至少應(yīng)當(dāng)是感興趣的聲速的波長(zhǎng)的有效部分。該波長(zhǎng)的有效部分可以是該波長(zhǎng)的至少30％，然而，該部分也可以小于30％，這取決于所需的測(cè)量精度、所測(cè)量的波長(zhǎng)，和/或聲波的強(qiáng)度(例如，低信噪比)。因此，該陣列的長(zhǎng)度取決于感興趣的聲速的頻率(頻率與波長(zhǎng)成反比)，其中，感興趣的聲速的頻率取決于待定的測(cè)量(例如，空氣/微粒比和微粒尺寸)以及混合物的分散特性。例如，如圖7所示，由于混合物分散的增長(zhǎng)，測(cè)量混合物濃度(如空氣/微粒比)的聲速(準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài))曲線的低頻范圍較低。如前所述，該混合物的分散特性取決于許多因素，其中之一為微粒尺寸。當(dāng)微粒尺寸變大，該分散變大，而當(dāng)微粒尺寸減小，該分散變低。因此，陣列的長(zhǎng)度是混合物內(nèi)微粒尺寸的函數(shù)，并且因此，最好如圖8所示，隨著微粒尺寸增長(zhǎng)，低頻范圍和中頻之間的過(guò)渡點(diǎn)(低頻截止)頻率降低。
例如，當(dāng)測(cè)量混合物的濃度時(shí)，隨著微粒的尺寸增長(zhǎng)，低頻截止降低，并且感興趣的聲波波長(zhǎng)因此增長(zhǎng)，從而需要該陣列的長(zhǎng)度變得更長(zhǎng)。相反地，隨著微粒的尺寸減小，低頻截止增長(zhǎng)，因此感興趣的聲波的波長(zhǎng)降低，從而需要該陣列的長(zhǎng)度變得更短。簡(jiǎn)單地說(shuō)，微粒越大，陣列越長(zhǎng)，反之亦然。當(dāng)確定混合物內(nèi)微粒的尺寸時(shí)，相同的比較也是正確的。然而，對(duì)流量計(jì)的最佳性能來(lái)說(shuō)，由于濃度的測(cè)量位于比微粒尺寸的中頻(較短的波長(zhǎng))更低的頻率(較長(zhǎng)的波長(zhǎng))處，因而混合物濃度的測(cè)量與微粒尺寸的測(cè)量相比可能需要更長(zhǎng)的陣列。
實(shí)際可測(cè)的最低頻率范圍大約為10-25Hz，因而大微粒的測(cè)量也許不能測(cè)量準(zhǔn)穩(wěn)定模型，所述準(zhǔn)穩(wěn)定模型在某些情況下可小于10Hz(即，截止頻率小于10Hz)。在這些情況下，感興趣的聲速頻率位于該截止頻率之上。然而，如圖10所示，通過(guò)改變微粒的尺寸和混合物的成分，使所測(cè)量的聲速與混合物的分散模型曲線擬合，從而確定微粒尺寸和/或混合物的濃度，這將在下文中更詳細(xì)地描述。
當(dāng)陣列的長(zhǎng)度取決于微粒尺寸時(shí)，該長(zhǎng)度也可以取決于限定分散量的其它參數(shù)，例如微粒的質(zhì)量，以及混合物內(nèi)流體的粘性。
另一個(gè)限定(或影響)壓力傳感器15-18陣列的長(zhǎng)度的因素包括由處理器接收的聲波的信號(hào)強(qiáng)度。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度提高或更大時(shí)，該陣列的長(zhǎng)度必定更短。該信號(hào)強(qiáng)度取決于多個(gè)因素，如聲波本身的強(qiáng)度，傳感器的信噪比，傳感器的匹配等等。
如圖1所示，該間距可以是等間距的，然而本發(fā)明的流量計(jì)10考慮到該傳感器可以具有不等或不均勻的間距。倘若傳感器的位置或方位已知，則該傳感器可以以任何所需的距離間隔。對(duì)于相通的壓力傳感器來(lái)說(shuō)，最小間距由傳感器的機(jī)械限制限定。對(duì)基于應(yīng)變的傳感器、例如在下文中描述的PVDF帶來(lái)說(shuō)，管道的柔度限制了該間隔的密集度。例如，管道越硬，傳感器的間距必須越大，相反地，管道柔度越大，傳感器必須間隔越近。
該壓力傳感器的間距也可以由布置在給定長(zhǎng)度的陣列內(nèi)的傳感器的數(shù)量限定。在給定長(zhǎng)度的陣列內(nèi)布置的傳感器越多，則該間距越近。布置在陣列內(nèi)的傳感器的數(shù)量取決于所需的或想要得到的流量計(jì)10的精確度。陣列內(nèi)傳感器的數(shù)量越多，則可以得到聲壓場(chǎng)的越精確的測(cè)量。換句話說(shuō)，在給定的陣列長(zhǎng)度(或波長(zhǎng))上，提供的聲壓波的取樣或測(cè)量的數(shù)量越多，傳感器在待測(cè)或特征化的聲波的測(cè)量中能夠?qū)崿F(xiàn)的分辨率就越大。
除了使用測(cè)得的聲速來(lái)測(cè)量管道14內(nèi)的混合物12的流體/微粒比和微粒尺寸之外，流量計(jì)10進(jìn)一步包括通過(guò)比較一維聲波隨著平均流傳播以及一維聲波逆著平均流傳播的速度差異來(lái)測(cè)量混合物體積流率的能力。
該確定管道14內(nèi)微粒/流體混合物12的體積流率的方法依賴于該平均流與聲壓場(chǎng)的相互作用。該相互作用導(dǎo)致隨著平均流傳播的聲波以聲速(假設(shè)該微粒/流體混合物不流動(dòng))加對(duì)流速度行進(jìn)，而相反地，逆著平均流行進(jìn)的聲波以聲速減對(duì)流速度傳播。也就是說(shuō)，aR＝amix+uaL＝amix-u其中，aR＝相對(duì)于固定的觀察者(即管道14)向右行進(jìn)的聲波的速度，aL＝相對(duì)于固定的觀察者向左行進(jìn)的聲波的速度，amix＝流體聲速(如果流體不流動(dòng))，以及u＝平均流速(在這種情況下，假設(shè)是從左往右流動(dòng)的)。將這兩個(gè)方程式結(jié)合產(chǎn)生平均速度的方程式，u=aR-aL2]]>
因此，如前所述，通過(guò)在相對(duì)于固定管道的兩個(gè)方向上測(cè)量聲波的傳播速度，可以通過(guò)將平均流速與管道14的截面面積相乘來(lái)計(jì)算該平均流速。
利用本方法確定該平均流的實(shí)用性基于在兩個(gè)方向上充分精確地分辨聲速以確定體積流的能力。對(duì)典型的流體測(cè)量來(lái)說(shuō)，流速典型地為～10ff/sec，而聲速為～4000ft/sec。這樣，軸向馬赫數(shù)大約為0.0025的10/4000。對(duì)流速(+/-1ft/sec)的+/-10％的精確性來(lái)說(shuō)，逆游和順游傳播的波的聲速的分辨率需要為+/-0.5/4000或8000分之一。
然而，對(duì)于PF/空氣混合物流來(lái)說(shuō)，軸向流速標(biāo)稱為70ft/sec左右，并且不具有～700ft/sec的流聲速。這導(dǎo)致了～0.1的馬赫數(shù)，該馬赫數(shù)近似地比典型的流體流動(dòng)大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)粉狀燃料流來(lái)說(shuō)，為了將流速分辨到10％的精確度(或+/-7ft/sec)，不得不將聲速分辨到+/-3.5ft/sec，或3.5/700，或200分之一。
對(duì)聲速測(cè)量來(lái)說(shuō)，流量計(jì)10利用與上文所使用的那些算法相似的處理算法。在處理管道14內(nèi)傳播的聲音的時(shí)間和空間頻率內(nèi)容與分散關(guān)系有關(guān)。
ω＝kamix波數(shù)是k，該波數(shù)被定義為k＝2π/λ，ω是時(shí)間頻率，單位為弧度/秒(rad/sec)，以及amix為聲音在處理管道內(nèi)傳播的速度。對(duì)于聲音在兩個(gè)方向上傳播的這種情況來(lái)說(shuō)，聲功率沿兩個(gè)聲隆起(ridges)定位，所述聲隆起中的一個(gè)是以amix+Vmix的速度和流一起行進(jìn)的聲音的，而另一個(gè)是以amix-Vmix的速度逆著流行進(jìn)的聲音的。
附圖13所示的k-w曲線表示支持基于聲納的流測(cè)量的基本原理，也就是，可以結(jié)合使用軸向壓力傳感器陣列與聲納處理技術(shù)來(lái)確定速度，管道內(nèi)自然地以該速度發(fā)生湍流渦旋對(duì)流。附圖13表示流經(jīng)管道的煤/空氣混合物的聲場(chǎng)產(chǎn)生的k-w曲線。兩個(gè)聲隆起非常明顯。所示的兩個(gè)聲隆起的每個(gè)斜度分別限定相應(yīng)的隨著平均流行進(jìn)以及逆著平均流進(jìn)行的聲速。使用了參數(shù)優(yōu)化方法來(lái)確定表示該聲隆起斜度的“最好的”線。
此外，附圖13表示本發(fā)明確定在管道中移動(dòng)的流體速度的能力。附圖14表示不穩(wěn)定壓力的波數(shù)—頻率曲線(k-w曲線)。該輪廓表示在頻率和波數(shù)的所有組合中的相對(duì)信號(hào)功率。最高的功率“隆起”用與傳播速度相等的隆起斜度表示聲波。虛線表示功率的最佳擬合的兩個(gè)變量的最大化，所述兩個(gè)變量為聲速和流速。右側(cè)隆起表示與總體流動(dòng)同向行進(jìn)的聲波，因而其斜度比左側(cè)隆起更陡峭，所述左側(cè)隆起表示與總體流動(dòng)反向進(jìn)行的聲波。這意味著，相對(duì)于位于管道上的固定傳感器，與總體流動(dòng)同向行進(jìn)的聲波比與總體流動(dòng)反向行進(jìn)的聲波行進(jìn)地更快。
在此描述的壓力傳感器15-18可以是任何類型的壓力傳感器，例如壓電壓力傳感器，光學(xué)壓力傳感器，電容式壓力傳感器，電阻式壓力傳感器(例如惠斯登電橋)，加速度計(jì)(或地震檢波器)，速度測(cè)量裝置，位移測(cè)量裝置等，所述壓力傳感器能夠測(cè)量管道14內(nèi)的不穩(wěn)定(或交流或動(dòng)態(tài))壓力。如果使用光學(xué)壓力傳感器，則傳感器15-18可以是基于布拉格(Brgg)光柵的壓力傳感器，例如在1997年9月8日提交的標(biāo)題為“High Sensitivity Fiber OpticPressure Sensor For Use In Harsh Environments”的美國(guó)專利申請(qǐng)No.08/925598、也就是現(xiàn)在的美國(guó)專利6016702中所描述的壓力傳感器?？蛇x擇地，傳感器14可以是電的或光學(xué)的應(yīng)變計(jì)，所述應(yīng)變計(jì)附著于或嵌入管道的外壁或內(nèi)壁，并且測(cè)量管壁的應(yīng)變，所述傳感器包括麥克風(fēng)，水聽(tīng)器，或者其它任何能夠測(cè)量管道14內(nèi)的不穩(wěn)定壓力的傳感器。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，使用光纖作為壓力傳感器14，所述光纖可以單獨(dú)地連接，或者可以使用波分多路復(fù)用(WDM)、時(shí)分多路復(fù)用(TDM)或者其它任何光學(xué)多路復(fù)用技術(shù)沿一個(gè)或多個(gè)光纖多路復(fù)用。
對(duì)在此描述的任何實(shí)施方式來(lái)說(shuō)，壓力傳感器可以通過(guò)粘合劑、膠水、環(huán)氧樹(shù)脂、膠帶或其它適當(dāng)?shù)墓潭üぞ吒街焦艿郎弦员ＷC傳感器和管道14之間適當(dāng)?shù)慕佑|，所述壓力傳感器包括在此描述的電應(yīng)變計(jì)、光纖和/或光柵?？蛇x擇地，該傳感器可以通過(guò)已知的機(jī)械技術(shù)、例如機(jī)械緊固件、加載彈簧、夾鉗、夾鉗殼體設(shè)備、皮帶材料或其它等效的技術(shù)可拆卸地或永久地附著。可選擇地，該應(yīng)變計(jì)可以嵌入在復(fù)合管中，所述應(yīng)變計(jì)包括光纖和/或光柵。如果需要，對(duì)某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，如果需要，該光柵可以與管道14分離(或應(yīng)變或聲隔離)。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，也可以使用其它任何的應(yīng)變感應(yīng)技術(shù)測(cè)量管道中應(yīng)變的變化，如高靈敏壓電的、電子的或電氣的應(yīng)變計(jì)，所述應(yīng)變計(jì)附著于或嵌入在管道14中。
在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，可以使用壓電電子壓力傳感器作為壓力傳感器15-18中的一個(gè)或多個(gè)，所述壓電電子壓力傳感器可以通過(guò)測(cè)量管道內(nèi)的壓力級(jí)來(lái)測(cè)量管道14內(nèi)的不穩(wěn)定(或動(dòng)態(tài)或交流)壓力變化。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，該傳感器14包括由PCB Piezotronics制造的壓力傳感器。在一個(gè)壓力傳感器中，具有集成電路壓電電壓模式類型的傳感器，該傳感器特征在于嵌入式微電子放大器，并且將高阻抗電荷轉(zhuǎn)變成低阻抗電壓輸出。特別地，使用由PCB Piezotronics制造Model 106B，該器件是高靈敏度的、加速度補(bǔ)償?shù)募呻娐穳弘娛毫鞲衅鳎m于在液壓系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)中測(cè)量低壓聲現(xiàn)象。在高度靜態(tài)條件下，其具有測(cè)量小于0.001psi的小壓力變化的獨(dú)特能力。106B具有300mV/psi的靈敏度，以及91dB(0.0001psi)的分辨率。
該壓力傳感器包括嵌入的MOSFET微電子放大器，從而將高阻抗電荷輸出轉(zhuǎn)變成低阻抗電壓信號(hào)。該傳感器從恒流源得到功率，并且可以在長(zhǎng)同軸或帶狀電纜上操作，而沒(méi)有信號(hào)衰減。低阻抗電壓信號(hào)不受摩擦電的電纜噪聲或絕緣電阻降解污染物的影響。操作集成電路壓電傳感器的電源通常采取低成本的、24到27VDC、2到20毫安的恒流源形式。本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以并入恒流源，以便直接給集成電路壓電傳感器提供電源。
大多數(shù)的壓電壓力傳感器由在剛性殼體中預(yù)載入的壓縮模式石英晶體或無(wú)約束的電氣石晶體構(gòu)成。這些設(shè)計(jì)為傳感器提供微秒響應(yīng)時(shí)間和數(shù)百KHz的共振頻率，并且具有最小的過(guò)沖或振鈴。小振動(dòng)膜直徑保證了窄沖擊波的空間分辨率。
壓電壓力傳感器系統(tǒng)的輸出特性也就是交流耦合系統(tǒng)的輸出特性，其中，重復(fù)的信號(hào)衰減，直到在原始基線的上面和下面具有相等的區(qū)域。由于被監(jiān)視的事件的數(shù)量級(jí)會(huì)波動(dòng)，所以輸出信號(hào)在基線周圍保持穩(wěn)定，并且曲線的正負(fù)區(qū)域保持相等。
而且，如圖20所示，本發(fā)明設(shè)想，流量計(jì)10，70的壓力傳感器15-18中的每一個(gè)都包括壓電傳感器104-107，所述壓電傳感器提供壓電材料110以測(cè)量流體/微?；旌衔?2的不穩(wěn)定壓力。該壓電材料、例如聚合物、極化的含氟聚合物、聚偏二氟乙烯(PVDF)等測(cè)量在處理管道14內(nèi)感生的應(yīng)變，所述應(yīng)變歸因于處理混合物12內(nèi)不穩(wěn)定壓力的變化。管道內(nèi)的應(yīng)變通過(guò)附著的壓電傳感器104-107轉(zhuǎn)變成輸出電壓或電流。
最好如圖21所示，PVDF材料110附著于鋼帶112的外表面，所述鋼帶繞管道14的外表面延伸，并且?jiàn)A到所述外表面上。該壓電感應(yīng)元件典型地是保角的，從而允許感生的應(yīng)變的完全的或接近完全的圓周測(cè)量。該傳感器可以由PVDF薄膜、共聚體薄膜或撓性PZT傳感器構(gòu)成，并且類似于在由Measurement Specialties，Inc.提供“Piezo Film Sensors technical Manual”中描述的傳感器，該傳感器在此合并作為參考。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下1.非侵入式流速測(cè)量2.低成本3.測(cè)量技術(shù)不需要激勵(lì)源。將環(huán)境流動(dòng)噪聲用作源。
4.可以以多種配置方式安裝撓性壓電傳感器，從而增強(qiáng)信號(hào)檢測(cè)方案。這些配置方式包括a)協(xié)同定位的傳感器，b)具有相反極性配置的分段傳感器，c)寬的傳感器，從而增強(qiáng)聲信號(hào)的檢測(cè)，以及最小化旋渦噪聲的檢測(cè)，d)定制的傳感器幾何形狀，從而最小化對(duì)管道模型的靈敏度，e)傳感器的差分，從而從旋渦信號(hào)中消除噪聲。
5.較高的溫度(140C)(共聚體)雖然本發(fā)明舉例說(shuō)明了壓力傳感器陣列包括多個(gè)相似的傳感器，但是本發(fā)明設(shè)想，也可以在陣列內(nèi)使用不同或相似的壓力傳感器的任何組合。
雖然本發(fā)明能夠測(cè)量在流體中懸浮的固體微粒，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，也可以使用傳感器陣列測(cè)量其它多相位混合物或流，如汽流。應(yīng)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，對(duì)流體中大固體微粒的分散的影響類似于氣體或空氣中分散的液體的大液滴，因此當(dāng)測(cè)量蒸汽質(zhì)量和液滴尺寸時(shí)，應(yīng)當(dāng)解決相似的考慮。
應(yīng)當(dāng)理解，也可以應(yīng)用，使用關(guān)于特定實(shí)施方式所描述的任何特征、特性、備選方案或修改，或?qū)⑵浜喜⒌皆诖嗣枋龅娜魏纹渌鼘?shí)施方式中。
雖然已根據(jù)示范性的實(shí)施方式描述并舉例說(shuō)明了本發(fā)明，但是在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，也可以構(gòu)成前述的以及多種其它的添加和省略。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量管道中微粒/流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)的裝置，包括至少兩個(gè)壓力傳感器的空間陣列，所述傳感器布置在沿管道的不同軸向位置上，并且每一個(gè)所述傳感器在相應(yīng)的軸向位置上測(cè)量管道內(nèi)的不穩(wěn)定壓力，每一個(gè)所述傳感器在所述傳感器中相應(yīng)的一個(gè)傳感器的所述軸向位置上提供指示管道內(nèi)的不穩(wěn)定壓力的壓力信號(hào)；以及信號(hào)處理器，所述信號(hào)處理器響應(yīng)于所述壓力信號(hào)，并且提供指示管道內(nèi)混合物的至少一個(gè)參數(shù)的信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，每一個(gè)傳感器測(cè)量聲壓，并且提供一個(gè)指示管道內(nèi)噪聲的信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，信號(hào)處理器響應(yīng)所述壓力信號(hào)，并且提供一個(gè)指示通過(guò)管道內(nèi)混合物傳播的聲速的信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述信號(hào)處理器包括邏輯電路，所述邏輯電路計(jì)算聲音沿所述空間陣列傳播的速度。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述信號(hào)處理器包括邏輯電路，所述邏輯電路為每一個(gè)所述聲壓信號(hào)計(jì)算基于頻率的信號(hào)。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，每一個(gè)所述聲壓信號(hào)都包括基于頻率的信號(hào)，以及其中，所述信號(hào)處理器包括邏輯電路，所述邏輯電路計(jì)算兩個(gè)所述基于頻率的信號(hào)的比率。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，包括至少三個(gè)所述傳感器。
8.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，信號(hào)處理器包括邏輯電路，所述邏輯電路計(jì)算管道中混合物的流體成分。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，至少一個(gè)所述壓力傳感器在所述傳感器的所述軸向位置上測(cè)量圓周平均壓力。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，至少一個(gè)所述壓力傳感器包括壓電板材。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，壓電板材是極化的含氟聚合物、聚偏二氟乙烯(PVDF)。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，至少一個(gè)所述壓力傳感器測(cè)量管道上的應(yīng)變。
13.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，利用分散模型確定基于頻率的聲速，從而確定混合物的至少一個(gè)參數(shù)。
14.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，聲傳感器陣列被充分地間隔開(kāi)，以使該陣列的整個(gè)長(zhǎng)度至少是正被測(cè)量的聲波的被測(cè)波長(zhǎng)的有效部分。
15.一種測(cè)量管道中微粒/流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)的方法，所述方法包括在沿管道的至少兩個(gè)預(yù)定的軸向測(cè)量位置上測(cè)量管道內(nèi)不穩(wěn)定壓力，從而在至少兩個(gè)預(yù)定的軸向測(cè)量位置中的每一個(gè)位置上提供指示管道內(nèi)的不穩(wěn)定壓力的壓力信號(hào)；以及使用在軸向測(cè)量位置上測(cè)量的不穩(wěn)定壓力來(lái)計(jì)算管道中微粒/流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，所測(cè)量的不穩(wěn)定壓力是聲壓，從而提供一個(gè)指示管道內(nèi)噪聲的信號(hào)。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述計(jì)算至少一個(gè)參數(shù)使用聲壓來(lái)計(jì)算聲音在管道中傳播的速度。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述計(jì)算至少一個(gè)參數(shù)使用聲壓來(lái)計(jì)算聲音沿所述空間陣列傳播的速度。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述計(jì)算至少一個(gè)參數(shù)使用聲壓來(lái)為每個(gè)所述聲壓信號(hào)計(jì)算基于頻率的信號(hào)。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，每個(gè)所述聲壓信號(hào)包括基于頻率的信號(hào)，并且其中，所述信號(hào)處理器包括邏輯電路，所述邏輯電路計(jì)算兩個(gè)所述基于頻率的信號(hào)的比率。
30.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，在至少三個(gè)所述傳感器處測(cè)量不穩(wěn)定壓力。
31.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述計(jì)算至少一個(gè)參數(shù)使用聲壓來(lái)計(jì)算管道中混合物的流體成分。
32.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，測(cè)量不穩(wěn)定壓力包括在傳感器的至少一個(gè)軸向位置上測(cè)量圓周平均壓力。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其中，測(cè)量不穩(wěn)定壓力使用包括壓電板材的至少一個(gè)所述壓力傳感器。
34.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，該壓電板材是極化的含氟聚合物、聚偏二氟乙烯(PVDF)。
34.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，至少一個(gè)所述壓力傳感器測(cè)量管道上的應(yīng)變。
35.如權(quán)利要求26所述的方法，利用分散模型確定基于頻率的聲速，從而確定混合物的至少一個(gè)參數(shù)。
36.如權(quán)利要求26所述方法，聲傳感器陣列被充分地間隔開(kāi)，以使該陣列的整個(gè)長(zhǎng)度至少是正被測(cè)量的聲波的被測(cè)波長(zhǎng)的有效部分。
全文摘要
提供一種裝置10和方法，所述裝置和方法包括被置于沿管道14的軸向布置的預(yù)定軸向位置x
文檔編號(hào)G01F1/74GK1708674SQ03814770
公開(kāi)日2005年12月14日 申請(qǐng)日期2003年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月24日
發(fā)明者D·L·吉斯林, D·H·羅斯 申請(qǐng)人:塞德拉公司