專利名稱:原位粒徑測量儀的制作方法
本發(fā)明涉及幾種測量儀表，尤其是關于特別適用于同時地有效測量存在于某種流質內的原位粒徑分布和粒子的容積密度的測量儀表。
許多生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)之一是粒徑。因此，提供能用于有效測量粒子的儀器是先有技術方面早已為人們所共知的技術。也就是說，先有技術已具有用于實現(xiàn)粒子測量的各種類型的儀表實例。關于這一點，在許多情況下在用來完成對粒子的測量的技術方面存在明顯的差別。這種差別的存在多半又歸因于種種功能性要求-這些功能要求是與打算將這類裝置用于某特定的用途相聯(lián)系的。例如，就用于特殊用途的特定裝置的選擇來說，必須考慮的基本因素之一是構成待測粒子的物質的性質。另一個必須要考慮的因素是在對被測粒子進行測量的時刻，被測粒子存在于其中的那種物質的性質。還有一個必須考慮的因素是被測粒子的相對粒徑。
本申請前后參照以下兩個與本申請共同提交并一起轉讓的專利申請一是以George F.Shulof和Michael J.Dimonte的名義于1986年2月12日遞交的名稱為“固體粉粒控制系統(tǒng)”的美國專利申請(序號為C850920);另一是以Mark P.Eramo和John M.Holmes為名的于( )遞交的名稱為“用于原位粒徑測量儀的固定和往返運動組件”的美國專利申請(序號C860010)。
迄今為止，作為實現(xiàn)粒子測量的、已為人們所采用的某些先有技術包括聲學技術、光學計數(shù)技術、電學計數(shù)技術、淀積技術、分離技術和表面測量技術。而且，人們現(xiàn)已設法應用這類技術來進行粒子測量的粒子種類包括諸如血液質點(blood particles)，食物顆粒、化學微粒(chemical particles)、礦物顆粒以及其它粒子。此外，現(xiàn)已設法將以上已提到的種種技術用于實現(xiàn)對存在于各種不同類型的流體物質中的粒子(例如形形式式的氣體和液體中的粒子)進行測量。
然而遺憾的是，人們發(fā)現(xiàn)迄今為止能實現(xiàn)上面提到目的的先有技術中可用的裝置總會在某一方面或幾方面顯現(xiàn)其缺陷。因此，當人們設法將這類儀表應用于涉及生產(chǎn)過程、為產(chǎn)生與粒子尺寸相關的信息，以便能按要求完成生產(chǎn)過程的調節(jié)時，已不可能通過使用現(xiàn)有設備的結構去產(chǎn)生滿足適時要求和/或理想精度要求的信息。也就是說，現(xiàn)已證明就利用其為達及時調整生產(chǎn)過程的目的而論，由于這類設備需化費的時間過長和/或要求投入過多力量而使其不能產(chǎn)生任何有關所需粒徑信息的有效的數(shù)值。這主要是基于這樣一個事實迄今可用于實現(xiàn)粒徑測量的現(xiàn)有儀器是不可能作出就地測量的。因此，為利用迄今已有的現(xiàn)成設備，往往需要從存在要求測量的粒子的介質中收集樣品，需要將此樣品傳送到這種用來實現(xiàn)粒徑測量的儀器上，需利用該儀器去實施該粒徑的測量過程，然后最終根據(jù)粒徑測量的結果去完成生產(chǎn)過程所必需作出的一切調節(jié)，以便確保(從中獲取待測粒子的)生產(chǎn)過程成功進行時，粒子所必須具有的實際尺寸。
人們已知，煤粉的燃燒就是為成功地操縱該過程而將粉粒大小作為重要考慮依據(jù)的一種形式的生產(chǎn)過程，(這僅是舉例而并不限于此)。關于煤粉的燃燒，人們早已知道利用煤粉作為燃料的任何蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的一個基本組成部分是為使煤適用于這種用途而將煤置于其內粉碎的裝置。盡管用于此目的已知裝置有各種類型但尤其為人們所常用的一種用于粉碎煤塊的設備是工業(yè)界通稱為球磨機的機器。球磨機主要是因為煤的粉碎即研磨是在其內一個構形有點類似球形的研磨表面上進行而獲此名。對于球磨機的先有形式的圖示說明，可參閱美國專利3，465，971，該專利于1969年9月9日授予J.F.Dalenberg等人并轉讓給本發(fā)明的同一受讓人。該專利包含了對球磨機的結構性能和操作方式兩方面的教導，這種球磨機適用于對燃煤蒸汽發(fā)生器所用的煤進行粉碎。
煤粉的有效燃燒，特別當涉及將煤粉用作一個蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中的燃料時，要求煤的粒徑保持為一種特定的粒徑分布。一般，對中等活性煤來說，粒徑分布為70%的粒子通過200號篩，1%通不過50號篩。對于一個典型的500(MW)兆瓦燃煤蒸汽發(fā)電廠來說，根據(jù)某種經(jīng)濟估價，現(xiàn)已確定通過增加碳的轉換率(而碳的轉換率又是通過維持某種特定的粒徑分布可達到的)，在這樣規(guī)模的電廠的運行成本方面，按年度計算可能獲得幾十萬美元的節(jié)省額。顯然，就任何燃煤粉的具體的電廠而論，即使憑借著將煤粒大小維持接近于某個特定的粒徑分布，其實際將獲得的節(jié)省額也還要取決于下列許多因素，這些因素包括煤的反應動力學，即，怎樣使所用的特定煤的粒徑易于影響燃燒效率，以及為維持最佳的煤的粒徑分布，如何對球磨機進行良好控制和隔多長時間控制一次。無論如何，在每種情況下，維持煤粒的粒徑分布接近于最佳分布都會導致一定的燃料節(jié)省額。
對煤的粒徑分布進行較好的控制也會獲得其他好處。關于這一點，從蒸汽發(fā)生器內的結渣現(xiàn)象會由于對煤粒大小分布的良好控制而減少的事實中得到證實。此外，在某些情況下，可利用煤粒的粒徑分布對應該呈現(xiàn)的分布的偏差，作為一種技術維護和有助于查明與球磨機的操作有關問題的診斷，(被測煤粒的粉碎就是在該球磨機內完成的)。而且存在對球磨機的整個操作進行連續(xù)控制的可能性，這可利用所貯存的來自煤的粒徑測量的信息來實現(xiàn)。另一種可能性是利用由煤粒的粒徑分布測量特性所得到的信息，從而獲得給煤管內的燃-空比的指示，正如眾所周知的，來自球磨機的煤粉粒子被輸送到蒸汽發(fā)生器，煤粉粒子便在蒸汽發(fā)生器里進行燃燒。
因此，現(xiàn)已有證據(jù)表明就現(xiàn)有技術而言，需要一種新的、改進型的粒徑測量儀，借助這種新儀器所體現(xiàn)的操作方式，使快速地獲得精確的粒徑測量成為可能。也就是說，事實證明需要這樣一種新的改進型粒子分析器，它能使粒徑的在線測量得以實現(xiàn)，從而獲得由這種測量導致的即時方式下的信息，而這種信息可被用來對某種以粒徑作為其一個重要參數(shù)的生產(chǎn)過程進行有效地整體控制。即，人們要探尋一種新的改進型粒徑分析儀，-從而能用來進行現(xiàn)場粒徑分布的測量，以致當根據(jù)粒徑分布的測量值而被認為必需調節(jié)時，能對某種生產(chǎn)過程進行調節(jié)。此外，人們已經(jīng)探尋了這樣一種粒徑分析儀，該儀器的特點還在于在對粒徑分布進行測量的同時，還可能以此兼獲現(xiàn)場容積密度的測量結果。
因此，本發(fā)明的一個目的是打算提供一種新的改進了的測量儀，該儀器能有效地隨時獲得存在于某種流體物質中的粒徑的測量結果。
本發(fā)明的另一目的是提供一種新的改進了的粒徑測量儀，這種儀器使得通過使用它而迅速地獲得精確的粒徑測量結果成為可能。
本發(fā)明的又一目的是打算提供一種新的改進了的粒徑測量儀，這種儀器使得通過利用它而對存在于某種流動物質中的粒子大小進行現(xiàn)場測量成為可能。
本發(fā)明的又一目的是打算提供一種新的改進了的粒徑測量儀，這種儀器能對存在于某種流動物質中的粒子的就地粒徑分布進行測量。
本發(fā)明的又一目的是打標提供一種新的改進了的粒徑測量儀，這種儀器能實現(xiàn)存在于某種流動物質中的粒子的容積密度的就地測量，與此同時還能對存在于某種流體物質中的粒子的粒徑分布進行就地測量。
本發(fā)明的又一目的是打算提供一種新的改進了的粒徑測量儀，這種儀器使得利用其產(chǎn)生與粒徑大小有關的信息成為可能，這種信息是以足夠及時的方式產(chǎn)生，從而可根據(jù)這個取自粒徑測量結果的信息，進行整個生產(chǎn)過程的控制。
本發(fā)明的又一目的是打算提供一種新的改進了的粒徑測量儀，這種儀器的制造和操作方面比較簡單，另一方面安裝也比較便宜。
根據(jù)本發(fā)明，必須具有一個特別適用于對粒徑進行測量的測量儀。為此，該討論的測量儀能同時地對存在于流動物質中的粒子的粒徑分布和粒子容積密度進行測量。按討論中的粒徑測量儀的結構特點而言，基本上由兩大部分構成;即一個光源部分和一個探頭部分。該光源部分最好是一種氦氖激光器。光從該激光器通過一根光纜被傳輸?shù)教筋^，此后光從光纜輸出，并被空間濾光和平行校正。再使校正后的光傳送到第一組聚焦透鏡。該第一聚焦透鏡能使校正后的光穿過一取樣通道并聚焦到第二聚焦透鏡上，該第二聚焦透鏡設置在取樣通道的一個側面上，該側面與第一聚焦透鏡所在的通道側面相對。在穿過取樣通路的過程中，激光器的光，由于存在于取樣通路中的粒子而被散射。該散射光又由第二聚焦鏡會聚，并使其會聚到一個探測器上，從而使光的照度分布是由該探測器來收集的。從該探測器所接收到的光度分布能推斷出粒徑分布，進而利用一個特定的方程可算出容積密度。
現(xiàn)將附圖簡要說明如下圖1是根據(jù)本發(fā)明所構成的粒徑測量儀可采用的光源部分的一個實施例的側視圖;
圖1a是可用于按本發(fā)明構成的粒徑測量儀的光源部分另一實施例的簡略說明;
圖2是根據(jù)本發(fā)明構成的粒徑測量儀探頭部分的部分截面?zhèn)纫晥D;
圖3是沿圖2中3-3線所截取的根據(jù)本發(fā)明構成的粒徑測量儀的探頭部分的一個橫截面圖;
圖4是根據(jù)圖2所示本發(fā)明構成的粒徑測量儀大致沿其4-4線所截取的探頭部分的橫截面圖;
圖5是根據(jù)本發(fā)明構成的如圖2所示粒徑測量儀，沿其5-5線所截取的探頭部分的一個橫截面圖;和圖6是一個根據(jù)本發(fā)明構成的粒徑測量儀的探頭部分的橫截面圖，說明了存在于探頭部分的某些部件之間的相互關系。
現(xiàn)對本發(fā)明的一個最佳實施例說明如下參照附圖，更具體地說參照其中的圖1、1a和2，圖中描述了一個特別適用于對存在于流體物質中的粒徑分布和容積密度進行同時地和就地測量的測量儀。根據(jù)本發(fā)明的最佳實施方案，討論中的粒徑測量儀由兩個主要的部分組成;即，一個光源部分，該部分在圖1中用標號10標明，而另一個為探頭部分，在圖2中用標號12標明。
現(xiàn)首先來看根據(jù)本發(fā)明所構成的該粒徑測量儀的光源部分10的結構特征，為此，將詳細參照圖1。根據(jù)本發(fā)明的最佳實施方式，本發(fā)明的粒徑測量儀中的光源最好采用一個氦氖激光器，該激光器在圖1中用標號14作一般表示。不必多說，雖然在此后的對本發(fā)明的粒徑測量儀的說明中，將光源14描述為一種氣體激光器，但也可讓光源14取為半導體激光器形式，而并未脫離本發(fā)明的本質。也就是說，盡管已發(fā)現(xiàn)為了提供本發(fā)明的粒徑測量儀，使其具有由此開始描述的操作方式而要求采用的光源必需是激光器，但為達此目的所采用的激光器的具體形式仍可為氣體激光器光源或半導體激光器光源。因此，下面將參考附圖1a，以說明光源部分，在此用標號10′標明的光源部分包括一個半導體激光器，該激光器適用作根據(jù)本發(fā)明構成的粒經(jīng)測量儀中的光源14。
再參見附圖1，正如人們參照此圖而很易理解的是激光器14被設計成能整個地置于一個外殼內，在圖1中，外殼用標號16表示。更具體地說，按附圖中所示的外殼16包括一個底板18，一對端壁20，一個頂壁22和一對側壁24(在圖1中，只能看到一個側壁)。正如圖1所示，激光器14被設計成能安裝在外殼16內，以使激光器14支撐在圖1可見的支撐部件26上。支撐部件26通過任何適宜的傳統(tǒng)型夾具，例如螺紋夾具(圖中未示)被相配地夾持在底板18的內表面。為了將激光器14支撐在支撐部件26上，最好借助一個激光器夾具(在圖1中用標號28表示)，將激光器14夾到支撐部件26。為將激光器14夾在激光器夾具28和支撐部件26之間所需的夾持操作最好通過利用任何諸如螺紋夾具(圖中未示)之類的傳統(tǒng)型夾持裝置來實現(xiàn)，這類夾持裝置可用來實現(xiàn)激光器夾具28同支撐部件26的相互連接。
激光器14從一個激光器電源獲得其所需能量，該電源在圖1中由標號30表示。激光器電源30適于利用任何諸如螺紋夾具(圖中未示)的傳統(tǒng)型夾持裝置，相配地安裝在外殼16內、其底板18的內表面上。激光器電源30可采取適用于為氦氖激光器提供能量的前述目的、市場可買到的任何型號的激光器電源。如圖1所示的激光器電源30借助于由圖1中的標號32所示的電纜而被連到激光器14，能量即是通過該電纜從激光器電源30送至激光器14的。激光器電源30本身又通過圖1中所見的電纜34連接到一個外部電源(圖中未示)，用于激光器電源30的能量即取自于該外部電源。為此，電纜34要穿過外殼16的一個端壁20上所規(guī)定的開口(圖中未示)引出，并在此后使其通過一個導管配件36(見圖1所示)。
圖1中標號38所示的光纖耦合器被安置在與激光器14相隔一定距離，但對準其產(chǎn)生的光束處。光纖耦合器38被設計成能接收來自激光器14的光束，并使該光束耦合到圖1和2中由標號40所示的光纜40。光纜40又設計成能將來自光源部分10的激光器14的光束發(fā)送到本發(fā)明粒徑測量儀的探頭部分12。為此要使光纜40有足夠的長度，正如參照圖1和2即理解的那樣以使其能從光源部分10延伸到探頭部分12。用作本發(fā)明粒徑測量儀內的光纖耦合器38可選取適用于上述要求并可從市場上購得的任何傳統(tǒng)型光纖耦合器。作為舉例(而不局限于此)，這樣一種市場上可買到又已肯定適于用作本發(fā)明粒徑測量儀的光纖耦合器38的是由Newport Research出售的F915型光纖耦合器。
正如前面已提到，圖1中所描述的光源14也可采取半導體激光器形式，同時并未脫離本發(fā)明的本質。為此，可參考本文的附圖1a，圖中，我們可看到所描繪的光源部分10′是用由標號98所示的二極管激光器作為光源的。這樣，不用說，二極管激光器98可代替(前面在關于圖1所示光源部分10的結構特征的說明中已參照的)圖1所示的氦氖氣體激光器14，而完全起到作為根據(jù)本發(fā)明構成的粒徑測量儀的光源14的相同作用。因此，再來看附圖1a，根據(jù)圖1a所示的光源部分10′的結構特點，從二極管激光器98發(fā)出的激光被球面透鏡(圖1a中用標號100表示)所接收。由球面透鏡100發(fā)出的激光被傳送到由圖1a中的標號102所示的梯度折射率透鏡，此后又傳到棒狀透鏡(rod lens)，該棒狀透鏡在圖1a中用標號104標識，(我們可找到)。該激光在離開棒狀透鏡104后，便要讓其通過單模光纖傳輸，(后者在圖1a中由標號106表示)，送到本發(fā)明的粒徑測量儀的探頭部分12，這個傳輸方式類似于前面關于方法討論中已描述的方式由氦氖氣體激光器所產(chǎn)生的光，即圖1中的光源14是通過光纜40將光發(fā)送到本發(fā)明的粒徑測量儀的探頭部分12的。
下面在繼續(xù)說明本發(fā)明的粒徑測量儀的結構特點時，注意力將集中到它的探頭部分12的結構特點上。為此將詳細地參考圖2。這樣，正如參照圖2可知探頭部分包括一個鏡片外殼，該外殼在圖2中普通用標號42來表示。根據(jù)本發(fā)明的最佳實施方式，該鏡片外殼42最好呈現(xiàn)為管狀部件，即管式部件，其一端44，如圖2中所見那樣是螺紋端，其作用尚待說明。光纜40是通過鏡片外殼42的該螺紋端而使其進入探頭部分12的，至于光纜40前面已讀到，借助于光纜40使位于本發(fā)明粒徑測量儀的光源部分10的激光器14產(chǎn)生的光束從光源部分10發(fā)送到探頭部分12。
鏡片外殼42的另一端被設計成封閉的。這是通過應用先有技術中通常稱之為“冰塞”(freezeplug)的部件來完成的，(在圖2中冰塞由標號46表示)。由于諸如帶有圖2中的標號46的冰塞的結構特征和操作方式均是眾所周知的，故為了要了解本發(fā)明是無需在此詳述冰塞的。只需作如下說明就夠了冰塞46包括由圖2中標號48所示的第一部件，該部件被加工成所需尺寸，使其直徑大于鏡片外殼42的內徑，從而將第一部件48以圖2所描繪的方式與鏡片外殼42的開口端鄰接固定時，第一部件48能有效地封閉鏡片外殼42的另一開口端。冰塞46還包括一個在圖2中所見的第二部件50。與第一部件48相反，第二部件50被加工成的所需尺寸是使其直徑小于鏡片外殼42的內徑(如在參照圖2所見到的其右側端的尺寸那樣)以使第二部件50能以圖2所描繪的形式插入鏡片外殼42內。插入在第一部件48和第二部件50之間的是一種尺寸適宜的可壓縮材料的本體，(該部分在圖2中用標號52表示)，一旦借助螺紋夾持器54和螺母56之間的壓緊過程，便會在第一部件48和第二部件50之間引起壓縮，從而實現(xiàn)可壓縮物體52和鏡片外殼42的內壁之間的密封。
參考附圖2還可見到光纜40在穿過光學鏡片外殼42的螺紋端44而進入其內后，實際上是在通過鏡片外殼42的整個長度延伸。參照圖2很易理解從圖2看來光纜40的右端同一個光纖耦合器配合聯(lián)系，后者在圖2中用標號60表示。光纖耦合器60被設計成當來自激光器14通過光纜40傳送的光束到達置于探頭部分12范圍內的光纜40的末端時，能使光束由此射出。正如另一端，即置于光源部分10范圍內的光纜40的末端的光纖耦合器38被耦合的情況一樣，任何適用于上述情況并在市場上可買到的傳統(tǒng)型光纖耦合器均可選作為本發(fā)明粒徑測量儀內的光纖耦合器。再者，作為舉例(并不局限于此)，現(xiàn)已肯定適用于本發(fā)明粒徑測量儀內的一種市場上可買到的光纖耦合器是Seiko儀器公司出售的SF-1A型光纖耦合器。
來自光纜40的激光束通過光纖耦合器60去耦后，一旦從光纜40出射便被空間濾光和平行校正。之所以需要平行校正，是因為離開光纜40的激光束呈圓錐形。因此，就光線形式而論，有必要進行改變即將光纜40的出射光線會聚成平行校正后的彼此平行的光線，這點將在下面的討論中變得更清楚。為此，置于光纖耦合器60周圍的是一個校正器的外殼，該外殼在圖2中以標號62表示。緊接著平行校正，激光束在第一聚焦裝置上聚焦，該聚焦裝置在圖2中用標號64表示。根據(jù)本發(fā)明的這個最佳實施方式，第一聚焦裝置64最好包括一個特別校正過的透鏡-本領域的技術人員通稱它為消色差透鏡。
為了正確操作本發(fā)明的粒徑測量儀，應將透鏡64置于離開光纜40射出激光束的端部一定距離，這一點是重要的。更確切地說，根據(jù)本發(fā)明的最佳實施方式，應將透鏡64置于離開光纜該端部一個焦距長度的地方。透鏡64還被設計成能安裝在第一透鏡架/穿板裝置(lensholder/bulkhead means)內，該裝置在圖2中用標號66示出。進一步參照圖2可知前面已提及的校正器外殼62，按本發(fā)明所圖示的實施例，本身又借助螺紋連接而被固定在相對于第一透鏡架/穿板裝置66的應有位置。為此，校正器外殼62和第一透鏡架/穿板裝置66各自均配備有許多經(jīng)適當選擇的螺紋數(shù)，以使它們互相配合地實現(xiàn)前已描述的其間的螺紋接合。最后，在參照圖2中的圖解說明時，顯而易見第一透鏡架/穿板裝置66是置于鏡片外殼42的范圍內，以便能在鏡片外殼42范圍內、其兩端中間的一點上，安置一塊穿板。根據(jù)附圖2中所示的探頭部分12的該實施例的結構特征，為有助于在鏡片外殼42范圍內插入第一鏡透架/穿板裝置66和確定正確的對齊關系，最好采用密封圈-圖2可見的其中之一在67處。
為確保包含本發(fā)明的要點的粒徑測量儀的良好工作狀態(tài)，重要的一點是保持透鏡64的干凈，即不允許在其前表面(也就是圖2看時的透鏡64的左端)，積有污染物。因此，根據(jù)本發(fā)明的最佳實施方式，最好讓清洗空氣流過上面提到的透鏡64的前面。為此，已在第一透鏡架/穿板裝置66內適當?shù)匦纬梢粋€通道裝置，(該裝置在圖2中由標號68表示)，使清洗空氣流過該通道。通道裝置68本身又以適宜方式操作地連到一個清洗空氣供應管，該供氣管在圖3和4中為58，供氣管58又被設計成能連接(以一定的流體流動量、適用于上述目的的)清洗空氣供應源。雖然根據(jù)本發(fā)明的最佳實施方式，用作清洗的流體最好是空氣，但也能用其他類型的清洗流體，只要為用于這方面而選的流體具有和夾帶粒子的待測流體相同的折射率。要不然，當清洗流體的折射率不同于夾帶待測粒子的流體的折射率時，則通過本發(fā)明的粒徑測量儀所得到的粒子測值的精度會受到有害影響。
再參照附圖2可見除了前述通道裝置68外，第一透鏡架/穿板裝置66內也形成有一個孔，該孔可在圖2的70處見到。孔70是用來實現(xiàn)兩種功能。首先，孔70起到一個用作流過透鏡64鏡面的清洗流體的出口作用。其次，孔70是適當?shù)嘏c透鏡64對中的，以使校正后的光束可在穿過孔70的方式下，通過透鏡64聚焦，(此目的待述)。就孔70的尺寸而論，其尺寸是相對于激光束的直徑而定的。更確切地說，孔70的直徑最好稍小于激光束的直徑，以使來自透鏡64的光束的外側干涉條效(the outer fringes)不通過孔70，(即受到限制)。
再繼續(xù)說明本發(fā)明粒徑測量儀的探頭部分12的結構特點，正如參照附圖2時所見探頭部分12包括一個第二透鏡架/穿板裝置，該裝置在圖2中用標號72表示。象前面已述的第一透鏡架/穿板裝置66一樣，第二透鏡架/穿板裝置72被設計成置于鏡片外殼42的范圍內，以便通過第二透鏡架/穿板裝置72同時安置一塊穿板。為此，根據(jù)附圖2所示探頭部分12的結構特點，最好采用密封圈(其中之一可在圖2的73處見到)，以有助于在確立正確的對中的同時將第二透鏡架/穿板裝置72插入光學鏡片外殼42內。為將第二透鏡架/穿板裝置72以及第一透鏡架/穿板裝置66固定在鏡片外殼42內的應有位置，可采用任何合適的傳統(tǒng)型夾持裝置(圖中未示)。如參考附圖2可見的那樣，如此安置在鏡片外殼42內的第二透鏡架/穿板裝置72是離開第一透鏡架/穿板裝置66一個適當間距的，以使其相距一個預定距離。為說明本文提出的本發(fā)明的粒經(jīng)測量儀起見，將鏡片殼42上形成的開口，即存在于第一透鏡架/穿板裝置66和第二透鏡架/穿板裝置72之間的空間，稱之為“取樣通道”，并為便于對它進行討論時的識別，在圖2中用標號74表示取樣通道。為從鏡片外殼42的里面來密封取樣通道74，最好將圖2中所見的一塊密封板76固定到第一透鏡架/穿板裝置66和第二透鏡架/穿板裝置72，這可通過采用任何合適的傳統(tǒng)型固定方法(例如通過焊接)來固定。
第二透鏡架/穿板裝置72，正如其名稱所表明它被設計成能支承第二聚焦裝置(該聚焦裝置在圖2中是用標號78標出)。根據(jù)本發(fā)明的最佳實施方式，第二聚焦裝置78最好包括一個本領域技術人員稱之為消色差透鏡的專用校正透鏡。由于尚待說明的一些理由，人們有意地將消色差透鏡78的尺寸做得大于透鏡64的尺寸。
正如本文前面已提及的透鏡64的情況一樣，從確保(包含本發(fā)明主題的)粒徑測量儀的良好工作狀態(tài)的觀點出發(fā)，保持透鏡78的干凈同樣是重要的，也就是說，不允許污染物積聚在其前表面-即，參考圖2時所見的透鏡78的右側。因此，根據(jù)本發(fā)明的最佳實施方式，最好使清洗空氣流過透鏡78所述前表面。為此，在第二透鏡架/穿板裝置72內，已相應地設置有一個通道;(該通道在圖2中已用標號79標出)，使清洗空氣通過該通道而流動。通道79又以流體流動的操作方式被有效地連接到一個適用于上述用途的清洗空氣供應源。同樣此處要注意的是根據(jù)本發(fā)明的這個最佳實施方式，雖然最好采用空氣作為清洗流體，但也可采用為此目的的其他類型流體，只要用于這方面的所選流體具有和夾帶待測粒子的流體同樣的折射率即可。否則，若清洗流體的折射率與夾帶待測粒子流體的折射率不同時，則通過本發(fā)明的粒徑測量儀所得到的粒子測值的精度會受到損害。
進一步論及第二透鏡架/穿板裝置72，按其結構特點，正如圖2所示那樣，它具有一個孔80(圖2可見)，該孔在其內是這樣構成的，以使第二透鏡架/穿板裝置72內的孔80對準前面已述的第一透鏡架/穿板裝置66所相應提供的孔70，但置于取樣通道74的相反側(孔80與孔70分別置于取樣通道74的相對的兩側)。并故意讓孔80的尺寸大于孔70。這樣做的根本原因是因孔70射出的光束穿過取樣通道74后要被聚束。在穿過取樣通道74的過程中，由于集中地包含該光束的光線碰到(存在于取樣通道74這部分流體中的)粒子而呈散射形式，(對此，后面還要更全面地描述)。因此要將孔80的尺寸定得足以保證能將(由于碰擊存在于該段取樣通道74內的粒子而)被散射的光線均捕獲于孔80中，并隨之將通過孔80捕獲的光傳送到第二聚焦裝置，即消色差透鏡78?？傊鶕?jù)本發(fā)明的最佳實施方式，要讓孔80大于孔70。這是為補償以下情況所必需離開孔70的光線是散射的，而當這同樣的光線到達孔80時，至少已被散射掉一些。關于這一點，孔80的正確尺寸是隨光線被散射的程度而變的，而后者又是(由于被光線碰到而引起光線散射的)粒子大小的一個函數(shù)，而對較小程度的散射，孔80的正確尺寸被加工成體現(xiàn)采樣通道74的尺寸的一個函數(shù)。最后，要提及的是孔80完成了另一功能，即用作流過透鏡78表面的清洗流體的一個出口。
在穿過取樣通道74以后并由孔80接收的散射光，接著被傳送至透鏡78。透鏡78被設計成收能接收該散射光并使該散射光聚焦在一個檢測裝置上，該檢測器在圖2中由標號82表示，對該檢測器后面還會進一步論述。前面已提到過，透鏡78被故意加工成大于透鏡64。其原因基本上與孔80要大于孔70的理由相同。也就是說，通過透鏡64聚焦的光線是還未遭到散射的光線，而由透鏡78接收的光線則是在穿過取樣通道74的過程中受到散射影響的光線。
參照附圖2和5會更好了解，根據(jù)本發(fā)明的最佳實施方式，檢測裝置82最好采取環(huán)狀樣部件。環(huán)狀部件82被加工成許多弧形環(huán)段，(其目的尚待描述)，每段弧形環(huán)在圖2和5中均用相同的標號84來表示。此外，環(huán)狀部件82的中央有一個光端(optical port)-穿過圖2和5中所見到的86處而形成。
根據(jù)本發(fā)明圖2所示的實施例，由其標號88所識別的檢測器支架/穿板裝置被用來實現(xiàn)環(huán)狀部件82在鏡片外殼42內的正確定位。為此，象前面已描述過的第一透鏡架/穿板裝置66和第二透鏡架/穿板裝置72一樣，檢測器支架/穿板裝置88也執(zhí)行雙重功能。即，檢測器支架/穿孔裝置88用作狀環(huán)狀部件82固定在鏡片外殼42內的應有位置的固定裝置，而且檢測器支架/穿板裝置88還用來將一塊鏡片外殼42內的穿板安置在沿其長度、相隔一定距離的地方，以使(從圖2看時)環(huán)狀部件82位于更接近于與鏡片外殼42的右側相對的左側。環(huán)狀部件82相對于透鏡78所定的正確位置是透鏡78的焦距的一個函數(shù)，而透鏡78的焦距又是粒徑大小的一個函數(shù)，該粒徑值最好通過粒徑測量儀(正是本發(fā)明的主題)去測得。也就是說，透鏡78的焦距(其本身規(guī)定了環(huán)狀部件82的位置應離透鏡78多遠)確定了能利用環(huán)狀部件82起作用的粒徑范圍。此外，在不同弧形環(huán)的段與段之間提供有徑向間距，即，給環(huán)狀部件82裝備的弧形環(huán)84之間的徑向間距是(想要利用根據(jù)本發(fā)明構成的)粒徑測量儀測得的粒徑值的一個函數(shù)?？傊?，此外欲力圖達到的目的是要使環(huán)狀部件82與透鏡78相距的距離將確保存的在于環(huán)狀部件82的各環(huán)84之間的徑向間隔，對(想用本發(fā)明的粒徑測量儀去測得其大小的)粒子大小來說，是個正確的間距。
存有于環(huán)狀部件82的每個徑向環(huán)84上的光的能量是(使激光器14所產(chǎn)生的光線在穿過取樣通道74時引起散射的)粒子大小的一個函數(shù)。為此，光束穿過取樣通道74的散射效應是使較大尺寸的粒子在位于較接近環(huán)狀部件82中心，即接近環(huán)狀部件82的檢測器中心86的環(huán)84內產(chǎn)生較強的光強。反之亦然，即在離環(huán)狀部件82的中心甚遠，即離環(huán)狀部件82的檢測器中心86甚遠處的環(huán)84內，則是越小的粒子產(chǎn)生越強的光。因此，就有可能通過在環(huán)狀部件82的不同徑向環(huán)84處所觀測到的光強去對粒子大小作出測定。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實施方式，確定粒子大小的這類測定是在某一位置上，而不是在本發(fā)明的粒徑測量儀本身的探頭部分12范圍內實現(xiàn)的。為此，環(huán)狀部件82的每個徑向環(huán)84以及光端，即檢測器中央86都有與其相配的多根光纜，(在圖2中的90處可見)。正如本領域的技術人員所熟知的;這些光纜90的每一根被設計成能起到以簡單方式去傳導光的作用。光纜90的每一組是同一個已知的徑向環(huán)(84)及光端，即環(huán)狀部件82的檢測器中央86相關聯(lián)的，其另一端被連接到單獨的光電二極管，光電二極管在圖6中用標號92表示。也就是說，每個環(huán)84及光端，即環(huán)形部件82的檢測器中央86，是通過許多光纜90而連接到獨立的光電二極管92。旨在使這些光電二極管92的每一個對下述光來說能起到一個未擾動焦點的作用，所述光是指特定徑向環(huán)84及光端，即，環(huán)狀部件82的探測器中央86處所見到的光，(而各光電二極管92是通過光纜90中的一個特定組被連到特定徑向環(huán)84及光端的)。每一個光電二極管(92)還用來產(chǎn)生已知形式的電流，該電流正比于在特定徑向環(huán)84及光端，即環(huán)狀部件82的探測器中央86處，所見到的光，而各光電二極管92是通過光纜90中的一個特定組連到環(huán)狀部件82的檢測器中央86的。這個電流又可根據(jù)(想要采用構成本
發(fā)明內容
的)粒徑測量儀的具體的應用特點，使其有各種不同的使用法，對此本文后面還要論述。
再參見圖6，根據(jù)該圖所描繪的實施例，光電二極管92是通過采用一個電纜/二極管支架而被適當?shù)毓潭ㄔ趹形恢玫?，后者在圖6中用標號93表示。再者，根據(jù)本發(fā)明的最佳實施方式，正如圖6所示光電二極管92又依次同一塊SA-100放大器板(圖6中95)和一個20-腳連接器(圖6中用標號97表示)相互配合聯(lián)系。這樣，由光電二極管92產(chǎn)生的信號，經(jīng)放大后，被設計成要從20腳連接器97饋送給任何適于如下情況的位置在這些位置上，想要利用通過根據(jù)本發(fā)明構成的粒徑測量儀所得到的與粒徑有關的信息。
由于采用使散射光線被聚焦在(諸如環(huán)狀部件82的)環(huán)狀部件上而不是直接聚焦在光電二極管上，結果獲得了若干特殊優(yōu)點。其一個優(yōu)點是由這樣一個事實產(chǎn)生的，即包括諸如檢測器82的檢測裝置的光纖檢測器，而光纜90被連到該檢測器，這比為讓散射光直接聚焦在光電二極管時提供所需部件的成本要低。更具體地說，這里所述成本涉及到為產(chǎn)生通過環(huán)狀部件82和光纜90可產(chǎn)生的、與引起散射光線的粒徑有關的相同信息時，所需提供的光電二極管的數(shù)目。由于采用了諸如圖2所示、以檢測器82和光纜90的方式構成的光纖檢測器而得到的另一個好處是這種光纖檢測器可在本發(fā)明的粒徑測量儀的鏡片部分和電氣部分之間建立起一道屏蔽。正由于本發(fā)明的粒徑測量儀的鏡片部分和電氣部分的這種隔離作用，才使本發(fā)明的這種粒徑測量儀可能用在如下應用場合，即夾帶待測粒子的流體介質的特性使其若使用的粒徑測量儀是根據(jù)本發(fā)明所構成的粒徑測量儀，但其鏡片部分和電氣部分未被隔離的話就會產(chǎn)生危險的場合。
為全面說明本發(fā)明粒徑測量儀的探頭部分12的結構特點，按圖2所示實施例的探頭部分12來說，在其鏡片外殼42的螺紋端44上有一個與其相配的安裝法蘭，該法蘭在圖2中由標號94表示。正如圖2所示，安裝法蘭94最好是內螺紋，以使其能同鏡片外殼42的螺紋端44進行螺紋接合，從而將安裝法蘭94固定到鏡片外殼42。再說，通過利用安裝法蘭94，使本發(fā)明的粒徑測量儀的探頭部分12如此配置成為可能以使探頭部分12所包含的取樣通道74能相對于如下的流體介質流而適當?shù)匕仓?，在這種流體介質中夾帶著(最好通過采用本發(fā)明的粒徑測量儀來測得其大小的)粒子。因此，在那些無需考慮由于探頭部分12存在于流體介質流中會引起探頭部分12的磨損的應用場合下，可將本發(fā)明的粒徑測量儀的探頭部分12持久地置于夾帶著待測粒子的流體介質流中。這可通過固定安裝法蘭94，從而通過采用任何傳統(tǒng)型固定裝置(圖中未示)，例如一般螺紋夾持器(圖中未示)，將探頭部分12固定到一個合適的支承部件(圖中未示)來實現(xiàn)，而所述螺紋夾持器被置于圖2中的開孔96內，為此，安裝法蘭94要配備此孔。對于那些要考慮對本發(fā)明的粒徑測量儀的探頭部分12的磨損因素和/或如下應用場合，即由于夾帶粒子的流體介質流的寬度足以大到最好要在不同位置上對粒子進行測量，即能把探頭部分12的鏡片外殼42所包含的取樣通道74設置在該介質流的不同點上時，則有必要使本發(fā)明粒徑測量儀中的探頭部分12采取周期地插入流體流和又從其內縮回的工作方式。適用于實現(xiàn)探頭部分12的這種插入和縮回，(從而利用本發(fā)明粒徑測量儀設法獲得對夾帶粒子的流體介質流中的取樣通道74的測量值)的一種機構構成了名稱為“用于原位粒徑測量儀的固定和往返運動組件”，序號為(C860010)的普通轉證待批美國專利申請的主題，當時該申請是與本申請均以Mark P.Eramo和John M.Holmes的名義同時提交(美國專利與商標局)的。
現(xiàn)對構成本發(fā)明主題的粒徑測量儀的操作方式進行說明。為此，將仔細地參考圖1、2和6。根據(jù)本發(fā)明粒徑測量儀的操作方式，光從氦氖激光器14發(fā)出，通過光纜40(該光纜來自根據(jù)本發(fā)明所構成的粒徑測量儀的光源部分10)，被傳送到該儀器的探頭部分12。在探頭部分12的范圍內，從光纜40射出的光被空間濾光和校正。然后使校正后的光束橫穿取樣通道74。在橫穿取樣通道74的過程中，由于光碰到存在于取樣通道74內的粒子而被散射。該散射光又通過透鏡78會聚而使其聚焦在檢測器82上。從檢測器82來看的光強分布足以代表(由于碰撞而)使光被散射的粒子的大小。檢測器82是使光能最適于聚在徑向環(huán)84以及光端(即環(huán)狀部件82的檢測器中心86)處，此處對應于極限粒徑值。從檢測器82來的光被傳送到多個光電二極管92，每個光電二極管用來產(chǎn)生代表(已被特定的光電二極管92所接受的)光強的電流，從該光電二極管發(fā)出該電流。從光電二極管92發(fā)出的這些電流，可以各種不同的方式加以利用。在這方面的實例(但不局限于此)如這些電流可以信號的方式起作用，將其饋送到各種不同的裝置，而這些裝置本身又能對由此接收到的信號進行進一步的處理和/或分析。關于此，正如本文前面已提到的那樣，可通過檢測器82看到的光分布去推斷存在于取樣通道74內的粒子的粒徑分布。另一方面，存在于取樣通道74內的粒子的容積密度可通過觀測到的粒子密度與觀測到的光傳輸?shù)臄M合法來計算。對此，假設觀測到的光傳輸是按照下列方程T＝e-L∫C(λD)N(D)dD，式中L為通道長，C為消光有效截面，λ為波長，D為微粒直徑(droplet diameter)和N為粒徑分布。此外，對上面提出的方程來說，微粒大小分布是利用對大粒子的夫瑯荷費衍射理論和對小粒子的MIE散射理論，通過強度分布的重疊合法來計算的。
本發(fā)明粒徑測量儀的一個特別適用的應用場合就是涉及對已經(jīng)球磨機粉碎的煤粉粒子進行粒徑測量的應用。更確切地說，本發(fā)明的粒徑測量儀可同如下類型的球磨機相配合，這種球磨機被設計成要用于實現(xiàn)煤的粉碎，以便能根據(jù)利用本發(fā)明的粒徑測量儀所獲得的粒徑測量值而對該球磨機的整個操作過程進行控制。利用根據(jù)本發(fā)明所構成的粒徑測量儀去對球磨機的整個操作過程進行的這種控制的控制方式構成了序號為C850920的普通轉讓、待批美國專利申請的主題，該申請名稱為“固體粉?？刂葡到y(tǒng)”，當時以George F.Shulof和Michael J.DiMonte的名義，與本申請同時遞交。
因此，根據(jù)本發(fā)明，可提供一種能用來測得存在于某種流體物質中的粒子大小的新穎改進型測量儀。此外，本發(fā)明的粒徑測量儀使得利用它去迅速地獲得粒徑的精確測量值成為可能。而且，根據(jù)本發(fā)明所提供的粒徑測量儀使得通過使用它去對存在于某種流體物質中的粒子大小進行就地測量成為可能。再者，本發(fā)明的粒徑測量儀能實現(xiàn)對存在于流體物質中的粒子的粒徑分布進行就地測量。還有，根據(jù)本發(fā)明的粒徑測量儀能在對存在于某種流體物質中的粒子的容積密度進行就地測量的同時，對存在于該流體物質中的粒子的粒徑分布進行就地測量。本發(fā)明的粒徑測量儀使得通過使用它去足夠及時地產(chǎn)生與粒徑相關的信息成為可能，從而可根據(jù)由該粒徑測量結果導出的信息，對某個生產(chǎn)過程的全過程進行控制。此外，根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)已提供的粒徑測量儀在制造和操作方面是比較簡單的，而且裝備也較便宜。
雖然本文僅圖示和描述了本發(fā)明的一個實施例，但會體會到該實施例的種種改型(前面已提及一些改型)，仍可能由本領域的技術人員容易地作出。因此，我們力圖通過所附權利要求
書去包羅本文提及的一些改型以及落在本發(fā)明的精神實質和范圍內的所有其它改型。
權利要求
1.用于獲得(存在于某種流體物質中的)粒子大小的測量結果的粒徑測量儀，其特征在于包括a.一個探頭部分，其內形成有一個聚樣通道，包含待測粒子的流動物質流過該通道；b.一個光源，能用于產(chǎn)生包括多根單獨光線的一束光；c.與所述光源光學耦合的光傳輸裝置，所述光傳輸裝置能傳輸來自所述光源的光束；d.第一聚焦裝置，該裝置安裝在所述探頭部分內，被置于所述取樣通道的一個側面上，所述第一聚焦裝置被光學耦合到所述光傳輸裝置，以便從那里接收光束，所述第一聚焦裝置為如此聚集穿過所述取樣通道的光束而起作用，以致當該光束穿過所述取樣通道時，包含在所述取樣通道內的流體物質中的粒子能夠引起該光束的各光線的散射；e.第二聚焦裝置，該裝置安裝在所述探頭部分內，被置于所述取樣通道的另一側面上并與所述第一聚焦裝置對齊，所述第二聚焦裝置能捕獲在其穿過所述取樣通道過程中被散射了的光線；和f.檢測裝置，該裝置被光學耦合到所述第二聚焦裝置，用以接收來自第二聚焦裝置的散射的和校正光線，所述檢測裝置能根據(jù)所接收的散射光線光強而產(chǎn)生與(光線穿過所述取樣通道時，引起其散射的)粒子大小有關的信號。
2.如權利要求
1所述的粒徑測量儀，特征在于其中所述光源包括一個激光器。
3.如權利要求
2所述的粒徑測量儀，特征在于其中所述激光器包括一個氦氖激光器。
4.如權利要求
2所述的粒徑測量儀，特征在于其中所述激光器包括一個半導體激光器。
5.如權利要求
2所述的粒徑測量儀，特征在于其中所述光傳輸裝置包括一根光纜。
6.如權利要求
5所述的粒徑測量儀，特征在于其中所述第一聚焦裝置包括一個第一消色差透鏡。
7.如權利要求
6所述的粒徑測量儀，特征在于其中所述第一聚焦裝置還包括一個第一透鏡支承裝置，以將所述第一消色差透鏡安裝固定在所述探頭部分內，所述第一透鏡支承裝置具有一個在其內形成的，通過光束的第一孔。
8.如權利要求
7所述的粒徑測量儀，特征在于其中所述第二聚焦裝置包括一個第二消色差透鏡。
9.如權利要求
8所述的粒徑測量儀，特征在于其中所述第二聚焦裝置進一步包括一個用以將所述第二消色差透鏡安裝固定在所述探頭部分的第二透鏡支承裝置，所述第二透鏡支承裝置具有一個在其內形成的用以接收散射光線的第二孔。
10.如權利要求
9所述的粒徑測量儀，特征在于其中所述第二消色差透鏡比所述第一消色差透鏡要大。
11.如權利要求
10所述的粒徑測量儀，特征在于其中所述第二孔要比所述第一孔大。
12.如權利要求
11所述的粒徑測量儀，特征在于其中所述檢測裝置包括一個其內形成有多個徑向環(huán)的環(huán)狀部件。
13.如權利要求
12所述的粒徑測量儀，特征在于其中所述檢測裝置也包括多組光纜，所述光纜組的每一個被光學耦合到所述環(huán)狀部件的所述多個徑向環(huán)之一。
14.如權利要求
13所述的粒徑測量儀，特征在于其中所述檢測裝置進一步包括多個光電二極管，所述多個光電二極管之每一個被光學耦合到所述多個光纜組之一。
15.對存在于流體物質中的粒子進行測量的方法，特征在于包括如下步驟a.產(chǎn)生包含許多單獨光線的一束光;b.對穿過包含待測粒子的流體物質(因該流體物質中的粒子而引起光束的多光線散射)的光束進行聚焦;c.接收該散射光線;d.將該散射光線聚焦到一個檢測器上;及e.產(chǎn)生根據(jù)該散射光線的光強(其對應于引起光線散射的粒子大小)的信號。
16.如權利要求
15所述的對存在于流體物質中的粒子進行測量的方法，特征在于其中的光束是由氦氖激光器產(chǎn)生的。
17.如權利要求
15所述的對存在于流體物質中的粒子進行測量的方法，特征在于其中的光束是由半導體激光器產(chǎn)生的。
專利摘要
對存在于流質中的粒子同時進行粒徑分布和容積密度現(xiàn)場測量的粒徑測量儀。其包括激光源14，激光傳輸裝置40，校正器，第一聚焦裝置64，待測粒子通過的取樣通道74，第二聚焦裝置78和檢測裝置82。其操作方式是源14的激光通過裝置40傳到校正器，經(jīng)校正傳至裝置64，經(jīng)聚焦穿過通道74，在此期間，由于其內的粒子而引起散射。散射和校正光均由裝置78捕集而聚集到裝置82上，由其采集激光強度分布，由此光強分布導出粒徑分布并由預定方程算出容積密度。
文檔編號G01N21/53GK87100685SQ87100685
公開日1987年8月26日 申請日期1987年2月12日
發(fā)明者詹姆斯·馬丁·奈茲奧利克, 詹姆斯·菲那茲·薩頓三世 申請人:燃燒工程有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan