專利名稱：測(cè)量密度和質(zhì)量流量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)以氣體作為流動(dòng)相的分散體系測(cè)定密度和質(zhì)量流量的方法?，F(xiàn)有技術(shù)在測(cè)定超聲脈沖的通過時(shí)間的基礎(chǔ)上測(cè)量液體和氣體的質(zhì)量流量的設(shè)備是由例如Panametrics Ltd.生產(chǎn)的。
Gopel W，Hesse J，Zemel J N的書“傳感器”，第7卷，(機(jī)械傳感器)VCH Weinheim1993年出版，ISBN 3-527-26773-5，其中有大多數(shù)物理量的測(cè)量方法的匯編，尤其還論述了使用(超)聲波技術(shù)。為了要測(cè)量多組份氣體的密度，人們的注意力放在了從測(cè)定的聲音速度來計(jì)算氣體密度的可能性上。
為了測(cè)定例如在水和其他液體中的流速和質(zhì)量流量，已有描述的方法是令超聲脈沖從液流流經(jīng)的管中傾斜通過。在煉廠的特殊應(yīng)用中，從氣流中泄漏的氣流是由分子質(zhì)量的變化來確定的。(見SmallingJ W，Braswell L D，Lynnworth L C，Wallace D R，Proc.39th AnnualSymp.on Instrumentation for the Process Industries，ISA(1984)27-38，和Smalling J W，Braswell L D，Lynnworth L C 和US4596133(1986))。
本發(fā)明提供一種對(duì)以氣體作為流動(dòng)相的分散體系測(cè)量密度和質(zhì)量流量的方法，所述方法的特征在于在流動(dòng)的分散體系中順著流動(dòng)的方向和逆著流動(dòng)方向測(cè)定聲波的傳播速度(音速)。
所使用的聲波可以是連續(xù)聲音的形式或聲波脈沖的形式。1、物理背景1、1懸浮體密度的測(cè)定在純的氣體中，聲音的速度只依賴于介質(zhì)的密度和介質(zhì)的壓縮系數(shù)。例如，在空氣中有下式CL=1KL·PL------(1)]]>其中CL＝聲音在空氣中的速度[m/s]，KL＝空氣的壓縮系數(shù)[m2/N]，PL＝空氣的密度[kg/m3]。在分散體系中聲音的速度一般強(qiáng)烈地依賴于聲音的波長(zhǎng)和分散顆粒的大小。但如果顆粒的大小比波長(zhǎng)小得多，那么對(duì)聲音的傳播來說，懸浮體的行為象均一的系統(tǒng)，因此等式(1)是適用的。然后須用兩相的平均值來得到密度和壓縮系數(shù)，即。
K＝(1-CV)·KL+CV·KP(3)P＝(1-CV)·PL+CV·PP(4)CV體積濃度[m3/m3]L空氣；P顆粒如果測(cè)得這種懸浮體中的音速，然后由等式(2)到(4)可以計(jì)算出顆粒的體積濃度。隨后由所得結(jié)果容易確定堆密度或傳送密度。

圖1示意了由等式(2)計(jì)算的音速相對(duì)堆密度的曲線。對(duì)于更高的堆密度值音速會(huì)又升高。如果可以假定這樣大的密度值，測(cè)得的c值對(duì)堆密度不可能有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在輕的疏松物料如二氧化硅氣凝膠或碳黑的情況下，原則上適用曲線的單調(diào)下降區(qū)域。
當(dāng)然，必須檢查相對(duì)于波長(zhǎng)來說顆粒是否足夠小。聲波代表或強(qiáng)或弱地傳給顆粒的空氣振動(dòng)。如果顆粒能夠完全匹配空氣的振動(dòng)，即如果它們的振幅與空氣的完全相同，則適用對(duì)均勻介質(zhì)的假定。對(duì)于兩個(gè)振幅的比例，Skudrzyk在他的書Grundlagen der Akustik(SpringerVerlag 1954)中指出了可以求解音頻的關(guān)系。如果，任意地，需要振幅比＝0.99，在這種情形下對(duì)于35nm粒徑的顆粒(二氧化硅氣凝膠)所得的聲音頻率為f＝2.5MHz。
本發(fā)明的目的是在盡可能寬的粒徑范圍下使用等式(2)，因此本發(fā)明提供在遠(yuǎn)低于這一限制的頻率，特別優(yōu)選在20-2000Hz，尤其是105-2000Hz下進(jìn)行測(cè)定的方法。在此頻率范圍下聲音的減弱非常輕微，因此能夠通過選擇非常長(zhǎng)的測(cè)定長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)非常精密的測(cè)量。
但懸浮體中肉眼可看到的不均勻如大的團(tuán)塊會(huì)帶來問題。這樣的堆密度較高的區(qū)域不再遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，它們使音速依賴于頻率。但結(jié)果出現(xiàn)的誤差可以由經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)來補(bǔ)償。
根據(jù)本發(fā)明，在選擇測(cè)量頻率中的另一個(gè)可以考慮的標(biāo)準(zhǔn)是測(cè)量所用的管線的直徑。
如果實(shí)施的方法選為相對(duì)管軸的縱向測(cè)量聲音的傳播，則傾斜發(fā)射的波部分將經(jīng)多次反射在管壁上后才到達(dá)接收器，它們與直接通過的波疊加，使結(jié)果發(fā)生偏差。
因此，在本發(fā)明的具體實(shí)施方案中規(guī)定所選擇的音頻使波長(zhǎng)至少等于管徑的二分之一。對(duì)于這樣的波和更長(zhǎng)的波，其傳播僅可能在管軸的方向上，于是避免了誤差。
另一方面，必須考慮與聲波一起振動(dòng)的物質(zhì)在管壁上受到的摩擦，所述的摩擦由管表面的情況而定。此摩擦也導(dǎo)致不能預(yù)先計(jì)算聲音傳播速度的變化，并且聲音傳播速度的變化會(huì)隨時(shí)間而變，例如在發(fā)生腐蝕的情況下。當(dāng)波長(zhǎng)變得明顯長(zhǎng)于管徑時(shí)，管壁的影響會(huì)首先被感覺到。
因此，在具體的實(shí)施方案中規(guī)定波長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)介于管徑的二分之一和10倍之間。1、2流速和質(zhì)量流量的測(cè)定如果在流動(dòng)的懸浮體中傳播的聲波與流動(dòng)方向相同(“順流”)，靜態(tài)的觀察者可看到聲波速度隨流速而升高。在傳播與流動(dòng)的方向相反的情況下，測(cè)量值相應(yīng)地較小。為了同時(shí)測(cè)量懸浮體的密度和流速，必須盡可能同時(shí)測(cè)量順著流動(dòng)方向和逆著流動(dòng)方向的兩個(gè)聲波速度。測(cè)定聲波速度的技術(shù)在下面的部分更詳細(xì)地闡述；原理是測(cè)定聲波經(jīng)過已知距離L所需要的時(shí)間T。給定不動(dòng)懸浮體的聲波速度c和流速v，順著流動(dòng)方向的傳播的距離-時(shí)間定律為
而與流動(dòng)方向相反的傳播為
從這兩個(gè)等式得出要求的兩個(gè)量的條件等式
和
給定管線的橫截面積A，最終質(zhì)量流量為
m＝P·v·A (9)一個(gè)實(shí)際的數(shù)字例子可以用來例證測(cè)定的概念管中的堆密度 P＝30g/l；聲波速度 c＝70m/s；(圖1)傳送速度 v＝3m/s；接收器距離L＝300mm然后測(cè)定下列值單向通過時(shí)間 T順＝4.11ms；T逆＝4.48ms然后在兩個(gè)聲波速度的平均值的基礎(chǔ)上通過等式(8)確定堆密度。但兩個(gè)值的差，彼此比較接近，代入等式(7)。因此必須非常精確地測(cè)量，才能通過將數(shù)次測(cè)定的通過時(shí)間平均以便將隨機(jī)誤差盡可能地減小。
別的情況下也會(huì)產(chǎn)生誤差，特別是當(dāng)通過時(shí)間T順和T逆在不同的時(shí)間測(cè)量時(shí)，及當(dāng)時(shí)疏松物料的密度發(fā)生變化的時(shí)候。本發(fā)明特別優(yōu)選的實(shí)施方案提供了精確地在同一時(shí)間測(cè)定兩個(gè)通過時(shí)間的方法。2、測(cè)定聲波速度的設(shè)備本發(fā)明的另一個(gè)課題是用來對(duì)以氣體作為流動(dòng)相的分散體系測(cè)量密度和質(zhì)量流量的設(shè)備，所述設(shè)備的特征在于，在分散體系的傳送線路上設(shè)置一個(gè)聲源(聲波換能器)，和位于聲源一定距離處的不同的至少兩個(gè)聲波接收器-換能器。設(shè)置圖2示意了一種可能的測(cè)定聲波速度的設(shè)置。一個(gè)信號(hào)發(fā)生器首先以電信號(hào)的形式產(chǎn)生聲波脈沖。電信號(hào)被聲波換能器(在最簡(jiǎn)單的情況下為一臺(tái)普通揚(yáng)聲器)轉(zhuǎn)換成聲波并被導(dǎo)入懸浮體中，導(dǎo)入方式是使聲波同時(shí)順著流動(dòng)方向和逆著流動(dòng)方向傳播。聲波接收器-換能器(擴(kuò)音器或壓力計(jì))將聲波轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。在上游和下游都需要一對(duì)接收器。位于下游的兩個(gè)接收器接收到，例如，相同的信號(hào)，但是信號(hào)因信號(hào)的通過時(shí)間T順而有位移。自動(dòng)測(cè)定兩個(gè)通過時(shí)間T順和T逆，并用于等式(7)至(8)來計(jì)算所要求的量。
由于在濃度波動(dòng)的情況下聲波速度和聲波弱化的差異很大，在每個(gè)傳送方向最好使用不只兩個(gè)接收器，以便能夠從所接收的不同信號(hào)中收集用于評(píng)價(jià)的最佳信號(hào)，并且能夠在用連續(xù)聲音測(cè)量的情況下明確地測(cè)定出波的相位置。
圖3代表的另一種設(shè)置在細(xì)節(jié)上與第一個(gè)設(shè)置略有不同。它僅用兩個(gè)接收器，但，這里同樣可以使用多個(gè)接收器。為此目的需要交替或同時(shí)發(fā)出脈沖的兩個(gè)發(fā)射器。如果它們同時(shí)操作，測(cè)得的通過時(shí)間精確地涉及相同的懸浮體段。結(jié)果，隨機(jī)出現(xiàn)的不均勻如氣泡會(huì)給流速測(cè)定帶來微小的誤差。另一方面，主流必須傾斜。
除了所示的兩種設(shè)置，當(dāng)然還可以想到許多其它的對(duì)測(cè)量方法來說具有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的設(shè)置，但也要考慮物流的擾亂情況。信號(hào)通過時(shí)間的測(cè)定聲波脈沖的到達(dá)在許多情況下用測(cè)定到的時(shí)間來記錄，該時(shí)間時(shí)發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)超過某一水平。但是此方法很不精確，特別是當(dāng)信號(hào)被噪音覆蓋或信號(hào)在測(cè)量長(zhǎng)度上的弱化是隨時(shí)變化的。此外，用此方法測(cè)得的不是相速度(理論上可計(jì)算)，見等式2至4，而是集團(tuán)的速度，它與相速度不同且不易理論計(jì)算。本發(fā)明提供了一種優(yōu)異的配置，在以數(shù)字記錄的聲波信號(hào)的相互作用的幫助下確定相速度。計(jì)算兩個(gè)信號(hào)的相互作用本身就暗示對(duì)信號(hào)在兩個(gè)接收器之間的通過時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)確定。此數(shù)學(xué)操作可以辨認(rèn)出兩個(gè)信號(hào)的任何可能的相似性，并能夠在一定程度上將此相似性歸類。用上述的設(shè)置，兩個(gè)接收器的信號(hào)在理想情況下精確地相等，但因通過時(shí)間T順或T逆而有位移。相互作用提供了這些通過時(shí)間，而且同時(shí)對(duì)流動(dòng)的擾亂如信號(hào)振幅變化或噪音完全不敏感。另一方面，如果相互作用的兩個(gè)信號(hào)具有不同的頻譜則會(huì)出現(xiàn)問題，因此信號(hào)形狀的選擇特別重要。信號(hào)正如已經(jīng)解釋的，在疏松物料中聲音的速度決定于頻率。對(duì)于本發(fā)明的方法來說，向上游和下游傳送的信號(hào)必須具有相同的頻率，否則順流和逆流的通過時(shí)間的差異不能被辨認(rèn)出來，因?yàn)橛袝r(shí)由流速造成的順、逆流通過時(shí)間的差異非常小。為了在密度測(cè)量中補(bǔ)償這一頻率影響，除了經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)之外，還有可能在不同的頻率下進(jìn)行測(cè)量并將結(jié)果進(jìn)行平均。
原則上必須用信號(hào)將連續(xù)聲音和聲波脈沖區(qū)別開來。從物理角度看正弦曲線的連續(xù)聲音是最佳的，因?yàn)樗墓庾V純，只有單一的頻率成分。這時(shí)的問題是如果接收器距離大于一個(gè)波長(zhǎng)，能否從接收到的信號(hào)的相中明確確定信號(hào)通過的時(shí)間成為問題。但主要的缺點(diǎn)在于反射到管的彎頭等上的波疊加在通過的波上將其相改變。于是聲波速度的測(cè)量更精細(xì)。
在脈沖聲音的情況下，基本可以將通過(需要)的脈沖與反射的脈沖區(qū)分開并只計(jì)算需要的脈沖。
因此優(yōu)選脈沖操作。但應(yīng)當(dāng)明確指出根據(jù)本發(fā)明的方法的條件與那些已知的超聲技術(shù)應(yīng)用中的情況是不同的。例如，波長(zhǎng)要長(zhǎng)得多。其結(jié)果是，首先，接收距離可以比一個(gè)波長(zhǎng)小，第二，理論上反射的脈沖不能暫時(shí)從通過的脈沖中分離出來，因而并不是總能擁有脈沖的聲透射這一優(yōu)點(diǎn)。
圖4示意了一種可能的脈沖形狀，如可被兩個(gè)接收器連續(xù)接收。這樣的脈沖可被描述為正弦波載波振蕩器的包絡(luò)曲線的結(jié)果，就是說，I(t)＝H(t)*sin(2πf*t)。這里f為載波頻率。
脈沖的缺點(diǎn)通常在于其譜寬-即頻率不同于f的信號(hào)能部分。由于不同頻率的脈沖部分以不同的速度傳播，脈沖在通過懸浮體時(shí)改變其形狀，具體地說，它走得越遠(yuǎn)越是如此。這使得用相互作用計(jì)算通過時(shí)間變得復(fù)雜化，因?yàn)樾盘?hào)必須相關(guān)，而此相關(guān)不僅隨時(shí)間軸轉(zhuǎn)換的作用而變。對(duì)于給定的載波頻率和波列數(shù)，僅由包絡(luò)曲線確定譜寬的程度。圖4的高斯鈴形曲線在這方面是最佳的，就是說，對(duì)于給定的譜寬，具有高斯包絡(luò)曲線的脈沖信號(hào)產(chǎn)生最窄的頻譜和最低的可分散性。
另一個(gè)改進(jìn)譜純度的可能性是提高脈沖的波列數(shù)目。但是，對(duì)于恒定的載波頻率，脈沖將變得太長(zhǎng)，反射問題會(huì)非常嚴(yán)重。如果提高頻率，則隨著f的平方而增加的、在懸浮體中的減弱作用會(huì)變得太利害。
用圖3的設(shè)置，可以想象在精確的同一時(shí)間傳送兩個(gè)稍有不同的脈沖。這種情況下盡管兩個(gè)信號(hào)不能暫時(shí)分離但它們也不易疊加。
此外，可以使用強(qiáng)寬帶脈沖。則測(cè)得的聲波速度代表在一個(gè)寬頻率帶上的平均值。不用聲波換能器在較窄的靈敏度下，例如用錘子敲擊，而產(chǎn)生這樣一個(gè)簡(jiǎn)單信號(hào)的可能性是吸引人的。
在利用寬帶脈沖連續(xù)變化時(shí)，需要考慮一個(gè)類似的寬帶噪音(噪音信號(hào))。
噪音信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)信號(hào)互不依賴地產(chǎn)生，可以明確地彼此區(qū)分，而不論是否具有相同的頻譜。因此，傳送和用相關(guān)方法計(jì)算兩個(gè)獨(dú)立的噪音信號(hào)，測(cè)量就可以在相同的測(cè)量長(zhǎng)度上從兩個(gè)傳播方向同時(shí)和連續(xù)地進(jìn)行。這一實(shí)施方案在物料只是稍微分散，就是說，在非常細(xì)、均勻的物料的情況下特別有益。
在選定適宜的接收距離的情況下，兩種變化都有決定性的優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)反射波的影響不敏感。相反對(duì)于窄帶信號(hào)，可以在相互作用的基礎(chǔ)上區(qū)分兩個(gè)部分。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，可以利用由流動(dòng)本身的紊流產(chǎn)生的聲波(自生聲波)。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，可以消除擾亂測(cè)定的、反射到測(cè)定長(zhǎng)度之外的波部分的影響，具體地說，通過在測(cè)量長(zhǎng)度之外的管上設(shè)置消音構(gòu)造或通過控制反相聲波脈沖而阻止聲波從測(cè)定長(zhǎng)度區(qū)域發(fā)出。
根據(jù)本發(fā)明的方法適于測(cè)定所有流動(dòng)分散體系的密度、流速還有質(zhì)量流量。如果將測(cè)定的質(zhì)量流量對(duì)時(shí)間積分就可以預(yù)知裝料的儲(chǔ)槽中的裝填水平。主要的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)是諸如碳黑、熱制造的硅酸鹽或其它高度分散的固體的細(xì)疏松物料的充氣傳送。還可以設(shè)想的是，例如對(duì)循環(huán)流化床的再循環(huán)的測(cè)量或在靜態(tài)流化床的情況下僅測(cè)量堆密度。
其它的應(yīng)用涉及氣泡和所有含有氣泡的流體的測(cè)量，其中聲音的速度可以類似地根據(jù)等式(2)來計(jì)算。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)以氣體作為流動(dòng)相的分散體系測(cè)定密度和質(zhì)量流量的方法，其特征在于順著流動(dòng)方向和逆著流動(dòng)方向測(cè)量流動(dòng)分散體系中的聲波傳播速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于使用連續(xù)的聲音。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于使用聲波脈沖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)的方法，其特征在于使用頻率范圍為20-2000Hz的聲音。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)的方法，其特征在于聲音從管的橫截面的中心引入，沿軸向方向測(cè)量聲波的傳播。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于聲音的波長(zhǎng)選擇為傳送分散體系的管線直徑的至少二分之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的方法，其特征在于兩個(gè)相反的聲波在精確的同一時(shí)間或緊跟著通過相同的測(cè)量長(zhǎng)度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的方法，其特征在于兩個(gè)相反的聲波在精確的同一時(shí)間或緊跟著通過兩個(gè)相鄰的測(cè)量長(zhǎng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)的方法，其特征在于經(jīng)過至少兩個(gè)不同長(zhǎng)度的傳送部分測(cè)量每個(gè)傳播方向上的通過時(shí)間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)的方法，其特征在于擾亂測(cè)量的、反射到測(cè)量長(zhǎng)度之外的波的影響被消除了，具體地說，通過在測(cè)量長(zhǎng)度之外的管上設(shè)置消音構(gòu)造，或控制反相聲波脈沖以阻止聲波從測(cè)量長(zhǎng)度的區(qū)域發(fā)出。
11.對(duì)以氣體作為流動(dòng)相的分散體系測(cè)定密度和質(zhì)量流量的設(shè)備，其特征在于，在傳送分散體系的管線上設(shè)置一個(gè)聲源(聲波換能器)和位于聲源一定距離處的不同的的至少兩個(gè)聲波接收器-換能器。
全文摘要
對(duì)以氣體作為流動(dòng)相的分散體系測(cè)定密度和質(zhì)量流量,方法是順著流動(dòng)方向和逆著流動(dòng)方向測(cè)定體系中的聲波速度。
文檔編號(hào)G01F1/86GK1257576SQ98805435
公開日2000年6月21日 申請(qǐng)日期1998年5月27日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月28日
發(fā)明者烏爾里?！だ镓悹? 彼得·哈奇基安 申請(qǐng)人:德古薩－于爾斯股份公司