专利名称：气固混合相流的流量计及流量测量方法
技术领域：
本发明属于测量技术领域，特别涉及到煤化工领域中气固混合相流(例如粉煤)的质量流量计及其测量方法。
背景技术：
目前，煤化工粉煤流量计量通常采用的方法是用核辐射式装置测量粉煤的浓度， 以及独立安装的速度检测仪表测量粉煤的流速。在核辐射式浓度测量设备中，需要使用钴或者铯作为辐射源，存在有核泄漏的危险以及核废料处理问题。由于其测得的浓度值包含了输送气体的密度，并且压力和温度的变动会导致气体密度发生变化，从而影响到煤粉浓度的测量精度。速度检测仪表由于内衬材料及结构设计等因素，无法克服由于高压力所造成的测量元件的变形以及磨损问题，其通常的最高工作压力仅为4MPa到5MPa，尚无法达到 IOMPa0另外其各测量装置是分体安装的，从而导致测得的速度和浓度间产生时间上的不同步，进而使测量结果进一步产生偏差。上述测量系统的测量精度偏差一般都在5%以上，如果考虑到温度和压力波动的影响，精度会更低。
发明内容
本发明的目的就是在于克服上述的问题，从多个方面进行改进，从而实现在高压下对气固混合相流(例如粉煤)的流量进行连续稳定的精确测量。本发明的上述目的是通过提供一种用于测量气固混合相流的质量流量的流量计实现的。本发明所涉及的用于测量气固混合相流的质量流量的流量计包括测量管、浓度传感器、速度传感器和信号处理单元，所述测量管在测量时被安装在传输待测流的管道中。所述浓度传感器和速度传感器被安装在测量管上。优选地，所述流量计还包括被安装在测量管上的温度传感器。优选地，所述测量管包括内管、设置在所述内管径向外侧的外管和用于将所述内管和外管与所述管道连接起来的法兰套管。所述温度传感器、浓度传感器和速度传感器被设置在所述内管和外管之间。优选地，所述流量计还包括设置在所述外管和信号处理单元之间的散热隔热部件。优选地，所述内管由耐磨陶瓷制成。优选地，所述内管与所述法兰套管之间设置密封结构，该密封结构包括锥面密封、 径向密封元件和轴向密封元件。优选地，所述速度传感器包括设置所述内管外侧并且彼此轴向相间隔的两个测量环。优选地，所述浓度传感器包括径向相对地设置在所述内管外周上的两个电极组， 其中一个电极组为发射极，另一个电极组为接收极。
本发明还涉及用流量计测量气固混合相流的质量流量的方法，包括预先获得测量管内孔的横截面面积(A)；通过浓度传感器获得测量管中的所述流的浓度(K)；通过速度传感器获得测量管中的所述流的速度(V)；由信号处理单元计算所述流的质量流量(Q)。优选地，所述测量管上设置温度传感器以获得所述流的温度，并在所述信号处理单元中使用所述温度(T)对计算结果进行修正。优选地，在所述测量管和信号处理单元设有散热隔热部件，并根据所述温度(T)计算所述散热隔热部件的隔热长度。优选地，所述测量管包括内管、设置在所述内管径向外侧的外管和用于将所述内管和外管与所述管道连接起来的法兰套管，其中所述温度传感器、浓度传感器和速度传感器被设置在所述内管和外管之间。优选地，所述速度传感器包括设置所述测量管上的彼此轴向相间隔的两个测量环，并且测量速度(V)的步骤是利用相关法原理测得的。优选地，所述浓度传感器包括径向相对地设置在所述测量管外周上的两个电极组，其中一个电极组为发射极，另一个电极组为接收极，并且所述测量浓度(K)的步骤是利用固体物料对电磁波产生的衰减效应实现的。本发明采用了速度、浓度、温度设计的一体化设计，克服了分体安装方案所引起的测量速度和浓度时间上的不同步，使得测量结果更加具有实时性，从而提高了测量结果的真实性和可靠性；同时一体化结构节省了安装空间，为测量仪表的安装、维护、标定带来极大的方便。本发明填补了工业自动化测量领域中高压气固两相流质量流量测量的空白。附图简述
图1是本申请的高压粉煤流量计的一个实施例沿轴向方向的剖视图； 图2是所述流量计的隔热部件的剖视图； 图3是所述流量计的密封结构的示意图。附图标记列表
1、散热隔热部件；2、信号处理单元；3、温度传感器；4、密封部件；41、径向密封元件；42、轴向密封元件；5、浓度传感器；6、速度传感器；7、测量管；71、内管；72、外管； 73、法兰套管；11、散热部分；12、隔热部分。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明的高压煤粉流量计的实施例及其工作原理进行详细的描述。图1描绘了本发明的高压粉煤流量计的一个实施例沿轴向方向的剖视图。在该实施例中，本发明的流量计包括散热隔热部件1、信号处理单元2、温度传感器3、密封部件4、 浓度传感器5、速度传感器6、和测量管7。其中，测量管7是供待测量的粉末流体通过的管道，温度传感器3、浓度传感器5和速度传感器6分别用于检测从测量管内气固两相流介质的平均温度、流速(V)和浓度(K)。测量管7内孔的横截面积(A)可预先通过设计参数获得， 于是，可通过下面的公式在信号处理单元2中计算得到固体物料的质量流量(Q)，即
质量流量(Q)=浓度(K) X流速(V) X测量管横截面积(A)
4CN 102478416 A 测量管7被安装于传输待测流的管道上，并且优选地被设计成与所述管道的内径相同。优选地，测量管7包括三部分，供粉煤通过的内管71、保护性的外管72和用于密封和固定的法兰套管73，并且法兰套管73还用于将所述内管71和外管72连接到待测的管道上。上述温度传感器3、浓度传感器5和速度传感器6都被设置在所述内管71和外管72 之间，从而向这些敏感元件提供适当的保护。外管72通过螺栓等适当方式固定到两侧的法兰套管73上，信号处理单元2经由散热隔热部件1安装在所述外管72上。散热隔热部件1由两部分构成，如图2所示，第一部分为图中斜线表示的散热部分 11，第二部分为图中实黑色表示隔热部分12。由于过高的介质温度会对信号处理单元产生不良影响(如温度漂移等)，甚至损坏，因此针对被测介质温度为80 130°C的情况，本发明采用了该散热隔热部件1。散热部分11用于将过高的介质温度散热到周围环境中，隔热部分12用于将信号处理单元2与测量管7热隔离。根据不同的工艺状态，例如可以根据由温度传感器3测得的流介质的温度(T)估算出所需的散热和隔热长度(例如附图2中示例性地示出了长度为500mm的散热隔热部件)，从而可更换适当的散热隔热部件1。使用散热隔热部件1能够有效消除介质温度对信号处理单元的不良影响，避免管道的热辐射和热传导，从而保证测量的精度和稳定性。在通常的运行条件下，气固两相流的最高流速可高达20米/秒，将对测量管7造成非常大的磨损。由于测量的需要，现有技术中测量管材料一般选择低介电常数、介电常数温度特性稳定的非金属材料，例如聚甲醛、PTFE、增强玻璃纤维等，但是这些材料均不能很好解决磨损问题，同时PTFE等材料在高压下的形变会带来测量精度变差和加速磨损等问题。本发明经过实践，发现使用耐磨陶瓷做为测量管可以极大提到耐磨性和使用寿命，并且对检测结果不会产生不良影响。但是由于耐磨陶瓷本身的物理特性决定了其机械加工性能极差，为保证在10 MI^a介质压力下安全可靠的密封，本发明进一步采取了图3所示的密封结构设计，其将在下文中详细说明。测量管7的内管71的每一端与法兰套管73之间都设有本发明的密封结构，图3示出了其中一个端部。内管71与法兰套管73通过径向密封元件41和轴向密封元件42压装配合连接到一起。通过采用本发明的密封结构，能够使耐磨陶瓷测量管的端面与金属管道可靠连接和密封，同时还消除了在环境温度和被测介质温度变化(80 130°C)的情况下， 由于测量管热形变而可能产生的应力破坏。速度传感器6包括安装在测量管7的内管外侧的、相隔一定距离的两个测量环。速度测量采用的是相关法原理，即当固体物料流经第一个测量环时，会产生一个与流场中固体物料分布相关联的特定信号，同样在流经第二个测量环时，也会产生一个与流场中固体物料分布相关联的特定信号。由于两个测量环间距离很短，可以理解为近似稳定流，流场中固体物料的分布不会发生太大改变，于是两个测量环会得到一对相似的、相位不同的信号。 因为两个测量环之间的距离是固定的，只要测得这对相似信号之间的时间延迟，就可以计算出固体物料速度(V)。其计算公式如下
固体物料速度(V)=两个测量环间距(L) /信号延迟时间(T)。本发明还对浓度传感器5包括安装在测量管7的内管71外侧的上下两个半圆柱形电极组。电极的内表面贴合内管71的外表面。本发明的浓度传感器5通过利用固体物
5料对电磁波产生的衰减效应实现。其中上半圆柱为电磁波发射极，下半圆柱为电磁波接收极。通过发射极发射高频电磁波，在测量管中形成一个均勻的高频交变电磁场。当固体物料通过这个均勻的高频交变电磁场时，将使接收极所接收的信号发生改变，该变化与固体物料的浓度成正比。利用该规律，可以将接收极接收到的经信号送至处理单元计算得到固体物料的浓度值(K)。 温度传感器3用于检测测量管内气固两相流介质的平均温度。由于介质温度的变化，会引起固体颗粒介电常数发生改变，从而造成测量结果的偏离。温度传感器3将检测到的温度数据传送到信号处理单元2，信号处理单元2利用所测得的介质温度对测量结果进行修正。通常，在介质温度80 130°C范围变化的情况下，可将修正后的测量精度偏差控制在3%之内。 本发明的上述实施例对本发明的流量计的各部分都进行了详细的描述，但本领域的技术人员将意识到，在实际使用中，流量计不能不会具有所有上述细节。因此，上述实施例仅仅是说明性的而非限定性的。本发明的保护范围应根据权利要求书加以确定。
权利要求
1.一种用于测量气固混合相流的质量流量的流量计，包括测量管(7)、浓度传感器 (5)、速度传感器(6)和信号处理单元(2)，测量管(7)在测量时被安装在传输待测流的管道中，其特征在于所述浓度传感器(5 )和速度传感器(6 )被安装在测量管(7 )上。
2.根据权利要求1所述的流量计，还包括被安装在测量管(7)上的温度传感器(3)。
3.根据权利要求2所述的流量计，其特征在于所述测量管(7)包括内管(71)、设置在所述内管(71)径向外侧的外管(72)和用于将所述内管(71)和外管(72)与所述管道连接起来的法兰套管(73)，其中所述温度传感器(3)、浓度传感器(5)和速度传感器(6)被设置在所述内管(71)和外管(72)之间。
4.根据权利要求3所述的流量计，还包括设置在所述外管(72)和信号处理单元(2)之间的散热隔热部件(1)。
5.根据权利要求3所述的流量计，其特征在于所述内管(71)由耐磨陶瓷制成。
6.根据权利要求5所述的流量计，其特征在于在所述内管(71)与所述法兰套管(73) 之间设置密封结构(4)，该密封结构(4)包括径向密封元件(41)和轴向密封元件(42)，通过径向密封元件(41)和轴向密封元件(42)压装配合连接到一起，所述密封结构(4)能够减轻热胀冷缩导致的变形影响。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的流量计，其特征在于所述速度传感器(6)包括设置所述内管(71)外侧并且彼此轴向相间隔的两个测量环。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的流量计，其特征在于所述浓度传感器(5)包括径向相对地设置在所述内管(71)外周上的两个电极组，其中一个电极组为发射极，另一个电极组为接收极。
9.使用权利要求1的流量计测量气固混合相流的质量流量的方法，包括预先获得测量管(7)内孔的横截面面积(A)；通过浓度传感器(5)获得测量管(7)中的所述流的浓度(K)；通过速度传感器(6)获得测量管(7)中的所述流的速度(V)；由信号处理单元(2)计算所述流的质量流量(Q)。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括在所述测量管(7)上设置温度传感器(3)以获得所述流的温度(T)，在所述信号处理单元(2)中使用所述温度(T)对计算结果进行修正。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在所述测量管(7)和信号处理单元(2)设有散热隔热部件(1 )，其特征在于，根据所述温度(T)计算所述散热隔热部件的隔热长度。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述测量管(7)包括内管(71)、设置在所述内管(71)径向外侧的外管(72)和用于将所述内管(71)和外管(72)与所述管道连接起来的法兰套管(73)，其中所述温度传感器(3)、浓度传感器(5)和速度传感器(6)被设置在所述内管(71)和外管(72)之间。
13.根据权利要求9所述的流量计，其特征在于所述速度传感器(6)包括设置所述测量管(7)上的彼此轴向相间隔的两个测量环，并且测量速度(V)的步骤是利用相关法原理测得的。
14.根据权利要求9所述的流量计，其特征在于所述浓度传感器(5)包括径向相对地设置在所述测量管(7)外周上的两个电极组，其中一个电极组为发射极，另一个电极组为接收极，并且所述测量浓度(K)的步骤是利用固体物料对电磁波产生的衰减效应实现的。
全文摘要
本发明提供了一种用于测量气固混合相流的质量流量的流量计。所述流量计包括测量管(7)、浓度传感器(5)、速度传感器(6)和信号处理单元(2)，测量管(7)在测量时被安装在传输待测流的管道(8)中，其特征在于所述浓度传感器(5)和速度传感器(6)被安装在测量管(7)上。本发明还涉及使用所述流量计进行流量测量的方法，该方法包括预先获得测量管(7)内孔的横截面面积(A)；通过浓度传感器(5)获得测量管(7)中的所述流的浓度(K)；通过速度传感器(6)获得测量管(7)中的所述流的速度(V)；由信号处理单元(2)计算所述流的质量流量(Q)。
文档编号G01F1/86GK102478416SQ20101056595
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者姚巍, 姜从斌, 孙瑞刚, 杨立峰 申请人:Swr测量技术(北京)有限公司, 孙瑞刚, 航天长征化学工程股份有限公司