专利名称：含尘气流流量和浓度的在线监测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于测量领域，具体涉及一种含尘气流流量和浓度的在线监测方法及装置。
我国曾在80年代对气固两相流的测试技术作了全面的研究，包括气力法、温度法、电容法、激光法、超声波法、摩擦电极法、柯氏质量流量计等等。也有研究者曾进行过利用激光测速仪测量气固两相流的探索，但适应的固体浓度极小，不适于较高粉尘浓度(如电站锅炉制粉系统中，浓度在0.4-0.6kg/kg)应用的要求；研究者曾对气力法作过改进，利用单节流元件来测量气固两相流流量，发表过论文，此法在理论上可行的，但由于它对被测量管道系统较大幅度地额外增加阻力，难于投入实际应用。也曾作过利用微波、射线、电磁场等进行含尘气体浓度和速度测量的尝试，但都无最终应用于工业实践的结果。
本发明的目的在于提供一种能准确、可靠的测量含尘气流的流量、浓度，并在线监测含尘气流流量和浓度的方法及装置。
实现该方法的步骤如下1)在纯气体状态下，采用常规标准测风元件——皮托管根据等截面法测量管道内的气流平均动压Δpd，同时用探针测量管道内控制点的差压Δp0，对探针1进行标定，得到探针的流量标定系数kkb为kkb=ΔPdΔP0]]>2)在纯气体状态下，测量被测管段的各段管道的阻力，根据管道阻力特性公式计算得到被测管段的摩擦阻力系数λ0和管段内节流元件和弯头的局部阻力系数ξ0；3)根据管道特性选取含粉状态下摩擦阻力修正系数kλ和局部阻力修正系数kξ，由下式计算得到管道阻力的浓度修正系数kk=kλλ0LD+ξ0kξλ0LD+ξ0]]>
4)探针的流量标定系数kkb、管道阻力的浓度修正系数k均预置在计算机6的测量计算程序中，将测量探针1插入带粉尘的管道中，迎向气流的一支测量气流的全压，背向气流的一支测量气流的背压，得到输出差压Δp1和两个静压测点2输出的管道阻力差压Δp2，并由静压测点2-2得到管道内的静压ps，通过测点3得到管道内的温度t；5)通过选取大气压力pa，根据测量得到的静压ps和温度t由气流密度公式计算得到管道内的气流密度ρ为ρ=1.293×273273+t×pa+ps101325---kg/m3]]>6)通过探针差压Δp1，由探针差压公式ΔP1=12kkb2ρw2(1+kμ×μ)]]>计算出浓度为0时的风速w1，其中kμ为探针差压浓度修正系数w1=kkb2Δp1ρ(1+kμ×μ)]]>7)根据管道的阻力特性由管道阻力特性公式计算出浓度为0时的步骤6得出的风速下纯气体状态时的管道阻力差压ΔP20，ΔP20=12ρw2(λ0LD+ξ0)]]>则阻力比R=ΔP2/ΔP20，通过公式R=1+kμ计算得到浓度μ1μ1=R-1k]]>8)将求出的浓度值μ1，代入探针差压式ΔP1=12]]>kkbρw2(1+kμ×μ)，求出该浓度下的气流速度w2，使用本步骤得到的风速w2重复进行上述计算，得到了第二次计算的浓度值μ2，将得到的速度w2、浓度值μ2与上次的计算速度w1、浓度值μ1比较，如果误差小于0.5％，计算机认为已经得到了准确的气流速度和粉尘浓度，否则重复步骤7、8直至两次计算出的速度、浓度误差小于O.5％9)通过计算机6内的在线监测程序实时显示测量结果，并可通过该程序查询历史记录。
一种根据上述方法而设计的装置，包括探针1、静压探测装置2、温度探测仪3、差压变送器、数据采集板5、计算机6，其特征在于用来测量含尘气流动压差的防堵探针1与差压变送器4-1连接，在管道上相隔一段距离布置的2个静压测点2-1、2-2与差压变送器4-2连接，在静压测点2-2上取静压信号与差压变送器4-3连接，能将探针动压差和静压差转换为电流信号的差压变送器4-1、4-2、4-3与数据采集板5电连接，数据采集板5的输出通过数据总线与计算机6连接。
所述的防堵探针1包括探针支管7、缓冲容器8、高压清洁气体管道11、传压管12，其特征在于两个探针支管7组成动压探头，伸向含尘气流管道内的端部制作成楔形，一支探针支管迎向含尘气流，另一支背向气流，两个探针支管7的尾部与缓冲箱8连通，在两个探针支管7伸向含尘气流的端部分别开有静压取压孔13，通过传压管12分别与差压变送器(4-1)连接。所述的高压清洁气体经高压清洁气体管道11进入缓冲容器内，再经过探针支管喷入含尘气流中。
所述的静压探测装置2，包括一个缓冲容器14，缓冲容器14内有一振动丝15，所述的振动丝15伸出缓冲容器14进入管道壁面上的静压孔16，在缓冲容器14的顶端开有与传压管16、吹扫管17、强制吹扫管18连通的孔19、20、21。
所述的振动丝15一端通过连接器22固定在缓冲容器14的顶端，另一端伸出缓冲容器下端的锥形口23进入管道壁面上的静压孔16，在锥形口23内壁面上有一确定振动丝15方向的导向块24，所述的振动丝15具有一弹性段25。
所述的与吹扫管17连通的孔26为微型孔，静压孔16与微型孔26的直径之比为15～25。吹扫管17接在高压清洁气体管28和微型孔26之间，截止阀9接在强制吹扫管18和高压清洁气体管28之间。传压管16上装有限压阀27，限压阀(27)的出口与差压变送器(4-2、4-3)连接。
本发明具有以下优点测量含尘气流的流量、浓度，必须保证测量的准确性、可靠性。根据本发明设计的监测系统适用于含尘气流的流量、浓度在线监测，采用了能够可靠地防止堵塞的探针、静压测点，同时这些防堵手段又不影响测量精度；探针采用耐磨材料制作，可以保证长时间工作在含尘气流中；所测量的差压信号与气流流量、粉尘浓度的关系稳定，且与采用的高压清洁气体压力、粉尘的成分等因素无关，测量精度高；由于没有节流元件，对被测量管道系统不增加阻力；本装置还具有设备简单，运行可靠性高，维护方便等特点。适用范围广，可用于各种输送粉尘的管道系统；测量设备简单，可大幅度降低实际应用中的投资；运行可靠性高，没有转动、活动部件，不易损坏；不增加额外的管道阻力；不受粉尘成分变化的影响；测量精度较高，风量精度可达1％，浓度精度可达5％以内。
本发明的实施例参见下列各图
图1为测量系统的原理2为测量装置的框3为防堵探针原理4为静压探测装置原理图本发明的原理是可以防止粉尘堵塞和磨损的探针，其输出差压与气流速度、粉尘浓度有固定的关系，同样某一段管道的阻力也与气流速度和粉尘浓度有关，通过现场或试验台标定和数学模型建立起气流速度、粉尘浓度与这些压差信号之间的关系，从而成为测量气流流量和粉尘浓度的手段。
本发明提出了一种测量装置如图1、2所示，主要包括以下部分一支用来测量含尘气流的动压差的防堵探针1，它采用耐磨材料制造，保证探针在含尘气流中不易磨损，通过采用清洁空气吹扫避免了探针堵塞，防堵探针的输出的是差压信号，通过传压管连接至一台差压变送器4-1，该差压与气流的速度和浓度有关。
两个静压测点2，在被测管道上相距一定距离布置，用来测量该段管道的阻力和管道内静压，采用的静压测点经过特殊设计，可以防止堵塞；两个静压测量装置输出的静压形成一个差压，该差压即是被测量管段的阻力，通过传压管连接到一台差压变送器上。其中一个静压测量装置的静压送入另一台差压变送器。两个静压测量装置输出的差压与管道的阻力特性以及管道内的气流速度、浓度有关。该静压探测装置2采取了清洁气体吹扫和振动的方法，防止了静压探测装置堵塞。
三台差压变送器4，将探针动压差和管道阻力以及管道内静压转换为电流信号送至数据采集板5；一支用来测量管道内温度的热电偶3，热电偶测量得到的电压信号也送至数据采集板5；数据采集板与差压变送器及热电偶之间为电连接，将防堵探针动压、管道阻力、管道内气流温度、管道内气流静压等数据转换为数字信号并通过信号电缆送往计算机；计算机(6)，利用探针测量得到的气流动压、静压测点测量到的管道阻力与含尘气流的流量、浓度之间的关系，对所有测量数据进行计算，得到气流的流量、浓度，并具有实时显示结果，查询历史记录，流量累计等多种功能，也可根据需要随时增加新的功能。
在本实施例中，所述的探针1是一种防堵耐磨探针，如附图3所示，所述的装置包括探针支管7、差压变送器4-1、两个探针支管1并在一起组成动压探头，伸向含尘气流管道内的端部制作成楔形，一支探针支管迎向含尘气流，另一支背向气流，两个探针支管1的尾部伸向缓冲箱内与缓冲箱8连通，在两个探针支管1申向含尘气流的端部分别开有静压取压孔13，通过传压管12分别与差压变送器4-1连接。
本防堵耐磨探针的原理是采用与被测气流动压相关的高压清洁气体的静压差代替传统探针的动压，从而避免了传统探针测量含尘气流时容易堵塞的缺点，该方法称之为差压替代法。
提出了一种采用差压替代法设计的用于含尘气流流量测量的探针，很好地解决了传压管堵塞、信号失真的问题，主要包括以下部分两支探针支管1，其几何条件完全相同，进出口阻力系数、摩擦阻力系数相等，探针的两个支管组成动压探头，迎向气流的一支测量气流的全压，背向气流的一支测量气流的背压；探针尾部设有缓冲箱，压力远高于被测管道内气流全压的高压清洁气体经过高压清洁气体管进入缓冲箱内，再以相同的压力进入探针的两个支管，经过探针支管连续喷入含尘气流中；在探针两个支管的头部分别设有静压取压孔13，来感应此处高压清洁气体的静压，采用传压管12将静压取压孔的差压引至差压变送器13，该差压与被测含尘气流在当地的动压相关，经过标定后由该差压即可计算出含尘气流流量；静压测点2是一种具有多种防堵措施的静压测量装置，如图4所示。在管道壁面上开有静压孔16，在静压孔外装有缓冲容器14；缓冲容器14内布置有一振动丝15，该振动丝15一端通过连接器22固定在缓冲容器14的顶端，另一端伸出缓冲容器下端的锥形口23进入管道壁面上的静压孔16，其作用是靠管道本身的振动将粘积在静压孔16附近的粉尘撞落，万一由于高压清洁气体管路故障停运而造成缓冲容器14内大量积粉时可以将振动丝15卸除进行处理，为了便于振动丝15的安装及其定位，在缓冲容器14下部装有导向块24；在缓冲容器14的顶部有微型孔20、通孔19、21，传压管30与通孔19相通，传压管30中间装有限压阀27，防止静压孔16堵塞时缓冲容器14内的压力过大而损坏后面连接的压力变送器或压力表；强制吹扫管18两端分别与高压清洁气体管28和缓冲容器14上的通孔21相通，中间装有截止阀29，正常运行时，该阀门关闭，在需要吹扫时将其打开对缓冲容器14内进行吹扫；吹扫管17的一端与缓冲容器14上微型孔20连通，另一端与高压清洁气体管28相连接，少量的高压清洁气体可以通过微型孔20进入缓冲容器14内；高压清洁气体管28上装有过滤器26，将高压清洁气体内的杂质(油、水、固体颗粒等)滤除，以免堵塞微型孔20。
一般的静压测量装置没有设置吹扫管17，由于缓冲容器14通过静压孔16与管道内部相连，因此缓冲容器14内的压力等于管道内的静压，传压管30所引出的压力信号也等于管道内的静压。在本装置中，压力远高于管道内静压的高压清洁气体通过微型孔20进入缓冲容器14内，但由于微型孔20的直径很小，阻力很大，因此进入缓冲容器的高压清洁气体量并不大，这些高压清洁气体经过相对较大的静压孔16进入管道内。由于这少量高压清洁气体的流动，使得粉尘难以进入静压孔内，静压孔处不易积粉；当静压孔处万一有积粉时，首先振动丝的撞击可以将其撞落，或者由于积粉造成静压孔直径减小，阻力增大，缓冲容器内的压力升高，将积粉压出静压孔。这样就保证了静压孔不会堵塞。
热电偶3、差压变送器4、数据采集板5、计算机6为市售产品，热电偶采用K型凯装热电偶，差压变送器为Setra C264型，数据采集板为IMP 1C型，计算机为IBM兼容工控机。
本方法的工作过程如下采用探针动压和管道阻力配合的法，根据标定和理论计算得到的探针动压和管道阻力与气流速度和粉尘浓度的关系，求出流量和浓度。
探针和测量管道阻力用的静压测点均有防堵措施，防止在含尘气流中堵塞取压孔，造成测量失败；作为防磨措施，探针用耐磨材料制作，避免探针磨损造成过大的测量误差或探针磨坏无法进行正常测量。
根据常规的计算方法，测量到的探针差压、管道阻力与气流速度和粉尘浓度的关系为ΔP1=12kkb2ρw2(1+kμ×μ)---(1)]]>ΔP2=12ρw2(λμLD+ξμ)---(2)]]>其中kkb为探针标定系数，由标定试验得出。标定方法为采用标准测风元件——皮托管根据等截面法测量管道内的气流平均动压Δpd，同时用探针测量管道内控制点的差压Δp0，计算得到流量标定系数kkb=ΔpdΔp0]]>kμ为探针浓度修正系数；ρ当地气流密度，kg/m3，可以由大气压力pa(Pa)、静压ps(Pa)和温度t(℃)计算得出ρ=1.293×273273+t×pa+ps101325---kg/m3]]>w为气流速度，m/s；μ为粉尘浓度，kg/kg；λμ为带粉时的摩擦阻力系数λμ=λ0(1+kλ×μ)(4)kλ为摩擦阻力浓度修正系数；λ0为纯空气时的摩擦阻力系数；L为测量段长度，m；D为测量管道直径，m；ξμ为带粉时的局部阻力系数ξμ=ξ0(1+kξ×μ)(5)kξ为局部阻力浓度修正系数；ξ0为纯空气时的局部阻力系数。ΔP2=12ρw2(λμLD+ξμ)=12ρw2[λ0LD(1+kλ×μ)+ξ0(1+kξ×μ)]]]>=12ρw2[(λ0Ld+ξ0)+(kλλ0LD+ξ0×kξ)×μ]---(6)]]>与纯空气下的管道阻力相比ΔP2ΔP20=12ρw2[(λ0LD+ξ0)+(kλλ0LD+ξ0×kξ)×μ]12ρw2(λ0LD+ξ0)=1+kλλ0LD+ξ0kξλ0LD+ξ0×μ---(7)]]>式(6)中，浓度μ的系数仅与测量管道的结构有关，将该系数定义为管道阻力的浓度修正系数k，带粉状态下的管道阻力与纯空气下相同速度时管道阻力之比定义为阻力比R，则R=1+kμ(8)其中R=ΔP2ΔP20---(9)]]>k=kλλ0LD+ξ0kξλ0LD+ξ0---(10)]]>在以上计算公式中，对于特定的管道和测量点，可以认为除了速度和浓度以外，其它参数均为已知数，测量得到两个差压后，可以将速度和浓度求出。求解过程可以采用叠代法进行，首先根据探针差压由公式1求出初始浓度下的气流速度w1，根据管道的阻力特性计算得到纯气体状态时该速度下测量管段的阻力Δp20,]]>得到阻力比R=Δp2/Δp20,]]>可以根据公式8得出浓度μ1，再将μ1作为初始浓度重复上述过程，直到相邻两次计算求出的速度、浓度值的偏差足够小，即认为得到了准确的速度、浓度值。
权利要求
1．一种含尘气流流量和浓度的在线监测方法，其步骤如下1)在纯气体状态下，采用常规标准测风元件一一皮托管根据等截面法测量管道内的气流平均动压△pd，同时用探针测量管道内控制点的差压△p0，对探针(1)进行标定，得到探针的流量标定系数kkb为kkb=ΔPdΔP0]]>2)在纯气体状态下，测量被测管段的各段管道的阻力，根据管道阻力特性公式计算得到被测管段的摩擦阻力系数λ0和管段内节流元件和弯头的局部阻力系数ξ0；3)根据管道特性选取含粉状态下摩擦阻力修正系数kλ和局部阻力修正系数kξ，由下式计算得到管道阻力的浓度修正系数kk=kλλ0LD+ξ0kξλ0LD+ξ0]]>4)探针的流量标定系数kkb、管道阻力的浓度修正系数k均预置在计算机(6)的测量计算程序中，将测量探针(1)插入带粉尘的管道中，迎向气流的一支测量气流的全压，背向气流的一支测量气流的背压，得到输出差压△p1和两个静压测点(2)输出的管道阻力差压△p2，并由静压测点(2-2)得到管道内的静压ps，通过测点(3)得到管道内的温度f；5)通过选取大气压力Pa，根据测量得到的静压Ps和温度t由气流密度公式计算得到管道内的气流密度p为ρ=1.293×273273+t×Pa+Ps101325---kg/m3]]>6)通过探针差压△p1由探针差压公式ΔP1=12kkb2ρw2(1+kμ×μ)]]>计算出浓度为0时的风速w1，其中kμ为探针差压浓度修正系数w1=kkb2Δp1ρ(1+kμ×μ)]]>7)根据管道的阻力特性由管道阻力特性公式计算出浓度为0时，在风速为w1的情况下纯气体状态时的管道阻力差压ΔP20]]>为ΔP20=12ρw2(λ0LD+ξ0)]]>则阻力比R=ΔP2/ΔP20,]]>通过公式R=1+kμ计算得到浓度μ1为μ1=R-1k]]>8)将求出的浓度值μ1代入探针差压式ΔP1=12kkbρw2(1+kμ×μ),]]>求出该浓度下的气流速度w2，使用本步骤得到的风速w2重复进行上述计算，得到了第二次计算的浓度值μ2，将得到的速度w2、浓度值μ2与上次的计算速度w1、浓度值μ1比较，如果误差小于0.5％，计算机认为已经得到了准确的气流速度和粉尘浓度，否则重复步骤7、8直至两次计算出的速度、浓度误差小于0.5％；9)通过计算机(6)内的在线监测程序实时显示测量结果，并可通过该程序查询历史记录。
2．一种根据上述方法而设计的装置，包括探针(1)、静压探测装置(2)、温度探测仪(3)、差压变送器、数据采集板(5)、计算机(6)，其特征在于用来测量含尘气流动压差的防堵探针(1)与差压变送器(4-1)连接，在管道上相隔一段距离布置的2个静压测点(2-1、2-2)与差压变送器(4-2)连接，在静压测点(2-2)上取静压信号与差压变送器(4-3)连接，能将探针动压差和静压差转换为电流信号的差压变送器(4-1、4-2、4-3)与数据采集板(5)电连接，数据采集板(5)的输出通过数据总线与计算机(6)连接。
3．根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的防堵探针(1)包括探针支管(7)、缓冲容器(8)、高压清洁气体管道(11)、传压管(12)，两个探针支管(7)组成动压探头，伸向含尘气流管道内的端部制作成楔形，一支探针支管迎向含尘气流，另一支背向气流，两个探针支管(7)的尾部与缓冲箱(8)连通，在两个探针支管(7)伸向含尘气流的端部分别开有静压取压孔(13)，通过传压管(12)分别与差压变送器(9)连接。
4．根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述的高压清洁气体经高压清洁气体管道(11)进入缓冲容器内，再经过探针支管喷入含尘气流中。
5．根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的静压探测装置(2)，包括一个缓冲容器(14)，缓冲容器(14)内有一振动丝(15)，所述的振动丝(15)伸出缓冲容器(14)进入管道壁面上的静压孔(16)，在缓冲容器(14)的顶端开有与传压管(30)、吹扫管(17)、强制吹扫管(18)连通的孔(19、20、21)。
6．根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述的振动丝(15)一端通过连接器(22)固定在缓冲容器(14)的顶端，另一端伸出缓冲容器下端的锥形口(23)进入管道壁面上的静压孔(16)，在锥形口(23)内壁面上有一确定振动丝(15)方向的导向块(24)，所述的振动丝(15)具有一弹性段(25)。
7．根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述的与吹扫管(17)连通的孔(20)为微型孔，静压孔(16)与微型孔(20)的直径之比为15～25。
8．根据权利要求5所述的装置，其特征在于传压管(30)上装有限压阀(27)，限压阀(27)的出口与差压变送器(4-2、4-3)连接。
9．根据权利要求5所述的装置，其特征在于吹扫管(17)接在高压清洁气体管(28)和微型孔(20)之间，截止阀(29)接在强制吹扫管(18)和高压清洁气体管(28)之间，高压清洁气体管道上装有过滤器(26)。
全文摘要
一种含尘气流流量和浓度的在线监测方法及装置,通过标定和理论计算,采用探针动压和管道阻力配合计算出含尘气流的流量和浓度,探针具有防堵和防磨措施,测量管道阻力的静压测量装置也具有防堵措施,保证测量的准确可靠。本方法具有适用范围广,测量设备简单运行可靠性高,没有转动、活动部件、不易损坏,不增加额外的管道阻力,不受粉尘成分变化的影响,测量精度较高等优点。
文档编号G01F1/34GK1303017SQ0110419
公开日2001年7月11日 申请日期2001年2月26日 优先权日2001年2月26日
发明者王月明, 晋中华, 蒋敏华 申请人:电站锅炉煤清洁燃烧国家工程研究中心