专利摘要

本发明公开了一种测量气力输送管道中固相浓度的方法，包括如下步骤：S1、在测量管段内安装发射天线和接收天线；S2、通过发射天线，微波在测量管段构成的圆波导内传播，微波信号受到气固两相流动介质散射能量的物理调制后，携带散射能量信息的微波信号经接收天线接收，经检波器得到散射能量的功率信号；S3、根据所述功率信号计算气固两相流中固相的浓度。本发明可以精确的得到工艺过程的固相浓度参数，有利于工业生产的自动控制，提高工业过程的经济性、安全性。可以推广应用于其他气固两相流动，固相浓度的测量。

权利要求

1.一种测量气力输送管道中固相浓度的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、在测量管段内安装发射天线和接收天线；

S2、通过发射天线，微波在测量管段构成的圆波导内传播，微波信号受到气固两相流动介质散射能量的物理调制后，携带散射能量信息的微波信号经接收天线接收，经检波器得到散射能量的功率信号；

S3、根据所述功率信号计算气固两相流中固相的浓度，具体的：

S31、计算检波后采集数据的平均值：

(1)

式中，xN为接收探头的接收信号经检波后的数据采集值；

S32、将原始采集数据减去平均值：

(2)

S33、功率计算：

(3)

式中，x’(n)为原始采集数据减去均值后的数据，x’zcount、x’fcount分别为序列x’(n)中的正数数据个数和负数数据个数，k为一个与具体接收电路相应的固定系数；

S34、浓度计算：

通过理论论证和实验，获得了散射信号功率值与浓度的关系数据，将获得数据进行拟合得到如下拟合公式：y=-5.328x3+18.457x2+6.8715x+1E-12；R2=1; 其中,x为功率值，单位dBm（分贝毫瓦），1E-12为科学计数，y为浓度乘以100，单位是kg/kg;

将上式中的power值乘以标定系数k1，k2，得到powervalue，然后将powervalue值代入散射信号功率值与浓度的关系式可以得到气固两相流中固相的浓度，其中，k1与管径相关，k2与探头间距相关。

说明书

技术领域

本发明涉及固相浓度检测领域，具体涉及一种测量气力输送管道中固相浓度的方法。

背景技术

气力输送广泛用于工业生产现场，特别是在火力发电厂内，煤粉通过一次风管道进入炉膛进行燃烧，由于管道布局、结构的差异，导致不同的管道中的煤粉浓度差异很大，给燃烧调整带来不便，使得燃烧的经济性变差，影响燃烧的效率和污染物的排放，甚至严重威胁到生产安全。一次风管道中固相浓度的精确检测非常重要，然而由于电力生产负荷的多变性以及两相流动的复杂性，目前尚无成熟、可靠的检测技术。

微波技术应用于气固两相流固相浓度的检测已经成为研究热点。微波检测系统中，预定频率的微波在测量管道传播，由于受到气固两相中固相的作用，微波信号会衰减和频移，微波的衰减和频移是混合物复介电常数的函数，而混合物复介电常数又是混合物的组分的函数，从而通过检测微波信号的衰减和频移可以得到气固两相中固相的浓度。

然而实际应用中，较小的浓度变化和毫秒级的响应时间，造成的复介电常数的变化非常小，其影响的衰减和频移也是非常小的，导致检测系统的灵敏度和实时性变差。基于微波的煤粉浓度检测方法

目前，基于微波的煤粉浓度检测方法主要有：

（1）自由空间衰减法：CN200710025018.7，电站锅炉煤粉浓度的微波测量系统，公布了一种方法：沿煤粉流动方向按一定角度对应倾斜布置微波发生器和微波接收器。微波在测量管内因为煤粉的存在而发生衰减。通过测量其衰减值即可反应煤粉的浓度。这种方法主要无法避免金属管壁对微波反射带来的影响，精度很低。

（2）自由空间反射法（法国EDITFLOW，德国MUTEC）：传感器向金属输料管道内固体颗粒发射低能量微波信号，通过微波的反射能量来测量物料的密度。这种方法只适合于浓相流动且管径≤200 mm的情况，主要适用于煤化企业。电厂一次风管道一般600 mm左右且稀相(一般混合物浓度<0.5 kg/ kg)，实际中无法保证精度。

（3）波导法：CN201510745882.9，煤粉浓度微波测量参数的整定方法，公布了一种方法：把一次风管作为波导，通过微波传输参数的变化检测两相流介电特性的变化，进而得到煤粉浓度。这种方法因为测量管道上、下游煤粉粒子的散射和反射以及煤质、水分变化带来的测量误差，精度略低，约为10-15%左右，达不到5%的规程要求。

（4）谐振腔法：其基本原理是当被测介质放入谐振腔时，谐振频率和品质因素发生变化，从而建立了介质密度和介电特性与谐振频率和品质因素的关系。在谐振腔中，电磁波只存在全反射的情况，其他干扰极少，传输损耗也非常小，应用现场环境下容易实现密度和介电特性的高精度测量，明显优于现有的所有检测方法,但实际应用中谐振腔的构建困难、实现成本很高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种测量气力输送管道中固相浓度的方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种测量气力输送管道中固相浓度的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、在测量管段内安装发射天线和接收天线；

S2、通过发射天线，微波在测量管段构成的圆波导内传播，微波信号受到气固两相流动介质散射能量的物理调制后，携带散射能量信息的微波信号经接收天线接收，经检波器得到散射能量的功率信号；

S3、根据所述功率信号计算气固两相流中固相的浓度：

S31、计算检波后采集数据的平均值：

(1)

式中，x为接收探头的接收信号经检波后的数据采集值

S32、将原始采集数据减去平均值：

(2)

S33、功率计算：

(3)

式中，x^’(n)为原始采集数据减去均值后的数据，x^’_zcount、x^’_fcount分别为序列x^’(n)中的正数数据个数和负数数据个数，k为一个与具体接收电路相应的系数；

S34、浓度计算：

通过理论论证和实验，获得了散射信号功率值与浓度的关系数据，将获得数据进行拟合得到如下拟合公式：y=-5.328x³+18.457x²+6.8715x+1E-12；R²=1; 其中,X为功率值，单位dBm（分贝毫瓦），1E-12是十的负十二次方的意思（科学计数），y为浓度乘以100，单位是kg/kg;

将上式中的power值乘以标定系数k1(与管径相关)，k2(与探头间距相关)，得到powervalue，然后将powervalue值代入散射信号功率值与浓度的关系式可以得到气固两相流中固相的浓度。

本发明具有以下有益效果：

本发明更适合于稀相气固两相流的固相浓度测量，并保证精度。在稀相环境下，调制于基波上的信号以散射能量为主，直接与固相粒子的数目（也即固相浓度）存在确定的关系式。相比于自由空间衰减法，杜绝了管壁反射带来的强烈干扰；而波导衰减法对煤质和水份过于敏感，也带来了相当大的测量误差。相比于谐振腔法，本发明的安装更加简单实用，现场实施比较容易，实现成本相对较低。

本发明可以精确的得到工艺过程的固相浓度参数，有利于工业生产的自动控制，提高工业过程的经济性、安全性。可以推广应用于其他气固两相流动，固相浓度的测量。

附图说明

图1为本发明实施例中发射天线和接收天线的安装示意图。

图2为本发明的工作原理示意图。

图3为本发明实施例中步骤S3的流程图。

图4为本发明实施例中散射信号功率值与浓度的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

火电厂一次风管道中的风粉混合物浓度<0.5 kg/ kg，煤粉颗粒粒径介于90~200um，属于典型的稀相流动。微波信号在测量管段构成的圆波导内传播，由于风粉混合物的存在，微波遇到悬浮在气流中的煤粉粒子时，会发生散射现象，入射的微波使煤粉粒子极化，做强迫的多极振荡发出散射波。粒子散射能力与入射微波频率、粒子的大小、形状以及粒子的电学特性相关。当入射频率确定后，粒子的散射情况主要取决于粒子的直径和入射频率（波长）的相对大小，可以分为瑞利散射（d<<λ）和米散射（d≈λ）。根据波导理论，波导管存在一个截止频率，所以本发明以略高于被测量传播介质截止频率的微波，通过在测量管段1内安装发射天线2和接收天线3（如图1所示），使得微波在测量管段构成的圆波导内传播，微波信号受到气固两相流动介质散射能量的物理调制，从而使得接收天线检测到的微波信号中含有固相浓度的信息，上述含有固相浓度的信息的微波信号经检波器检波得到表征固相浓度的功率信号。根据该功率信号即可获取到气固两相流中固相的浓度， 具体的，如图3所示，包括如下步骤：

S31、计算检波后采集数据的平均值：

(1)

式中，x为接收探头的接收信号经检波后的数据采集值

S32、将原始采集数据减去平均值：

(2)

S33、功率计算：

(3)

式中，x^’(n)为原始采集数据减去均值后的数据，x^’_zcount、x^’_fcount分别为序列x^’(n)中的正数数据个数和负数数据个数，k为一个与具体接收电路相应的系数；

S34、浓度计算：

通过理论论证和实验，获得了散射信号功率值与浓度的关系数据，如图4所示，将获得数据进行拟合得到如下拟合公式：

y=-5.328x³+18.457x²+6.8715x+1E-12；R²=1; 其中,X为功率值，单位dBm（分贝毫瓦），1E-12是科学计数，y为浓度乘以100，单位是kg/kg; 图中，横坐标变量为dBm表示的功率值，纵坐标变量为浓度乘以100。

将上式中的power值乘以标定系数k1(与管径相关)，k2(与探头间距相关)，得到powervalue，然后将powervalue值代入散射信号功率值与浓度的关系式可以得到气固两相流中固相的浓度。

实施例

为确保整个系统的正常运行，需要确定一些系统参数,如表1：

表1系统参数

本次实验安装一个接收探头，但并不局限于此，可安装多个接收探头来提高测量精度，以及探头的安装距离、安装角度均为本次实验的一个实例。

本实施例采集一万点数据，即保证测量精度，又避免数据过多造成计算时间过长，下表给出部分接收探头信号再经检波后数据的采集值。

表2 采集数据

上表中M代表省略部分

浓度计算：

（1）数据平均值：

上式计算结果保留整数部分。

（2）数据减均值处理：

（3）计算功率值：

上式中k取值2000，并把计算的结果保留整数。

（4）将上式中的power值再乘以标定系数k1，k2。

式中k1取值0.3，k2取值0.002154544。

（5）将powervalue值代入浓度噪声信号功率值与浓度的关系式：

y=-5.328x³+18.457x²+6.8715x+1E-12；R²=1; 其中,X为功率值，单位dBm（分贝毫瓦），1E-12是科学计数，y为浓度乘以100，单位是kg/kg;

将所得powervalue值代入拟合公式，计算出的结果为22.21，即0.2221kg/kg。其中，本实施例中浓度的定义为：煤粉质量/（煤粉质量+空气质量）。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

一种测量气力输送管道中固相浓度的方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。