專利名稱：氣固混合相流的流量計(jì)及流量測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到煤化工領(lǐng)域中氣固混合相流(例如粉煤)的質(zhì)量流量計(jì)及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
目前，煤化工粉煤流量計(jì)量通常采用的方法是用核輻射式裝置測(cè)量粉煤的濃度， 以及獨(dú)立安裝的速度檢測(cè)儀表測(cè)量粉煤的流速。在核輻射式濃度測(cè)量設(shè)備中，需要使用鈷或者銫作為輻射源，存在有核泄漏的危險(xiǎn)以及核廢料處理問題。由于其測(cè)得的濃度值包含了輸送氣體的密度，并且壓力和溫度的變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致氣體密度發(fā)生變化，從而影響到煤粉濃度的測(cè)量精度。速度檢測(cè)儀表由于內(nèi)襯材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素，無法克服由于高壓力所造成的測(cè)量元件的變形以及磨損問題，其通常的最高工作壓力僅為4MPa到5MPa，尚無法達(dá)到 IOMPa0另外其各測(cè)量裝置是分體安裝的，從而導(dǎo)致測(cè)得的速度和濃度間產(chǎn)生時(shí)間上的不同步，進(jìn)而使測(cè)量結(jié)果進(jìn)一步產(chǎn)生偏差。上述測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度偏差一般都在5%以上，如果考慮到溫度和壓力波動(dòng)的影響，精度會(huì)更低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是在于克服上述的問題，從多個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)在高壓下對(duì)氣固混合相流(例如粉煤)的流量進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的精確測(cè)量。本發(fā)明的上述目的是通過提供一種用于測(cè)量氣固混合相流的質(zhì)量流量的流量計(jì)實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明所涉及的用于測(cè)量氣固混合相流的質(zhì)量流量的流量計(jì)包括測(cè)量管、濃度傳感器、速度傳感器和信號(hào)處理單元，所述測(cè)量管在測(cè)量時(shí)被安裝在傳輸待測(cè)流的管道中。所述濃度傳感器和速度傳感器被安裝在測(cè)量管上。優(yōu)選地，所述流量計(jì)還包括被安裝在測(cè)量管上的溫度傳感器。優(yōu)選地，所述測(cè)量管包括內(nèi)管、設(shè)置在所述內(nèi)管徑向外側(cè)的外管和用于將所述內(nèi)管和外管與所述管道連接起來的法蘭套管。所述溫度傳感器、濃度傳感器和速度傳感器被設(shè)置在所述內(nèi)管和外管之間。優(yōu)選地，所述流量計(jì)還包括設(shè)置在所述外管和信號(hào)處理單元之間的散熱隔熱部件。優(yōu)選地，所述內(nèi)管由耐磨陶瓷制成。優(yōu)選地，所述內(nèi)管與所述法蘭套管之間設(shè)置密封結(jié)構(gòu)，該密封結(jié)構(gòu)包括錐面密封、 徑向密封元件和軸向密封元件。優(yōu)選地，所述速度傳感器包括設(shè)置所述內(nèi)管外側(cè)并且彼此軸向相間隔的兩個(gè)測(cè)量環(huán)。優(yōu)選地，所述濃度傳感器包括徑向相對(duì)地設(shè)置在所述內(nèi)管外周上的兩個(gè)電極組， 其中一個(gè)電極組為發(fā)射極，另一個(gè)電極組為接收極。
本發(fā)明還涉及用流量計(jì)測(cè)量氣固混合相流的質(zhì)量流量的方法，包括預(yù)先獲得測(cè)量管內(nèi)孔的橫截面面積(A)；通過濃度傳感器獲得測(cè)量管中的所述流的濃度(K)；通過速度傳感器獲得測(cè)量管中的所述流的速度(V)；由信號(hào)處理單元計(jì)算所述流的質(zhì)量流量(Q)。優(yōu)選地，所述測(cè)量管上設(shè)置溫度傳感器以獲得所述流的溫度，并在所述信號(hào)處理單元中使用所述溫度(T)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。優(yōu)選地，在所述測(cè)量管和信號(hào)處理單元設(shè)有散熱隔熱部件，并根據(jù)所述溫度(T)計(jì)算所述散熱隔熱部件的隔熱長度。優(yōu)選地，所述測(cè)量管包括內(nèi)管、設(shè)置在所述內(nèi)管徑向外側(cè)的外管和用于將所述內(nèi)管和外管與所述管道連接起來的法蘭套管，其中所述溫度傳感器、濃度傳感器和速度傳感器被設(shè)置在所述內(nèi)管和外管之間。優(yōu)選地，所述速度傳感器包括設(shè)置所述測(cè)量管上的彼此軸向相間隔的兩個(gè)測(cè)量環(huán)，并且測(cè)量速度(V)的步驟是利用相關(guān)法原理測(cè)得的。優(yōu)選地，所述濃度傳感器包括徑向相對(duì)地設(shè)置在所述測(cè)量管外周上的兩個(gè)電極組，其中一個(gè)電極組為發(fā)射極，另一個(gè)電極組為接收極，并且所述測(cè)量濃度(K)的步驟是利用固體物料對(duì)電磁波產(chǎn)生的衰減效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明采用了速度、濃度、溫度設(shè)計(jì)的一體化設(shè)計(jì)，克服了分體安裝方案所引起的測(cè)量速度和濃度時(shí)間上的不同步，使得測(cè)量結(jié)果更加具有實(shí)時(shí)性，從而提高了測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性和可靠性；同時(shí)一體化結(jié)構(gòu)節(jié)省了安裝空間，為測(cè)量儀表的安裝、維護(hù)、標(biāo)定帶來極大的方便。本發(fā)明填補(bǔ)了工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量領(lǐng)域中高壓氣固兩相流質(zhì)量流量測(cè)量的空白。附圖簡述


圖1是本申請(qǐng)的高壓粉煤流量計(jì)的一個(gè)實(shí)施例沿軸向方向的剖視圖； 圖2是所述流量計(jì)的隔熱部件的剖視圖； 圖3是所述流量計(jì)的密封結(jié)構(gòu)的示意圖。附圖標(biāo)記列表
1、散熱隔熱部件；2、信號(hào)處理單元；3、溫度傳感器；4、密封部件；41、徑向密封元件；42、軸向密封元件；5、濃度傳感器；6、速度傳感器；7、測(cè)量管；71、內(nèi)管；72、外管； 73、法蘭套管；11、散熱部分；12、隔熱部分。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的高壓煤粉流量計(jì)的實(shí)施例及其工作原理進(jìn)行詳細(xì)的描述。圖1描繪了本發(fā)明的高壓粉煤流量計(jì)的一個(gè)實(shí)施例沿軸向方向的剖視圖。在該實(shí)施例中，本發(fā)明的流量計(jì)包括散熱隔熱部件1、信號(hào)處理單元2、溫度傳感器3、密封部件4、 濃度傳感器5、速度傳感器6、和測(cè)量管7。其中，測(cè)量管7是供待測(cè)量的粉末流體通過的管道，溫度傳感器3、濃度傳感器5和速度傳感器6分別用于檢測(cè)從測(cè)量管內(nèi)氣固兩相流介質(zhì)的平均溫度、流速(V)和濃度(K)。測(cè)量管7內(nèi)孔的橫截面積(A)可預(yù)先通過設(shè)計(jì)參數(shù)獲得， 于是，可通過下面的公式在信號(hào)處理單元2中計(jì)算得到固體物料的質(zhì)量流量(Q)，即
質(zhì)量流量(Q)=濃度(K) X流速(V) X測(cè)量管橫截面積(A)
4CN 102478416 A 測(cè)量管7被安裝于傳輸待測(cè)流的管道上，并且優(yōu)選地被設(shè)計(jì)成與所述管道的內(nèi)徑相同。優(yōu)選地，測(cè)量管7包括三部分，供粉煤通過的內(nèi)管71、保護(hù)性的外管72和用于密封和固定的法蘭套管73，并且法蘭套管73還用于將所述內(nèi)管71和外管72連接到待測(cè)的管道上。上述溫度傳感器3、濃度傳感器5和速度傳感器6都被設(shè)置在所述內(nèi)管71和外管72 之間，從而向這些敏感元件提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。外管72通過螺栓等適當(dāng)方式固定到兩側(cè)的法蘭套管73上，信號(hào)處理單元2經(jīng)由散熱隔熱部件1安裝在所述外管72上。散熱隔熱部件1由兩部分構(gòu)成，如圖2所示，第一部分為圖中斜線表示的散熱部分 11，第二部分為圖中實(shí)黑色表示隔熱部分12。由于過高的介質(zhì)溫度會(huì)對(duì)信號(hào)處理單元產(chǎn)生不良影響(如溫度漂移等)，甚至損壞，因此針對(duì)被測(cè)介質(zhì)溫度為80 130°C的情況，本發(fā)明采用了該散熱隔熱部件1。散熱部分11用于將過高的介質(zhì)溫度散熱到周圍環(huán)境中，隔熱部分12用于將信號(hào)處理單元2與測(cè)量管7熱隔離。根據(jù)不同的工藝狀態(tài)，例如可以根據(jù)由溫度傳感器3測(cè)得的流介質(zhì)的溫度(T)估算出所需的散熱和隔熱長度(例如附圖2中示例性地示出了長度為500mm的散熱隔熱部件)，從而可更換適當(dāng)?shù)纳岣魺岵考?。使用散熱隔熱部件1能夠有效消除介質(zhì)溫度對(duì)信號(hào)處理單元的不良影響，避免管道的熱輻射和熱傳導(dǎo)，從而保證測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。在通常的運(yùn)行條件下，氣固兩相流的最高流速可高達(dá)20米/秒，將對(duì)測(cè)量管7造成非常大的磨損。由于測(cè)量的需要，現(xiàn)有技術(shù)中測(cè)量管材料一般選擇低介電常數(shù)、介電常數(shù)溫度特性穩(wěn)定的非金屬材料，例如聚甲醛、PTFE、增強(qiáng)玻璃纖維等，但是這些材料均不能很好解決磨損問題，同時(shí)PTFE等材料在高壓下的形變會(huì)帶來測(cè)量精度變差和加速磨損等問題。本發(fā)明經(jīng)過實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)使用耐磨陶瓷做為測(cè)量管可以極大提到耐磨性和使用壽命，并且對(duì)檢測(cè)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生不良影響。但是由于耐磨陶瓷本身的物理特性決定了其機(jī)械加工性能極差，為保證在10 MI^a介質(zhì)壓力下安全可靠的密封，本發(fā)明進(jìn)一步采取了圖3所示的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其將在下文中詳細(xì)說明。測(cè)量管7的內(nèi)管71的每一端與法蘭套管73之間都設(shè)有本發(fā)明的密封結(jié)構(gòu)，圖3示出了其中一個(gè)端部。內(nèi)管71與法蘭套管73通過徑向密封元件41和軸向密封元件42壓裝配合連接到一起。通過采用本發(fā)明的密封結(jié)構(gòu)，能夠使耐磨陶瓷測(cè)量管的端面與金屬管道可靠連接和密封，同時(shí)還消除了在環(huán)境溫度和被測(cè)介質(zhì)溫度變化(80 130°C)的情況下， 由于測(cè)量管熱形變而可能產(chǎn)生的應(yīng)力破壞。速度傳感器6包括安裝在測(cè)量管7的內(nèi)管外側(cè)的、相隔一定距離的兩個(gè)測(cè)量環(huán)。速度測(cè)量采用的是相關(guān)法原理，即當(dāng)固體物料流經(jīng)第一個(gè)測(cè)量環(huán)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與流場(chǎng)中固體物料分布相關(guān)聯(lián)的特定信號(hào)，同樣在流經(jīng)第二個(gè)測(cè)量環(huán)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與流場(chǎng)中固體物料分布相關(guān)聯(lián)的特定信號(hào)。由于兩個(gè)測(cè)量環(huán)間距離很短，可以理解為近似穩(wěn)定流，流場(chǎng)中固體物料的分布不會(huì)發(fā)生太大改變，于是兩個(gè)測(cè)量環(huán)會(huì)得到一對(duì)相似的、相位不同的信號(hào)。 因?yàn)閮蓚€(gè)測(cè)量環(huán)之間的距離是固定的，只要測(cè)得這對(duì)相似信號(hào)之間的時(shí)間延遲，就可以計(jì)算出固體物料速度(V)。其計(jì)算公式如下
固體物料速度(V)=兩個(gè)測(cè)量環(huán)間距(L) /信號(hào)延遲時(shí)間(T)。本發(fā)明還對(duì)濃度傳感器5包括安裝在測(cè)量管7的內(nèi)管71外側(cè)的上下兩個(gè)半圓柱形電極組。電極的內(nèi)表面貼合內(nèi)管71的外表面。本發(fā)明的濃度傳感器5通過利用固體物
5料對(duì)電磁波產(chǎn)生的衰減效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。其中上半圓柱為電磁波發(fā)射極，下半圓柱為電磁波接收極。通過發(fā)射極發(fā)射高頻電磁波，在測(cè)量管中形成一個(gè)均勻的高頻交變電磁場(chǎng)。當(dāng)固體物料通過這個(gè)均勻的高頻交變電磁場(chǎng)時(shí)，將使接收極所接收的信號(hào)發(fā)生改變，該變化與固體物料的濃度成正比。利用該規(guī)律，可以將接收極接收到的經(jīng)信號(hào)送至處理單元計(jì)算得到固體物料的濃度值(K)。 溫度傳感器3用于檢測(cè)測(cè)量管內(nèi)氣固兩相流介質(zhì)的平均溫度。由于介質(zhì)溫度的變化，會(huì)引起固體顆粒介電常數(shù)發(fā)生改變，從而造成測(cè)量結(jié)果的偏離。溫度傳感器3將檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)傳送到信號(hào)處理單元2，信號(hào)處理單元2利用所測(cè)得的介質(zhì)溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。通常，在介質(zhì)溫度80 130°C范圍變化的情況下，可將修正后的測(cè)量精度偏差控制在3%之內(nèi)。 本發(fā)明的上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的流量計(jì)的各部分都進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到，在實(shí)際使用中，流量計(jì)不能不會(huì)具有所有上述細(xì)節(jié)。因此，上述實(shí)施例僅僅是說明性的而非限定性的。本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)根據(jù)權(quán)利要求書加以確定。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量氣固混合相流的質(zhì)量流量的流量計(jì)，包括測(cè)量管(7)、濃度傳感器 (5)、速度傳感器(6)和信號(hào)處理單元(2)，測(cè)量管(7)在測(cè)量時(shí)被安裝在傳輸待測(cè)流的管道中，其特征在于所述濃度傳感器(5 )和速度傳感器(6 )被安裝在測(cè)量管(7 )上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量計(jì)，還包括被安裝在測(cè)量管(7)上的溫度傳感器(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的流量計(jì)，其特征在于所述測(cè)量管(7)包括內(nèi)管(71)、設(shè)置在所述內(nèi)管(71)徑向外側(cè)的外管(72)和用于將所述內(nèi)管(71)和外管(72)與所述管道連接起來的法蘭套管(73)，其中所述溫度傳感器(3)、濃度傳感器(5)和速度傳感器(6)被設(shè)置在所述內(nèi)管(71)和外管(72)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的流量計(jì)，還包括設(shè)置在所述外管(72)和信號(hào)處理單元(2)之間的散熱隔熱部件(1)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的流量計(jì)，其特征在于所述內(nèi)管(71)由耐磨陶瓷制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的流量計(jì)，其特征在于在所述內(nèi)管(71)與所述法蘭套管(73) 之間設(shè)置密封結(jié)構(gòu)(4)，該密封結(jié)構(gòu)(4)包括徑向密封元件(41)和軸向密封元件(42)，通過徑向密封元件(41)和軸向密封元件(42)壓裝配合連接到一起，所述密封結(jié)構(gòu)(4)能夠減輕熱脹冷縮導(dǎo)致的變形影響。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的流量計(jì)，其特征在于所述速度傳感器(6)包括設(shè)置所述內(nèi)管(71)外側(cè)并且彼此軸向相間隔的兩個(gè)測(cè)量環(huán)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的流量計(jì)，其特征在于所述濃度傳感器(5)包括徑向相對(duì)地設(shè)置在所述內(nèi)管(71)外周上的兩個(gè)電極組，其中一個(gè)電極組為發(fā)射極，另一個(gè)電極組為接收極。
9.使用權(quán)利要求1的流量計(jì)測(cè)量氣固混合相流的質(zhì)量流量的方法，包括預(yù)先獲得測(cè)量管(7)內(nèi)孔的橫截面面積(A)；通過濃度傳感器(5)獲得測(cè)量管(7)中的所述流的濃度(K)；通過速度傳感器(6)獲得測(cè)量管(7)中的所述流的速度(V)；由信號(hào)處理單元(2)計(jì)算所述流的質(zhì)量流量(Q)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括在所述測(cè)量管(7)上設(shè)置溫度傳感器(3)以獲得所述流的溫度(T)，在所述信號(hào)處理單元(2)中使用所述溫度(T)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在所述測(cè)量管(7)和信號(hào)處理單元(2)設(shè)有散熱隔熱部件(1 )，其特征在于，根據(jù)所述溫度(T)計(jì)算所述散熱隔熱部件的隔熱長度。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述測(cè)量管(7)包括內(nèi)管(71)、設(shè)置在所述內(nèi)管(71)徑向外側(cè)的外管(72)和用于將所述內(nèi)管(71)和外管(72)與所述管道連接起來的法蘭套管(73)，其中所述溫度傳感器(3)、濃度傳感器(5)和速度傳感器(6)被設(shè)置在所述內(nèi)管(71)和外管(72)之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流量計(jì)，其特征在于所述速度傳感器(6)包括設(shè)置所述測(cè)量管(7)上的彼此軸向相間隔的兩個(gè)測(cè)量環(huán)，并且測(cè)量速度(V)的步驟是利用相關(guān)法原理測(cè)得的。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流量計(jì)，其特征在于所述濃度傳感器(5)包括徑向相對(duì)地設(shè)置在所述測(cè)量管(7)外周上的兩個(gè)電極組，其中一個(gè)電極組為發(fā)射極，另一個(gè)電極組為接收極，并且所述測(cè)量濃度(K)的步驟是利用固體物料對(duì)電磁波產(chǎn)生的衰減效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于測(cè)量氣固混合相流的質(zhì)量流量的流量計(jì)。所述流量計(jì)包括測(cè)量管(7)、濃度傳感器(5)、速度傳感器(6)和信號(hào)處理單元(2)，測(cè)量管(7)在測(cè)量時(shí)被安裝在傳輸待測(cè)流的管道(8)中，其特征在于所述濃度傳感器(5)和速度傳感器(6)被安裝在測(cè)量管(7)上。本發(fā)明還涉及使用所述流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量的方法，該方法包括預(yù)先獲得測(cè)量管(7)內(nèi)孔的橫截面面積(A)；通過濃度傳感器(5)獲得測(cè)量管(7)中的所述流的濃度(K)；通過速度傳感器(6)獲得測(cè)量管(7)中的所述流的速度(V)；由信號(hào)處理單元(2)計(jì)算所述流的質(zhì)量流量(Q)。
文檔編號(hào)G01F1/86GK102478416SQ20101056595
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者姚巍, 姜從斌, 孫瑞剛, 楊立峰 申請(qǐng)人:Swr測(cè)量技術(shù)(北京)有限公司, 孫瑞剛, 航天長征化學(xué)工程股份有限公司