微颗粒流量测量方法及焦粉流量计

本发明属于利用微波测量流体或流动的固体材料重量流量的方法，及其为使用该方法而设计的焦粉重量流量计。

关于微颗粒材料如煤粉、焦粉在输送管内流量的测量，国内外虽方法众多，但一直没有一种是实现连续、高精度、低成本、安全操作的测量方法。目前世界上采用的方法有机械法、容积法、重量法，这三种方法因其不能实现连续测量瞬时流量，操作笨重，限制了在工业过程实时控制方面的应用。非接触法测量以美国、西德、日本采用的同位素法最为先进，但同位素对人体有害，污染环境。美国专利U.S4423-623《流动混合物微波计量计（Microwave    meter    for    fluid    mixtures）》中的第八条：一种测量非均匀混合材料流量比率的方法（Amethod    of    measuring    the    flow    rate    of    a    hcterog    enous    mixture    of    ingredients）是一种微波测量流量比率法。这个已知技术的测试方法是用一个待测混合物可从中穿过流动的波导管，管壁上装有一个发射探针，距发射探针一定距离有一检测探针，微波在波导管中从发射探针上被传播，接收探针又从传来的微波信号中接收信号，对接收到的信号进行处理，就可确定波导管的特征频率或传播波的波长，这个特征频率或波长是和波导管中混合物的成分有关的。第二对，第三对发射和接收探针确定了波导管的其他部位的这些特性。这些特征频率之间是有差异的，这是由管内混合材料的不均匀性而引起的，对频率差异进行相关处理，再用分离法对混合物中的各成分分别进行校准，就得到混合物的流量比率。这个已知技术，虽实现了非接触连续测量，但尚有下面不足：1.仅测出了混合材料的流量比率，要测得各自的重量流量，还要增加别的测试手段;2.精度保证不 了，因为探针只能测波导管内局部的地方，即使使用多对也难消除断面上流体分布不均匀而引起的测量误差;3.最大管径只有3/4时，限制了实际应用范围。

本发明的目的，旨在提供一种非接触的、可连续测得瞬时值的、输送管径不受限制的、操作安全的微颗粒重量流量的测试方法，并使用此方法设计焦粉重量流量计。

本发明的基本原理是：利用微波发射天线，从两个方向向待测材料发射两路微波信号，一路是利用微波遇到运动微颗粒即发生多普勒效应的特性，测得多普勒频移，借此频移，确定微颗粒的流速V;另一路是利用微波穿过微颗粒时，其功率的衰减值和微颗粒浓度有关的特性，测得微颗粒浓度，再根据浓度和流速及输粉管口径确定微颗粒的重量流量。

附图1是本发明微颗粒重量流量测量方法的原理框图。其中〔1〕是微波源，〔2〕是功率分配器，〔3〕是发射天线，〔4〕输送微颗粒管道，〔5〕是混频器，〔6〕是接收天线，〔7〕是检波器，〔8〕是信号放大器，〔9〕是智能计算装置。

本方法的主要步骤如下：

（1）、微波源〔1〕产生的微波信号F，经功率分配器〔2〕后被分成两路微波信号，一路去混频器〔5〕，作本机振荡信号输入待用，一路传输到发射天线〔3〕。

（2）、发射天线〔3〕将传输来的微波信号，分作两路，向输粉管道〔4〕以两个方向发射，其中一路微波沿与输送微粒管道〔4〕轴向成θ角的方向上传播，这路微波信号遇到输送管道〔4〕内以一定速度流动的微颗粒，就发生多普勒效应，产生多普勒频移，频移信号反射至发射天线〔3〕，被发射天线〔3〕接收后又经功率分配器〔2〕至混频器〔5〕 与本机振荡信号混频，获偏移频率Fd，Fd经信号放大器〔8〕放大后，输入智能计算装置〔9〕。

根据偏移频率Fd，即可求出输送管内微颗粒的流速V，计算公式为：

V＝ (Fd×C)/(2Fcosθ)

式中：C是电磁波传输速度3×10⁸m/S;

F是微波信号频率H_z;

V是微颗粒的流速m/S;

θ是微波传输方向与输送管道轴向的夹角;

Fd是多普勒偏移频率。

该公式以程序的方式预先输入智能计算装置〔9〕，机内自动算出微颗粒流速V。

（3），同时，发射天线〔3〕将另一路微波信号沿输送微颗粒管道〔4〕的径向方向传播，微波垂直穿过有微颗粒流动的输送管道〔4〕后，被接收天线〔6〕接收，当输送管中有微颗粒流过时，穿过输送管道〔4〕的微波信号就会被微颗粒吸收，衰减，衰减的程度与通过的微颗粒浓度成正比。接收天线〔6〕所接收的微波信号的强弱，反映着管内微颗粒浓度的小大。接收到的微波信号经检波、整形放大，得到检波电压Us（t）它与管内瞬时微颗粒浓度γ（t）成正比。实际测量时，根据测量精度，取足够小的时间间隔T，求得T时间内的γ（t）的平均值，便可视作瞬时浓度，故γ由下式计算：

γ＝ 1/(T) ξ∫^T_oU_s（t）dt

其中：γ为足够小的时间间隔里的微颗粒浓度，单位为kg/m³;

T为预选足够小的采样时间间隔;

ξ是浓度系数，表征单位U_s（t）电压相当的微颗粒浓度，由标定方法测得，单位为kg/m³·V。

该公式以程序的方式预先输入计算装置〔9〕，计算装置〔9〕根据输入的Us（t）和给定的T求得γ。

（4），流过输送管内的微颗粒流量Q用下式计算：

Q＝γ×S×V

式中：γ：表示微颗粒流过输送管道时的浓度，kg/m³;

S：表示输送管道的横截面积，m²;

V：表示管内微颗粒的流速，m/S;

智能计算装置〔9〕据以上公式，求得输送管道内微颗粒的重量流量量值Q。同时智能计算装置〔9〕的打印、数字显示装置即可打印、显示此值，并输出报警和控制信号。

本方法里所说的功率分配器，对微波信号的分配和传输作用，可以由魔体来实现，也可以由环流器来实现。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.可自动地连续测量、显示和打印微颗粒的瞬时流量，其精度可达0.5%。

2.用途广泛，既可用于发电，冶金，谷物加工等各行业，也可用来测烟囱排尘量，作环境保护监测仪表;用此法制作的流量计，可计算出单机耗料量、班耗料量、瞬时耗料量。

3.输送管径可为任意管径、使用范围大。

4.用此法作的流量计，不仅是经济用表也是保护用表，可用于燃煤锅炉断煤灭火的自动报警装置。

5.因是连续测量，又接入了智能计算设备，为实现工业过程实时 控制，实现企业管理现代化提供了必要的手段。

6.元器件精度要求低，制做工艺简单，成本低，便于批量生产。

下述为使用上述方法而设计的焦粉重量流量计。

附图2是为使用上述方法而设计的焦粉重量流量计的电原理图。其中〔1〕是微波源，〔2〕是定向耦合器，〔3〕是魔T，〔4〕是垂直波发射天线，〔5〕为45°波发射天线，〔6〕和〔7〕为匹配器，〔8〕是45°波接收天线，〔9〕为混频器，〔10〕为衰减器，〔11〕是频移信号门限放大器，〔12〕为Ud的数字接口电路，〔13〕为输焦粉管道，〔14〕为垂直波接收天线，〔15〕为晶体管检波器，〔16〕为检波信号放大电路，〔17〕为Us的A/D转换器，〔18〕为微型计算机，〔19〕为断粉报警电路，〔20〕为输出控制信号的D/A转换器，〔21〕为整机直流稳压源。

工作过程如下：微波源〔1〕是10GC振荡器，产生3cm150mw的微波通过波导管传至定向耦合器〔2〕后，分成主线及付线。主线经魔T〔3〕将微波信号平分成两路，一路至角式发射天线〔4〕，沿输送管道的径向发射，发射波垂直通过输粉管〔13〕后，被角式接收天线〔14〕接收，送至晶体管检波器〔15〕检波，经放大电路〔16〕放大后，输出与输送管内微粒浓度成正比的Us电压信号，Us再到A/D转换器〔17〕转换成数字信号后，送入微型计算机〔18〕。另一路微波至45°发射天线〔5〕，沿与输粉管轴向成45°角的方向发射，经阻抗匹配〔6〕进入输粉管，微波被微粒反射至阻抗匹配〔7〕进入接收天线〔8〕，至混频器〔9〕，与从定向耦合器〔2〕付线来的，经衰减器〔10〕衰减的微波信号混频，混频器〔9〕输出多普勒偏移频率信号Fd，经门限放大电路〔11〕放大，输出Fd的脉冲Ud信号送至数字接口〔12〕，进入微型计算机〔18〕。微型计算机〔18〕将上述的 Us和Ud两路信号按预定的程序进行处理，便计算出了焦粉的重量流量。微型计算机〔18〕便将此值送给打印、显示、绘图装置，进行打印、显示，绘图。

其中的两个发射天线〔4〕、〔5〕和45°接收天线，可以用一个赋型高效缝隙双层天线来代替。即这一个天线可向两个方向发射，同时接收45°波的反射信号。

下为附图说明：

附图1、附图2见前述。

附图3是频移信号门限放大器〔11〕的电路图。输入由混频器来的Fd信号，输出Fd的放大整形信号Ud。本电路由一级放大器和一级绝对值电路构成，由F508和R₁～R₄及C₁组成的放大电路将输入的弱信号放大10-15倍，再由绝对值电路将放大的信号，变成正信号，且由稳压管D₃输出信号Ud的幅值限制在5V以下。绝对值放大电路由R₅～R₁₂、两只高精度低漂移的运算放大器OP-O7及二极管D1、D2构成。其中第一个OP-O7放大器进行直接耦合倒向放大，经D2箝位，再经另一个OP-O7组成的放大器放大2倍左右，最后输出脉冲信号Ud。

附图4是检波信号放大电路〔16〕的电路图。输入由检波器〔15〕来的检波信号，输出放大了的与管内微粒浓度成正比的电压信号Us。本放大器由二级比例放大组成，由R1～R6、C1～C3和OP-O7组成第一级放大器，放大倍数为三倍。由R7～R12、OP-O7、D1组成第二级减法放大器，放大倍数为1～3倍，作功率输出。R13、R14组成电压输出调节电路。

附图5是计算机系统的接口电路，其中的GNK-80-V是A/D、D/A转换板，这个板有8路8位A/D转换，2路D/A转换。8路8位A/D转换构成Us信号A/D转换器〔17〕，输入由检波放大电路来的Us 信号，经A/D转换后，将数字信号通过GNK-80-Ⅲ及I/O扩展板送到微型计算机〔18〕MZ-731。计算机MZ-731输出数字控制信号，经2路8位D/A转换器转换成自动控制的模拟信号输出。Ud信号的接口电路由74LS14、74LS00组成。由门限放大器〔11〕来的信号Ud经74LS14施密特电路整形，再输出给门电路74LS00，门电路的开门及关门信号由MZ-731的CTC输出。

附图6为断粉报警电路的电路图。MZ-731输出低电平数字信号，经74LS00变换成高电平信号，再控制由R1、Q1、J1、D1组成的超限开关电路，由继电器J带动声光报警器件发光二极管和喇叭。

下面为焦粉重量流量计的一个实施例。其中微波〔1〕由WTZ3-1三公分体效应振荡器组成，产生3cm的150mw的微波。

定向耦合器〔2〕采用TD35型三公分宽带定向耦合器。

魔T〔3〕采用BD-1/054型魔T。

天线〔4〕、〔5〕、〔8〕、〔14〕均采用角式喇叭天线。垂直发射天线〔4〕和接收天线〔14〕均对称地紧贴在输粉管的外壁上。45°发射天线〔5〕和接收天线〔8〕分别通过靴式匹配器〔6〕和〔7〕与输粉管轴向成45°夹角，紧贴在输粉管的外壁上，两对天线相距10公分。

混频器〔9〕采用WJH3-2三公分微波正交场混频器。

衰减器〔10〕采用BD-1/003型衰减器。

频移信号门限放大器〔11〕的电路图为附图3，详见附图3说明。

Ud的数字接口电路〔12〕的任务是：（1）、电平转换，（2）对Fd脉冲进行采样。电路构成详见附图5的说明。

输焦粉管道〔13〕由 石材料构成，可以是任意口径。

晶体管检波器〔15〕采用TD36型三公分宽带检波器。

检波信号放大电路构成详见附图4的说明。

Us信号的A/D转换器〔17〕的电路构成详见附图5的说明，

微型计算机〔18〕采用夏普MZ-731微型计算机，本计算机的微处理机为Z-80A，主机内存64KB，机器设有打印机（可打印彩图形），打印机每一行80、40或26个字符可供选择，打印流量Q;还设有绘图机，可打出Q（t）;还设有数字显示器，显示流量Q。计算程序根据前述测试方法编好并预先送入微型机，本系统可以进行单通道测量，也可以进行多路测量，这时只要增加数字接口及A/D转换器即可。

断粉报警电路〔19〕的构成详见附图6说明。

D/A转换器〔20〕给自控系统提供自控模拟信号，电路构成详见附图5的说明。

整机直流稳压源〔21〕输出+12V，+15V，-15V、+5V直流电压。分别供给振荡腔〔1〕、门限放大电路〔11〕、检波放大电路〔16〕、断粉报警电路〔19〕及微型机接口电路。

振荡器WTZ3-1，检波器TD36，正交场混频器WJH3-2装在恒温槽内。

按附图2电原理图接好上述各部分电路，调试好计算机程序，给定合适的T和求得ξ，整个系统即可投入运行。

求ξ值时，要求标定测重仪器误差为0.1%。