CN105424564A - 煤粉浓度微波测量参数的整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种煤粉浓度微波测量参数的整定方法，其特点是，包括：最佳微波发射频率的选择和微波探头安装方式的选择。按着本发明煤粉浓度微波测量参数的整定方法确定的微波频率和探头安装方式，经过现场验证，满足实验条件，从而验证了本发明煤粉浓度微波测量参数的整定方法的有效性和实用性，并且与传统的现场微波频率、探头安装方式的整定方法相比，本发明的煤粉浓度微波测量参数的整定方法具有科学准确，易于实现、适用性强、应用价值高，效果佳，不受额外因素影响等优点。

Description

煤粉浓度微波测量参数的整定方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，是一种煤粉浓度微波测量参数的整定方法。

背景技术

电厂一次风粉浓度是指锅炉燃烧器喷嘴前送粉管内的煤粉浓度，它是一项重要技术参数，将直接影响到喷射进炉膛中的煤粉浓度，从而影响锅炉的燃烧状况。因此，控制一次风管内的煤粉浓度和输粉速度的均匀性对锅炉的安全与经济运行十分重要，欲对各喷燃器的煤粉流量和浓度进行控制，先得对煤粉浓度能进行准确的在线测量，但是，由于煤粉气流是属于气固两相流，要对煤粉浓度进行在线准确测量是很不容易的。目前有多种测量煤粉浓度的方法，如热平衡法，超声波法，电容法等等，但是均不能达到令人满意的效果。

近年来，微波测量煤粉浓度是一种新方法，以其特有的精度高、测量便捷、更换简单、实时性强等诸多优点，越来越为人们所重视，并已作为煤粉浓度测量的主要方法。微波测量煤粉浓度的具体原理是输粉管路中用法兰装接一段测量管，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，微波在测量管内与煤粉管颗粒碰撞时会引起波束衰减，通过测量其波束衰减值即可反应煤粉的浓度。

在微波测量煤粉浓度的方法中，微波发射频率和探头安装方式是两个十分重要的参数，它们直接决定了测量出煤粉浓度的精度，但是目前对如何选择这两个参数始终没有统一的结论。而且由于电厂运行条件限制，直接在电厂现场做实验十分困难，构建实验台也有着诸多限制，因此本发明基于上述原因，通过理论推导和电磁仿真软件HFSS仿真建模的方法对微波发射频率，探头天线的选择及安装位置的选择提供了一种有效的解决方案。迄今为止，未见有关与本发明相关的文献报道和实际应用。

发明内容

本发明的目的是，为解决现有技术一次风煤粉浓度中微波频率、探头天线安装方式难以确定的问题，提供一种能够科学准确的确定一次风煤粉浓度中微波频率、探头天线的安装方式的煤粉浓度微波测量参数的整定方法。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种煤粉浓度微波测量参数的整定方法，其特征是，它包括的内容有：

1)最佳微波发射频率的选择

微波在锅炉一次风管道内传输可以等效为微波在圆波导内传输，而在圆波导中，微波传输可能同时存在着多种模式，根据电磁场和传播方向的关系，一般分为两大类：横电波(TE)波，横电波(TE)波是指电场在传输z方向的分量为0，横磁波(TM)波，横磁波(TM)波是指磁场在传输z方向分量为0，而TE波和TM波根据截止波数的不同还分为各种高次模TE_nm和TM_nm，它们有着不同的截止频率，其中截止频率最低的模为TE₁₁模，它是圆波导的基模，当波导中只有基模传输时可以有效的避免因不同模式间的能量传递而导致微波信号失真，已知截止频率公式为

$f_{c_{mn}}=\frac{p_{mn}}{2\mathrm{\π}a\sqrt{\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}}}$

其中f为截止频率，p_nm为赛贝尔函数的根，a为管道半径，μ为管道内磁导率，ε为管道内介电常数，电厂管道半径约为0.3m，其它值已知，得出TE₁₁模的截止频率最低，约为292.83MHZ，TM₀₁模的截止频率仅次于TE₁₁模，约为453.21MHZ，因此选取频率在292.83MHZ到453.21MHZ之间，为了便于计算，选取微波的最低频段300MHZ；

2)微波探头安装方式的选择

微波探头的安装方式具体包括探头安装角度和安装距离,首先用电磁仿真软件hfss对微波探头进行建模，使用的探头天线为四分之一波长单极子天线，采取同轴馈电方式进行馈电，对其进行仿真，通过观察探头天线的辐射方向图可知，探头在水平方向有着最大增益，因此在放置微波探头时，发射探头和接收探头的角度应该是平行，保证微波信号的传输，然后将设计好的探头***管道，得到微波测量煤粉浓度的整体模型管道内的介电常数，介电常数大小又和管道中煤粉浓度有关，煤粉浓度越大，混合物的介电常数就越大，通过改变管道的介电常数，就能够模拟一次风管道煤粉浓度的变化，已知，空气的相对介电常数约为1，纯煤粉的相对介电常数约为2.7，对于混合物介电常数公式为ε＝[m₁(ε₁)^1/3+m₂(ε₂)^1/3]³，其中m₁为空气的质量浓度，m₂为煤粉的质量浓度，ε₁为空气介电常数，ε₂为煤粉介电常数，电厂中煤粉浓度一般都是在0.2kg/kg～1.0kg/kg范围之内，根据混合物介电常数公式ε＝[m₁(ε₁)^1/3+m₂(ε₂)^1/3]³，选取两组混合物介电常数为1.4和1.7，改变发射接收探头之间距离，观察探头传输衰减，最终选取0.5m为探头安装距离。

按着本发明煤粉浓度微波测量参数的整定方法确定的微波频率和探头安装方式，经过现场验证，满足实验条件，从而验证了本发明煤粉浓度微波测量参数的整定方法的有效性和实用性，并且与传统的现场参数(微波频率、探头安装方式)整定方法相比，本发明的煤粉浓度微波测量参数的整定方法具有科学准确，易于实现、适用性强、应用价值高，效果佳，不受额外因素影响等优点。

附图说明

图1为微波在圆波导内传波方式示意图；

图2为本发明中微波探头结构图；

图3位本发明中微波探头的回波损耗图；

图4为本发明中微波探头的辐射方向图；

图5为本发明中微波测量浓度实验的整体结构图；

图6为传输衰减示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

本发明煤粉浓度微波测量参数的整定方法，它包括的内容有：

1)微波发射频率的选择

如图1所示，微波在一次风管道内传输是典型的圆波导传输问题，微波的传输是三维空间和时间的函数，根据磁场、电场和传播方向的关系可以分为多种模式，微波在圆波导中传输过程中也存在着多种模式，根据电磁场和传播方向的关系，一般分为两大类：横电波(TE)波，横电波(TE)波是指电场在传输z方向的分量为0，横磁波(TM)波，横磁波(TM)波是指磁场在传输z方向分量为0。而横电波(TE)波和横磁波(TM)波根据截止波数的不同还可以分为各种高次模TE_nm和TM_nm，而一般情况下，波导在传输过程中是单模传输，这样不仅易于激励和耦合，还可以有效的避免因不同模式间的能量传递而导致微波信号失真。因此可以通过选择圆波导尺寸和工作频率，使得圆波导中只有基模可以传输。在圆波导中TE₁₁模为圆波导的基模，拥有最低的截止频率，其次为TM₀₁模，选取电厂一次风管道的半径a为0.3m，已知截止频率其中f为截止频率，p_nm为赛贝尔函数的根，a为管道半径，μ为管道内磁导率，ε为管道内介电常数，可以得出TE₁₁模的截止频率约为292.83MHZ，TM₀₁模的截止频率约为453.21MHZ，因此选取频率在292.83MHZ～453.21MHZ之间，保证圆波导中只有基模传输，为了便于计算，选取微波的最低频段300MHZ。

2)微波探头安装方式的选择

如图2所示，采用电磁仿真软件hfss对微波测量电厂一次风煤粉浓度实验进行建模，首先对微波发射探头进行建模，探头采取同轴馈电方式，种类为四分之一波长单极子天线，是振子天线的一种。电尺寸接近于四分之一波长的单极子天线称为四分之一波长单极子天线。此时天线没有副瓣，并且单极子天线的输入阻抗接近于50欧姆，可以直接和特性阻抗为50欧姆的同轴线相匹配。

如图3所示，在天线设计中，回波损耗是一个重要的参数，回波损耗是表示信号反射性能的参数。回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源。通常要求入射功率越大越好，反射功率尽可能小，这样就有更多的功率传送到负载。典型情况下的目标是至少10dB的回波损耗。在图中可以看出，天线在300MHZ频率段左右有较大的回波损耗(RL)，约为-25db，满足一般天线设计要求。

如图4所示，由微波探头的辐射方向图的场强方向可知，单极天线在水平方向具有最大增益，在振子正上方出几乎没有增益，从而可知在放置微波探头时，发射探头和接收探头的角度应该是平行，保证微波信号的传输。

如图5所示，管道半径为0.3m，管壁材料为铁，选管道长2m，实验微波频率为300MHZ，管道内介质的介电常数是影响微波实验的重要因素，它和微波传输过程中的衰减大小有着直接联系，而管道内的介电常数大小又和管道中煤粉浓度有关，煤粉浓度越大，混合物的介电常数就越大。通过改变管道的介电常数，就可以模拟一次风管道煤粉浓度的变化。已知，空气的相对介电常数约为1，纯煤粉的相对介电常数约为2.7，对于混合物介电常数的公式为ε＝[m₁(ε₁)^1/3+m₂(ε₂)^1/3]³，其中m₁为空气的质量浓度，m₂为煤粉的质量浓度，ε₁为空气介电常数，ε₂为煤粉介电常数，得出煤粉浓度和介电常数之间的关系从而只需给定管道混合物介电常数就可以得到煤粉浓度。在实际电厂运行中煤粉浓度一般都是在0.2kg/kg～1.0kg/kg范围之内，因此根据混合物介电常数公式ε＝[m₁(ε₁)^1/3+m₂(ε₂)^1/3]³选取两组混合物介电常数为1.4和1.7，分别对应煤粉浓度30％和煤粉浓度50％，改变发射接收探头之间距离，观察探头传输衰减。

如图6所示，由传输衰减示意图可以看出，当探头距离取0.1m时，传输损耗变化不明显，这表明探头之间距离太近，而当大于0.3m时衰减都有明显变化，而一般来说，探头之间的距离不宜超过管道直径的2倍，否则会导致探头之间信号关联度下降，因此选用0.3m-1.2m作为探头安装距离，本发明中选取0.5m作为探头安装距离。

Claims (1)

1.一种煤粉浓度微波测量参数的整定方法，其特征是，它包括的内容有：

1)最佳微波发射频率的选择

微波在锅炉一次风管道内传输可以等效为微波在圆波导内传输，而在圆波导中，微波传输可能同时存在着多种模式，根据电磁场和传播方向的关系，一般分为两大类：横电波(TE)波，横电波(TE)波是指电场在传输z方向的分量为0，横磁波(TM)波，横磁波(TM)波是指磁场在传输z方向分量为0，而TE波和TM波根据截止波数的不同还分为各种高次模TE_nm和TM_nm，它们有着不同的截止频率，其中截止频率最低的模为TE₁₁模，它是圆波导的基模，当波导中只有基模传输时可以有效的避免因不同模式间的能量传递而导致微波信号失真，已知截止频率公式为

$f_{c_{mn}}=\frac{p_{mn}}{2\mathrm{\π}a\sqrt{\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}}}$

其中f为截止频率，p_nm为赛贝尔函数的根，a为管道半径，μ为管道内磁导率，ε为管道内介电常数，电厂管道半径约为0.3m，其它值已知，得出TE₁₁模的截止频率最低，约为292.83MHZ，TM₀₁模的截止频率仅次于TE₁₁模，约为453.21MHZ，因此选取频率在292.83MHZ到453.21MHZ之间，为了便于计算，选取微波的最低频段300MHZ；

2)微波探头安装方式的选择

微波探头的安装方式具体包括探头安装角度和安装距离,首先用电磁仿真软件hfss对微波探头进行建模，使用的探头天线为四分之一波长单极子天线，采取同轴馈电方式进行馈电，对其进行仿真，通过观察探头天线的辐射方向图可知，探头在水平方向有着最大增益，因此在放置微波探头时，发射探头和接收探头的角度应该是平行，保证微波信号的传输，然后将设计好的探头***管道，得到微波测量煤粉浓度的整体模型管道内的介电常数，介电常数大小又和管道中煤粉浓度有关，煤粉浓度越大，混合物的介电常数就越大，通过改变管道的介电常数，就能够模拟一次风管道煤粉浓度的变化，已知，空气的相对介电常数约为1，纯煤粉的相对介电常数约为2.7，对于混合物介电常数公式为ε＝[m₁(ε₁)^1/3+m₂(ε₂)^1/3]³，其中m₁为空气的质量浓度，m₂为煤粉的质量浓度，ε₁为空气介电常数，ε₂为煤粉介电常数，电厂中煤粉浓度一般都是在0.2kg/kg～1.0kg/kg范围之内，根据混合物介电常数公式ε＝[m₁(ε₁)^1/3+m₂(ε₂)^1/3]³，选取两组混合物介电常数为1.4和1.7，改变发射接收探头之间距离，观察探头传输衰减，最终选取0.5m为探头安装距离。