用于对载有微粒的流进行实时质量比、 质量流量和微粒尺 寸测量的应用 相关申请的交叉引用
本申请要求 2009 年 1 月 30 日提交的临时专利申请序列号 61/148,475(WFVA/CCS 编号 712-2.315//0011P) 以及 2009 年 2 月 17 日提交的序列号 61/153,131(WFVA/CCS 编号 712-2.317//0003P) 的权益， 二者都通过引用被全文合并在此。
技术领域
本发明涉及监测管道中的载有微粒的流。
更具体来说， 本发明涉及一种用于至少部分地基于与管道中的载有微粒的流有关 的某种参数的改变来确定管道中的载有微粒的流的实时的微粒对空气质量比、 质量流量以 及微粒尺寸的技术， 所述参数例如包括传播通过管道中的载有微粒的流的声级或者由于管 道中的载有微粒的流的加速而导致的静态压力。 所述改变包括与所述载有微粒的流有关的 所测参数的衰减， 其可以被用来监测管道中的载有微粒的流。 背景技术
在某些应用中， 可以基于与载有微粒的流有关的测量结果来监测所述载有微粒的流。 举例来说， 在与烧粉煤的发电厂有关的一种已知的工业应用中， 质量比 ( 或者相 反的空气对燃料比值 AFR) 和微粒尺寸对于锅炉内部的燃烧动态具有直接影响。在粉煤燃 料的给定 AFR 和微粒尺寸下， 锅炉将最为高效地操作并且同时产生最小数量的不期望的排 放物。此外， 通过随着时间监测这些参数将会给出关于特定装备 ( 比如仅仅作为几个例子 的煤炭粉碎机、 分样箱 (riffle box) 以及减振阀 ) 的性能恶化和维修需求的指示。
鉴于前述内容， 在工业应用中需要能够精确地和有效地测量载有微粒的流的实时 的微粒对空气质量比、 质量流量以及微粒尺寸。
发明内容 本发明提供用于监测管道中的载有微粒的流的新技术， 其包括 ： 接收包含关于与 管道中的载有微粒的流有关的参数的信息的信令， 所述参数包括 (a) 传播通过管道中的载 有微粒的流的声级或者 (b) 由于管道中的载有微粒的流的加速而导致的静态压力 ； 以及至 少部分地基于所述参数的改变， 确定与所述载有微粒的流相关联的微粒尺寸以及质量流率 和微粒对空气质量比的二者之一或全部二者的测量， 其中所述参数改变包括所述参数的衰 减或减小。
信号处理器
根据一些实施例， 本发明可以被实施在采取处理器、 信号处理器或信号处理器模 块的形式的设备中， 其包括被配置成执行以下操作的一个或更多模块 ： 接收包含关于与管 道中的载有微粒的流有关的参数的信息的信令， 所述参数包括 (a) 传播通过管道中的载有
微粒的流的声级或者 (b) 由于管道中的载有微粒的流的加速而导致的静态压力 ； 以及至少 部分地基于所述参数的改变， 确定与所述载有微粒的流相关联的微粒尺寸以及质量流率和 微粒对空气质量比的二者之一或全部二者的测量。 所述测量可以被用来监测所述载有微粒 的流。
系统
根据一些实施例， 本发明可以被实施在采取关于具有载有微粒的流的管道所使用 的系统的形式的设备中， 其中所述系统包括数据收集模块和信号处理器。所述数据收集模 块被配置成对管道中的载有微粒的流做出响应， 并且提供包含关于与所述载有微粒的流有 关的参数的信息的信令， 其中所述参数包括 (a) 传播通过管道中的载有微粒的流的声级或 者 (b) 由于管道中的载有微粒的流的加速而导致的静态压力。所述信号处理器具有一个或 更多模块， 其被配置成执行以下操作 ： 接收包含关于与载有微粒的流有关的参数的信息的 信令 ； 以及至少部分地基于所述参数的改变， 确定与所述载有微粒的流相关联的微粒尺寸 以及质量流率和微粒对空气质量比的二者之一或全部二者的测量。
与这里的描述相一致， 所述系统可以包括以下特征 ： 所述改变至少部分地基于随 着传播通过管道中的载有微粒的流的声级频率而变化的声学衰减系数 ； 所述改变至少部分 地基于在不同频率下传播通过管道中的载有微粒的流的声音的衰减， 其中包括两个不同频 率； 所述一个或更多模块被配置成基于所述声学衰减系数的改变来确定微粒尺寸 ； 所述改 变至少部分地基于由于所述载有微粒的流的加速而导致的静态压力改变， 其中所述加速是 由于管道中的流面积减小或者流方向改变而导致的 ； 所述改变与载有微粒的流在管道的具 有不同截面积的两个不同长度上的静态压力减小相关联 ； 所述静态压力在管道的截面积减 小的延伸长度上减小 ； 或者这些特征的某种组合。 与载有微粒的流的质量流量和
微粒尺寸测量有关的应用 (CCS-0003)
在与载有微粒的流 ( 其中包括气动运送的活性炭粉末 ) 的质量流量和微粒尺寸测 量有关的应用中， 所述改变可以至少部分地基于由于所述载有微粒的流的加速而导致的静 态压力改变， 所述加速是由于管道中的流面积减小或流方向改变而导致的， 其中在管道的 拐弯 ( 例如在肘管中 ) 或者截面积减小的延伸长度上所述静态压力减小。所述改变可以与 管道的具有不同截面积的两个不同长度上的载有微粒的流的静态压力减小相关联， 其中包 括所述静态压力在管道的截面积减小的延伸长度上减小的情况。实际上， 静态压力的 “减 小” 是由于流体 / 微粒混合物的加速而导致的。本发明的重点在于 ： 流中的固体微粒的更 高质量意味着流经管道的气体 / 微粒混合物的更高总体密度， 这意味着在其流经任何面积 改变或肘管时的静态压力减小得更多。通过测量速度和静态压力改变二者， 可以确定密度 并且从而确定微粒的质量。
所述一个或更多模块可以被配置成通过测量跨过减小的截面积的速度和静态压 力改变二者来确定管道中的载有微粒的流的混合物密度， 包括其中所述一个或更多模块被 配置成至少部分地基于混合物密度、 流速和流体密度来确定流体的质量流量和微粒尺寸的 情况。所述一个或更多模块还可以被配置成对于其中流体体积不显著大于微粒体积的流， 至少部分地基于流体和微粒的密度来确定流体的质量流量和微粒尺寸。 所述一个或更多模 块还可以被配置成在已知微粒的材料密度时， 通过测量在管道的截面积减小的延伸长度上
的静态压力改变来确定微粒尺寸。
与载有微粒的流的实时质量比和
微粒尺寸测量有关的应用 (CCS-0011)
可选地， 在与 ( 包括在烧粉煤的发电厂中的 ) 载有微粒的流的实时质量比和微粒 尺寸测量有关的应用中， 所述改变至少部分地基于随着传播通过管道中的载有微粒的流的 声级频率而变化的声学衰减系数， 包括其中所述一个或更多模块被配置成基于所述声学衰 减系数的改变来确定微粒尺寸的情况。 所述改变还可以至少部分地基于在不同频率下传播 通过管道中的载有微粒的流的声音的衰减。 所述一个或更多模块可以被配置成基于所述声 学衰减系数的改变来确定微粒尺寸， 包括其中所述一个或更多模块被配置成基于微粒尺寸 和所述声学衰减系数的绝对值来确定微粒对空气质量比的情况， 以及其中所述一个或更多 模块被配置成基于所述微粒对空气质量比和由测速计 ( 包括声纳测速计 ) 确定的空气速度 来确定质量流率的情况。 所述一个或更多模块还可以被配置成在多个频率下测量声学衰减 系数， 并且通过利用优化例程 ( 包括最小二乘拟合 ) 将所测得的数据拟合到解析模型来同 时确定微粒尺寸和微粒对空气质量比。 所述数据收集模块还可以被配置成具有声源并且在 至少两个位置处测量声级， 包括其中所述声源具有关于管道设置的现有装备 ( 包括风扇、 鼓风机、 孔板或煤炭粉碎机 ) 的情况。所述数据收集模块还可以被配置成提供包含关于所 述测量的信息的相应信令。 方法
根据一些实施例， 本发明可以被实施在一种方法中， 所述方法包括 ： 接收包含关于 (a) 传播通过管道中的载有微粒的流的声级或者 (b) 由于管道中的载有微粒的流的加速而 导致的静态压力的改变的信息的信令 ； 以及至少部分地基于包含在所接收到的信令中的信 息， 确定与所述载有微粒的流相关联的微粒尺寸以及质量流率和微粒对空气质量比的二者 之一或全部二者的测量。
所述方法还可以利用前面关于所述处理器或系统所阐述的其中一项或更多项特 征来实施。
计算机可读存储介质
根据一些实施例， 本发明可以被实施在采取计算机可读存储介质的形式的设备 中， 所述计算机可读存储介质具有用于执行前面提到的方法的各步骤的计算机可执行组 件。
替换的信号处理器实施例
根据一些实施例， 本发明可以被实施在采取处理器、 信号处理器或信号处理器模 块的形式的设备中， 其包括被配置成执行以下操作的一个或更多模块 ： 接收包含关于与管 道中的载有微粒的流有关的参数的信息的信令， 所述参数包括 (a) 传播通过管道中的载有 微粒的流的声级或者 (b) 由于管道中的载有微粒的流的加速而导致的静态压力 ； 以及至少 部分地基于所述参数的衰减或减小， 确定与所述载有微粒的流相关联的微粒尺寸以及质量 流率和微粒对空气质量比的二者之一或全部二者的测量， 其中与这里所做的描述相一致， 所述衰减或减小与传播通过管道中的载有微粒的流的声级有关， 或者与由于管道中的载有 微粒的流的加速而导致的静态压力有关。
本发明的优点
本发明的一个优点在于提供了一种用以精确地和有效地测量载有微粒的流的实 时的微粒对空气质量比、 质量流量和微粒尺寸的新方式， 在工业应用中需要其来监测特定 的载有微粒的流。 附图说明
附图包括未按比例绘制的图 1- 图 9 如下 ：
图 1a 是示出了根据本发明的某一实施例的系统的方框图。
图 1b 是示出了根据本发明的某一实施例的形成图 1 中所示系统的一部分的信号 处理器的方框图。
图 2a 是示出了根据本发明的某一实施例的用于测量载有微粒的流的质量流量和 微粒尺寸测量计的一种可能的实现方式的图示。
图 2b 是根据本发明的某一实施例的距离 ( 英寸 ) 与速度比 ( 微粒 / 流体 ) 的关 系曲线图， 其中示出了对于尺寸为 20μm、 60μm 和 100μm 的球形微粒的微粒加速距离。
图 3 是示出了根据本发明的某一实施例的利用载有微粒的流的声学衰减特性来 测量这些流的实时质量比和微粒尺寸测量的一种可能的实现方式的图示。 图 4a 是根据本发明的某一实施例的衰减比曲线图， 其中对于 50-500Hz 范围内的 高、 低频率示出了对于 0.088 到 0.877 范围内的不同煤炭对空气 (CAR) 比的微粒尺寸 (μm) 与衰减比的关系。
图 4b 是根据本发明的某一实施例的衰减比曲线图， 其中对于 100-500Hz 范围内的 高、 低频率示出了对于 0.088 到 0.877 范围内的不同煤炭对空气 (CAR) 比的微粒尺寸 (μm) 与衰减比的关系。
图 4c 是根据本发明的某一实施例的 22”管道系统的衰减比曲线图， 其中对于 50-300Hz 范围内的高、 低频率示出了对于 0.088 到 0.877 范围内的不同煤炭对空气 (CAR) 比的微粒尺寸 (μm) 与衰减比的关系。
图 5a 是根据本发明的某一实施例的对于大约 0.3 的 CAR 的 EPRI 煤炭流环路数据 的时间序列再处理的截屏图。
图 5b 是根据本发明的某一实施例的对于大约 0.6 的 CAR 的 EPRI 煤炭流环路数据 的时间序列再处理的截屏图。
图 6 是示出了根据本发明的某一实施例的气动声学源的图示， 其由具有低频率 1/2λ 和高频率 1/2λ 的侧分支交叉 T 型系统构成。
图 7a 是根据本发明的某一实施例的衰减比曲线图， 其中对于 100-800Hz 范围内的 频率示出了空气对微粒最大比与声速 (m/s) 的关系。
图 7b 是根据本发明的某一实施例的衰减比曲线图， 其中对于 100-800Hz 范围内的 频率示出了空气对微粒最大比与衰减 (dB/m) 的关系。
图 8a 是根据本发明的某一实施例的对于 30μm 微粒的衰减比曲线图， 其中对于 100-800Hz 范围内的频率示出了空气对微粒最大比与声速 (m/s) 的关系。
图 8b 是根据本发明的某一实施例的对于 30μm 微粒的衰减比曲线图， 其中对于 100-800Hz 范围内的频率示出了空气对微粒最大比与衰减 (dB/m) 的关系。
图 9 是根据本发明的某一实施例的典型校准曲线图， 其中示出了煤炭 / 空气质量
比 (CAR) 与压力损失系数 K 的关系。 具体实施方式
图1： 基本发明
图 1 示出了关于系统 10 放置的管道 5， 系统 10 用于监测由箭头标记 F 所表示的在 管道 5 中流动的载有微粒的流。系统 10 包括数据收集模块 12 和信号处理器 14， 该信号处 理器 14 在这里还可以被称作信号处理器、 处理器或信号处理器模块。
数据收集模块 12 被配置成对管道 5 中的载有微粒的流 F 做出响应， 并且沿着线路 12a 提供包含关于与所述载有微粒的流有关的参数的信息的信令。与这里所做的描述相一 致， 所述参数可以包括 (a) 传播通过管道 5 中的载有微粒的流的声级， 或者 (b) 由于管道中 的载有微粒的流的加速而导致的静态压力。
信号处理器 14 具有一个或更多模块 16( 还参见图 1b)， 其被配置成执行以下操作 ： 接收包含关于与载有微粒的流有关的参数的信息的信令 ； 以及至少部分地基于所述参数的 改变， 确定与所述载有微粒的流相关联的微粒尺寸以及质量流率和微粒对空气质量比的二 者之一或全部二者的测量。
在图 1b 中更加详细地示出了信号处理器 14， 其还可以包括一个或更多其他模块 18， 所述其他模块被配置成实施关于信号处理的其他功能， 包括但不限于输入 / 输出、 随机 存取存储器、 只读存储器、 总线等等。信号处理器 14 的一个或更多模块 16 的功能可以利用 硬件、 软件、 固件或其组合来实施。在一种典型的软件实现方式中， 所述处理器模块将包括 一个或更多基于微处理器的体系结构， 其具有微处理器、 随机存取存储器 (RAM)、 只读存储 器 (ROM)、 输入 / 输出装置以及将其相连的控制、 数据和地址总线。本领域技术人员将能够 在无需过多实验的情况下对这样的基于微处理器的实现方式进行编程， 以便执行这里所描 述的功能。 本发明的范围不意图被限于利用尚不知道的或者以后在未来开发的技术的任何 具体实现方式。
下面将关于载有微粒的流的质量流量和微粒尺寸测量以及载有微粒的流的实时 质量比和微粒尺寸测量来更加详细地描述系统 10。 但是本发明的范围意图包括与尚不知道 的或者以后在未来开发的用于监测管道中的载有微粒的流的其他应用有关的其他实施例。
载有微粒的流的质量流量和
微粒尺寸测量 (CCS-0003)
图 2a 和图 2b 示出关于测量载有微粒的流 ( 例如气动运送的活性炭粉末 ) 的质量 流率和标称微粒尺寸二者的本发明的一种实现方式。
图 2a 示出了采取管道缩小段 20 的形式的数据收集模块 12 以及针对其设置的相 关联的感测技术。管道缩小段 20 形成如图 1 中所示的管道 5 的一部分。如图所示， 举例来 说， 管道缩小段 20 可以包括第一 2” 凸缘、 第一 2” 管道 24、 2” x1” 缩小器 26、 1” sch 10S 管 道 28、 1” x2” 扩大部分 30、 第二 2” 管道 32 以及第二 2” 凸缘 34。本发明的范围不意图限于 作为例子给出的这些部件的规格。如图所示， 举例来说， 设置在管道缩小段 20 中的相关联 的感测技术可以包括 ： 压力端口 40、 42、 44、 46 ； 线路 50、 52、 54 ； 阀门 60、 62、 64、 66 ； 两个差 分压力 (DP) 发送器 70、 72 ； 以及一个传感器带阵列 80。线路 50、 52、 54 和装置 60、 62、 64、 66 相组合将压力端口 40、 42、 44、 46 耦合到 DP 发送器 70、 72。在操作中， 图 2a 中所示的该相关联的感测技术被配置成对管道缩小段 20 中的载有微粒的流 F 做出响应， 并且沿着图 1a 中的线路 12a 提供包含关于与所述载有微粒的流有关的参数的信息的信令。在本例中， 与 这里所做的描述相一致， 所述参数包括由于管道缩小段 20 中的载有微粒的流的加速而导 致的静态压力。
在操作中， 当载有微粒的流流经如图 2a 中所示的面积减小的管道缩小段 20 时， 流 体速度将与管道 5( 图 1a) 对管道缩小段 20 的管道 28 的面积比成比例地加速。所述微粒 也将加速， 但是由于惯性力在加速中会有一定时滞。所述时滞的量值主要取决于流体的密 度和黏度以及微粒的质量、 形状和表面粗糙度。
由于能量守恒， 由于流面积减小所导致的流加速， 还将发生静态压力的改变。 随着 流通过面积减小而加速， 静态压力将与速度增大的平方成比例地减小。压力减小的量值取 决于速度改变和混合物密度， 其将通过相关联的感测技术感测到， 并且被提供在沿着线路 12a 的信令中， 其中包含关于与载有微粒的流有关的参数的信息。
信号处理器 14 的一个或更多模块 16 沿着线路 12a 接收信令。在操作中， 通过测 量跨所述面积减小的速度和静态压力改变二者， 可以由一个或更多模块 16 确定混合物密 度。在知道混合物密度的情况下， 可以由一个或更多模块 16 确定流速度以及流体和微粒的 密度 ( 或者对于其中流体体积显著大于微粒体积的流仅仅确定流体密度 )、 流体和通常更 加重要的微粒二者的质量流量。 如前面所描述的微粒的加速时滞可以由一个或更多模块 16 使用来确定微粒的一 些其他属性。具体来说， 当微粒的材料密度已知时， 可以由一个或更多模块 16 通过测量经 过管道的面积减小段的延伸长度的压力改变来确定标称微粒尺寸。图 2b 中的曲线图对于 三种不同尺寸的球形微粒示出了微粒速度对流体速度的比值。 应当提到的是， 微粒越大， 使 得微粒速度 ( 从而静态压力 ) 完全加速所花费的时间就越长。
相关联的感测技术在本领域内是已知的， 本发明的范围不意图限于任何具体 类型或种类的尚不知道的或者以后在未来开发的感测技术。举例来说， 在美国专利号 7,165,464、 7,134,320、 7,363,800、 7,367,240 和 7,343,820 中全部或部分地公开了相关联 的感测技术， 其全部通过引用被合并在此。在所引述的这些专利中所公开的感测技术在这 里还可以被称作 SONAR( 声纳 ) 感测技术， 其由本发明的受让人开发。
或者， 所述改变可以至少部分地基于由于载有微粒的流的加速而导致的静态压力 改变， 其中所述加速是由于管道中的流方向改变而导致的。举例来说， 在管道中的拐弯处， 例如在肘管 ( 参见图 3 的元件 92b) 或燃料喷嘴 ( 未示出 ) 中， 载有微粒的流在流方向改变 期间可能例如会在管道的一侧经历微粒加速。 举例来说， 在管道中的拐弯处， 载有微粒的流 在肘管的内侧部分的部分可能会以一个速度流动， 而载有微粒的流在肘管的外侧部分的另 一部分可能会加速并且以更快的速度流动， 从而导致载有微粒的流中的压力减小。本领域 技术人员将认识到， 在这些载有微粒的流 ( 即空气和粉煤微粒 ) 中， 煤炭的密度是空气密度 的超过 1000 倍。因此， 在肘管的情况下， 空气将很容易转过肘管， 而煤炭微粒则将想要保持 直线行进。所述微粒将撞击肘管的管壁， 并且瞬时停住。所述流将必需在成 90 度的方向 ( 当然这是在假设 90 度肘管的情况下 ) 上重新加速所述微粒。与没有微粒存在的情况相 比， 这一重新加速将导致肘管的入口与出口之间的更大的静态压力下降。 换句话说， 静态压 力下降的量将与微粒质量近似成比例。与前面所做的描述相一致， 静态压力降低或减小的
量值取决于速度改变和混合物密度， 其将通过相关联的感测技术被感测到并且被沿着线路 12a 提供在信令中， 其中所述信令包含关于与载有微粒的流有关的参数的信息。
对于载有微粒的流的实时
质量比和微粒尺寸测量 (CCS-0011)
图 3 到图 9 关于例如在烧粉煤的发电厂中利用载有微粒的流的声学衰减特性来测 量这些流的实时质量比和微粒尺寸测量示出了本发明的一种实现方式。
举例来说， 传播中的声波的衰减是公知的， 并且在本领域内已经知道几种模型。 其 中 一 种 这 样 的 衰 减 模 型 由 Gibson 和 在标题为 “Viscous Attenuation of Acoustic Waves in Suspensions( 悬浮体中的声波的粘滞衰减 )” (Gibson 模型 ) 的文章 中给出。在该文中给出了以分贝 / 米为单位的所谓的衰减系数 α 的解析推导。所述衰减 系数描述了给定频率下的声学或声音强度在传播通过微粒流时如何减小。
Gibson 模型表明， 声学衰减系数随着频率发生变化。 此外， 在两个不同频率下的声 学衰减比只略微取决于 AFR， 但是在很大程度上随着微粒尺寸发生变化。因此， 通过利用数 据收集模块 12( 图 1a) 测量两个不同频率下的衰减， 一个或更多模块 16( 图 1a、 图 1b) 可以 计算二者的比值并且确定微粒尺寸。随后在知道微粒尺寸的情况下， 使用所述衰减的绝对 值来推断出 AFR。最后， 在知道 AFR 和由测速计 ( 包括声纳测速计 ) 确定的空气速度的情况 下， 由一个或更多模块 16( 图 1a、 图 1b) 确定煤炭和空气的质量流率。
图 3 关于熔炉 94 示出了单一管道 92 上的总体上被标记为 90 的典型设施。关于 管道 92 设置了静态压力发送器 PLine 和采用前面所描述的感测技术的形式的数据收集模块 96。管道 92 包括第一直的管道部分 92a、 肘管管道部分 92b 以及第二直的管道部分 92c。
还可以利用数据收集模块 12( 图 1a) 在多个频率下测量所述声学衰减系数。随后 有可能由一个或更多模块 16( 图 1a、 图 1b) 同时确定微粒尺寸和 AFR， 这是通过利用诸如最 小二乘拟合的优化例程将所测得的数据拟合到所述解析模型而实现的。
举例来说， 数据收集模块 12( 图 1a) 可以被配置成具有声源并且测量至少两个位 置处的声级， 以便测量声学衰减。所述声源可以是来自工艺中的现有装备 ( 即风扇、 鼓风 机、 孔板、 煤炭粉碎机等等 )， 或者可以添加特别用于所述测量的辅助声源。举例来说， 所述 声学衰减可以至少部分地基于以 dB/ 米计的所测得的损失。数据收集模块信号处理器 14 可以用硬件、 软件、 固件或其组合来配置以用于实施在这里阐述的系统 10 的该实施例的功 能， 其中包括与提供用于规定和 / 或感测传播通过管道 5( 图 1a) 中的载有微粒的流的声级 的信令有关的功能。在一种典型的软件实现方式中， 所述处理器模块将包括一个或更多基 于微处理器的体系结构， 其具有微处理器、 随机存取存储器 (RAM)、 只读存储器 (ROM)、 输入 / 输出装置以及将其相连的控制、 数据和地址总线。 本领域技术人员将能够在无需过多实验 的情况下对这样的基于微处理器的实现方式进行编程， 以便执行这里所描述的功能。本发 明的范围不意图限于利用尚不知道的或者以后在未来开发的技术的任何具体实现方式。 添 加声源将很有可能是最佳的方法， 因为其将是一贯的。
对于系统 10 的该实施例来说具有重要性的因素如下 ：
1、 测量频率范围的选择 ： 在计算衰减比时， 使用过于靠近的两个频率将导致可能 难以区别的衰减比。 过高的高频可能导致过低的声级， 过低的低频可能导致衰减比对于 AFR 具有不合期望的强烈相关性。如果要把多个频率点拟合到衰减模型， 则必需适当地选择频率范围。 2、 管道尺寸对于衰减的影响 ： 在理想情况下， 只测量声学基波的衰减， 因为多模效 应难以预测或控制。这就为高频范围设定了上限。
3、 声源的位置和特性 ： 声源在所选频率下必须足够强， 以便产生仅仅由于传播波 而导致的可测衰减。声源必须处在管道中的明确定义的固定位置处。
4、 衰减的绝对值 ： 声源与各声学传感器之间的距离、 各声学传感器之间的距离以 及所选择的测量频率必须使得衰减量既不太低也不太高。
下面将分别描述这些因素当中的每一项。
测量频率范围
图 4a 示出了具有对于在计算衰减系数比时的多个高、 低频率选择的结果的曲线 图。随着高、 低频率的提高， 衰减比的最小值向下移到较小的微粒尺寸， 正如图 3a 中所示出 的那样。
图 4b 所示的曲线图表明， 与此同时， 随着高、 低频率之间的距离减小， 衰减比的绝 对差减小。此外， 使用更高的频率会使得衰减比与微粒尺寸之间的关系更加非线性。
通过选择 100Hz 的低频和 800Hz 的高频会在微粒尺寸方面提供从大约 40μm 到远 超 100μm 的测量范围。 在这一微粒尺寸范围内， 衰减比从大约 1.3 变化到超过 1.6， 这是大 约 20％的改变。假设大约 100dB 的声功率级 (SPL)， 对于 1dB 的可测衰减改变， 1dB 的 SPL 分辨率等同于 1％的相对分辨率。 对于衰减比与微粒尺寸之间的近似线性的关系， 这会导致 大约 5μm 的微粒尺寸分辨率。
微粒尺寸效应 在圆形管道中由下式给出用于声波的多模传播的截止频率 ：其中， j10 是 Bessel 函数 J1 的导数的第一个零， c 是介质中的声速， 而 R 是管道半 径。下面的表 1 给出了用于烧煤的发电厂中常见的管道的截止频率。
表1
更大的管道会限制可用频率范围， 因为重要的是要防止多模衰减。 举例来说， 图 4c 示出了具有 22” 管道系统和 300Hz 最大频率的衰减比曲线图。
声源
声源必须在两个或更多频率下产生声音。 声源在这些频率下的功率输出必须足够 高， 以便产生远高于由工厂装备生成的基线功率的可测声音峰值。EPRI 煤炭流环路数据的 时间序列再处理的截屏图给出了两个不同 AFR 值下的数值。图 5a 示出了大约 0.3 的煤炭 对空气比 (CAR ＝ 1/AFR) 下的截屏图， 图 5b 示出了大约 0.6 的 CAR 下的第二截屏图。
如图所示， 通过将 CAR 从 0.3 增大到 0.6， 大约 500Hz 的 1/3 倍频带内的功率降低 大约 7dB(5 倍 )， CAR 加倍导致相干声功率降低 5 倍。500Hz 处的该声功率是相干的， 正如 频率与波数关系曲线上的斑点所表明的那样。
一种潜在的高功率声源是关于如图 6 中所示的运煤管道 102 设置的总体上被标记 为 100 的由侧分支交叉 T 形系统构成的气动声学源， 其中侧臂 104、 106、 108、 110 的长度固 定频率， 并且管道 102 的直径影响功率输出。如图所示， 侧分支交叉 T 形系统 100 具有低频 的 1/2λ 和高频的 1/2λ。
在操作中， 这种类型的声源利用管壁到 “T”形分支相交处的旋涡分离 (vortex shedding) 来生成波。 所述侧分支充当具有两个封闭末端的风琴管， 其迫使系统产生一定频 率的声音， 所述频率由介质中的声速除以波长给出。由于在两个末端都施加了速度反节点 ( 压力节点 )， 因此波长遵从所述侧分支的总长度的两倍。只要主管道中的流速足够高， 这
样的气动声学源就可以产生远高于 120dB 的声功率级。
传感器之间的衰减水平和距离
衰减的绝对值决定传感器之间的距离。图 7a、 图 7b 对于从 100Hz 到 800Hz 的频率 范围示出了对应于 50μm 微粒的衰减曲线图。
衰减水平大约是 0.1dB/m 到 0.5dB/m。 因此， 声学源之间的所需长度必须被设定成 使得测量到可估计的衰减。将该距离加大为两倍或三倍 ( 可能在转弯附近， 因为转弯不会 增加额外的衰减 ) 肯定是有利的。较小的微粒将会衰减得更多， 其中图 8a、 图 8b 中示出了 对应于 30μm 微粒的衰减的衰减曲线图。
测量实例
为了确保最优的锅炉操作， 在烧煤的发电厂的粉煤管道系统中很重要的是测量空 气和煤炭的质量流率。所述测量在其他气体 / 微粒流中可能也具有相同的重要性。下面通 过举例的方式描述一种利用数据感测技术来测量这些参数的方法， 其例如是通过把管道 92 上的夹装式测速计 96( 比如前面描述的 SONAR 技术 ) 和静态压力计 PLine 相组合， 正如图 3 中所示出的那样。
对于流动煤炭 / 空气混合物的给定管线系统， 经过一段管道 92 的压力损失是图 3 中所示的高程改变 (h)、 体速度 (u)、 混合物密度 (ρ) 和压力损失系数 (K) 的函数 ：
其中， ΔP 是压力损失， 并且 g 是重力常数。混合物密度是流经管道 92 的煤炭 / 空 气混合物的密度 ：
ρ ＝ φAIRρAIR+φCOALρCOAL， (2)
其中， φ 是每一个组成部分的体积分数。对于在烧煤的发电厂中的锅炉燃料管路 中流动的煤炭 / 空气混合物， 可以证明 φCOAL ＜＜ φAIR， 因此有 ：
ρ ＝ ρAIR·(1+CAR)， (3)
其中， CAR 是煤炭 / 空气质量比 ：
其中， m 是煤炭和空气的质量流率。通过组合等式 (1) 和 (3) 产生用于煤炭 / 空 气质量比的等式 ：ΔP 是管道系统中的两点之间的压力差。在粉煤燃烧器燃料管路的情况下， ΔP 是 在仪表 96 的位置附近的管道的静态压力与熔炉压力之间测量的 ：
ΔP ＝ PLINE-PFURNACE.(6)
压力损失系数是通过原位校准而确定的。对于单相流 ( 即只有气相 ) 来说， 压力 损失系数仅仅是管道系统几何结构 ( 肘管的数目、 直的运行长度、 管壁粗糙度等等 ) 的函 数。对于煤炭 / 空气混合物， 所述压力损失系数也将与几何结构相关， 但是还可能与煤炭装 载略微相关。可以假设压力损失系数与煤炭 / 空气比成线性关系 ：
K ＝ K0+K1·CAR， (7)
其中， K0 是只流动空气时的压力损失系数， 并且 K1 是与 CAR 的相关性。如果必要 的话还可以合并更高次模型。可以通过在已知的煤炭 / 空气比下进行操作、 测量 ΔP 和速 度以及重新设置等式 (5) 以求解 K 来执行校准 ：
需要最少两个 CAR 点来定义等式 (7) 的线性关系。清洁空气操作 (CAR ＝ 0) 和典 型的负载设定就将是足够的。还可以使用附加的负载设定来改进测量精度。在每一个校准 点 ( 除了清洁空气之外 ) 处， 使用采样探头来确定实际的 CAR。在图 9 中示出了典型的校准 曲线。
DPDX 加 SONAR 测量提供了几方面的好处 ：
1. 其不需要诸如粉碎机馈送率的任何外部输入。 于是所述测量可以被用来例如检 测馈送器异常。
2. 独立于上游可变几何结构 / 控制组件的功能允许有进行闭环控制的潜力。
3. 其可以按照期望被安装在单独的管道上， 而不需要装设整个粉碎机。
4. 其可以完全独立于结绳效应 (roping effect)， 这是因为 ΔP 测量是在相当长 的管道段上进行的。
发明范围
虽然参照示例性实施例描述了本发明， 但是本领域技术人员应当理解的是， 在不 背离本发明的范围的情况下可以做出许多改变并且可以替换等效元件。此外， 在不背离本 发明的实质范围的情况下可以进行修改， 以便将特定情况或材料适应于本发明的教导。因 此， 本发明不意图限于这里所公开的作为实施本发明所构想的最佳模式的 ( 多个 ) 具体实 施例。