不受煤种变化影响的微波测碳传感器

摘要

本发明是一种不受煤种变化影响的微波测碳传感器。它设有一个矩形或圆柱形微波谐振腔，灰样管从谐振腔垂直穿过，在谐振腔上设有一个同轴电缆座，在该电缆座内端接有一个深入谐振腔内的探针激励器或耦合环激励器，在该电缆座外端接有一个环行器，该环行器的①端口与微波信号发生器相接，环行器的②端口与电缆座的外端相联，环行器的③端口与微波检波器相接。在谐振腔中填充有低损耗电介质。微波发生器的信号频率为0.3～1.5GHz。降低测量频率，可使飞灰中的无机矿物粉末吸收微波的功率大大衰减，消除煤种变化的影响。在谐振腔中填充低损耗电介质，可进一步减小谐振腔的尺寸，或者在原有的尺寸上进一步降低测量频率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用微波测量大型工业锅炉飞灰中含碳量的微波测量传感器，具体地说，它是一种不受煤种变化影响的微波测碳传感器。

背景技术

在已有技术中，美国专利US5109201、US5173662中提供了一种微波测碳传感器，它是用测量飞灰中碳颗粒吸收微波功率的大小来确定飞灰含碳量的。参见US5173662中的图3，它主要由一个波导128、设在该波导两端的第一、第二波导同轴转换器130、132、设在测量波导中部的灰样管110、微波发生器206、环行器210、定向耦合器214、多路同轴选通开关226、选通逻辑控制器228、功率计222等组成。微波发生器输出的微波通过环行器送至定向耦合器，定向耦合器按照设定的耦合输出分配比例，将小比例输出的微波功率PF(以下称入射功率)送至多路同轴选通开关，将大比例微波功率通过第一波导同轴转换器送入测量波导中，该微波从测量波导的一端行走到另一端，并通过第二波导同轴转换器输出；在测量波导中行走的微波能量，一部分能量被灰样管中的碳颗粒吸收，一部分透射穿过灰样管，其余部分被反射，透射部分PT(以下称透射功率)从第二波导同轴转换器输出而送至多路同轴选通开关；反射部分被回传至定向耦合器，定向耦合器又按照设定的耦合输出比例将小比例反射功率PR(以下称反射功率)送至多路同轴选通开关，而将大比例反射功率继续回传至环行器，按照环行器的传送规则，进入2端口的微波功率将传送至3端口，并被设在3端口上的匹配负载吸收；送至多路同轴选通开关的入射、反射和透射三种功率经过选通逻辑控制器的控制被分别送入功率计进行计量，从而得出所需的入射功率PF、反射功率PR和透射功率PT的测量值，用入射功率减去反射功率和透射功率，就得出灰样管中碳颗粒吸收的功率。由于每次测量时，灰样管测量段中飞灰数量的多少不可能一致，所以该专利还需要对每次功率测量值所对应的飞灰重量进行测量，用重量值除功率测量值来消除重量不一致对功率测量值的影响。

从上述测量原理可以看出，该专利需要测量入射功率、反射功率、透射功率和飞灰重量四个变量才能给出飞灰含碳量的测量值，所需测量的变量太多，导致结构复杂。其原因有二个，一是它所建立的波导测量模式不够理想，这种模式是让测量微波所携带着电磁能量从波导上的一端行走到另一端，并在途中遇到灰样管，则根据能量守衡，进入波导的入射功率应等于反射功率和透射功率及飞灰碳颗粒吸收功率之和，所以，要得出飞灰碳颗粒吸收的功率，一定得测出入射功率、反射功率和透射功率三个参数。因此，为了实现这一测量，波导上需设两个同轴波导转换器，并且测量电路选用了定向耦合器、多路同轴选通开关及选通逻辑控制器等器件，结构复杂繁琐，尤其定向耦合器的造价还非常昂贵，也很不经济。二是它用测重的方法来消除重量不一致对功率测量值的影响，这是很不理想的措施，不仅要多测一个变量，且导致结构更加复杂化，更重要的是导致灰样管下部由于要设置称重传感器而不能密封，因此，就不可能采用灰样管上部与烟道密封连接的方式直接采集灰样，而只能采用间接采集方式，这很容易导致采样延时而影响实时性。

中国专利00240532也提供了一种微波谐振腔传感器，它是用测量谐振腔品质因数Q值来确定飞灰含碳量的。它主要由一段矩形谐振腔、设在矩形谐腔两端的第一、第二波导同轴转换器、设在矩形谐振腔中部的灰样管、微波扫频信号源(扫频的频率范围为1.55～5.20GHz)和信号处理器等组成。其中矩形谐振腔与上述美国专利的测量波导结构相同。微波扫频信号源发出的微波信号通过第一波导同轴转换器送入矩形谐振腔，再从第二波导同轴转换器输出；当送入矩形谐振腔的微波信号的频率从1.55～5.20GHz变化时，在输出端可得到一个随频率变化的谐振曲线，通过测量该谐振曲线的谐振频率f₀、谐振峰值和谐振脉冲的中部宽度等值可计算出谐振腔的品质因数Q值，该Q值与飞灰含碳量具有反向曲线关系(中国专利94112176图6所示的曲线)，根据该反向曲线，在得知Q值后可对应得出飞灰含碳量。

用扫频的方法进行测量，首先一个必要条件是应在整个扫频频段内谐振腔中微波功率保持恒定，这样才能保证所得到的曲线不失真，但是由于该专利的扫频范围较宽，很难在扫频频段内的每个频率上都实现波导同轴转换器的探针与揩振腔的阻抗匹配，由于失配和微波反射，在整个扫频频段内谐振腔中的微波功率难以保持恒定，因此，所得到的测量曲线是失真的，准确性受到严重影响。再者，第二个必要条件是谐振腔要具有较高的Q值，因为Q值越高，对应的谐振曲线就越窄高，其分辨率就越高，反之，谐振曲线越矮宽，其分辨率越低，当矮宽到一定程度，就无法分辨了；又由于Q值与含碳量呈反向曲线关系，所以当含碳量高到接近或超过该反向曲线的极限值时，因Q值过低或为零，已无法分辨了，因此，它的测量上限受到限制，一般含碳量接近或超过15％，就无法测量了。

再有谐振腔的负载也会影响Q值，负载越大，Q值越低，除了波导同轴转换器的探针是固定负载不可变以外，灰样管也是负载，为了不降低Q值，必须限制灰样管管径的大小，使灰样管负载越小越好，该专利选用最大的内管径为8mm，最小的只有4mm，这样细的管子很容易造成堵灰，再加上它用的是在灰样管下部用压缩空气上吹来排灰，就容易造成堵灰，因为压缩空气常带有潮气，很容易使飞灰粘附管壁，粘附层逐渐增厚而形成堵灰。

该中国专利从结构上看，其测量电路似乎比前述的美国专利要简单得多，但测量Q值的运算软件仍很复杂，再加上上述两个技术问题难以得到解决，使其无法实际应用。

相似测量Q值的文献还有中国专利94112176，它用电位器调频，使一个圆柱形谐振腔谐振，再用检波器得到谐振曲线，它所采用谐振频率范围为8.5～10GHz。

上述三个专利中均未提及煤种变化给微波传感器测碳带来的严重影响，在现有文献中，也未见有相近的报导。但测量实践表明，当锅炉燃烧的煤种改变时会引起重大的测量误差，甚至超过飞灰含碳量的几倍，以致测量数据完全错误，不能使用，这是目前微波在线测碳系统不能广泛应用的一个重要原因。

综上所述，在已有技术中还未有人提及煤种变化给微波传感器测碳带来的严重影响，同时，现有的微波测碳传感器不是硬件结构复杂，就是软件计算复杂，且存在着堵灰、实时性差和测量范围受限等问题。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中的问题，首先解决煤种变化给微波传感器带来的严重影响，提供一种不受煤种变化影响的微波测碳传感器，同时，建立一种简单的测量模式，使该传感器结构简单、计算简单，并克服已有技术的堵灰、实时性差和测量范围受限的缺点。

为实现上述目的，本发明的解决方案如下：

为了解决煤种变化给微波传感器带来的严重影响，本发明首先对锅炉飞灰所含成份进行了分析，锅炉飞灰中包含两种成份，一种是吸收微波能量的石墨颗粒，也称为碳颗粒，另一种是无机矿物粉末。其中碳颗粒占的数量较小，无机矿物粉末占的数量较大。无机矿物粉末不导电，称为电介质，一般认为它也是不吸收微波能量的。实际上，这是一种认识误区，这些电介质也会消耗微波能量，因为这些电介质在电场的作用下，其分子的电荷会发生分裂形成偶极子，当微波电场交变时，偶极子便产生振动，发生极化损耗，从而消耗了微波能量，也就形成了对微波能量的部分吸收，这种部分吸收会叠加到测量信号中，使实际含碳值与检测值相差很大，产生严重的测量误差，而且无机矿物粉末根据煤种的不同而消耗微波能量的大小也不同，从而造成的测量误差也随着煤种的变化而变化，无法进行测量修正，致使测量无法进行。根据电磁场理论，我们可以得到无机矿物粉末(电介质)吸收微波电磁场功率的公式，即：

$>>Pd>\approx >>1>2>>>(>>>>ϵ>s>>->ϵ>>\infty >>)>{{}^{}}^{}$>

式中ε_S为电介质的静态介电常数，ε_∞是电介质在微波频率为∞时的介电常数，ω＝2πf是微波信号的角频率，τ为电介质的弛豫时间，E为微波的电场强度，V是受微波照射的电介质体积。从该公式中我们看到，无机矿物粉末吸收微波的功率Pd与微波信号角频率的平方ω²成正比，说明测量微波的频率f与无机矿物粉末吸收微波功率Pd的大小有着至关重要的关系，也就是说，如果降低测量微波的频率f，其Pd值可以大大衰减。

根据上述分析，本发明进行了实验，实验表明，当测量频率降低到0.3～1.5GHz范围内时，则Pd值可以大大减小，可使无机矿物粉末吸收的微波功率减弱到微不足道，如果大于1.5GHz，就很难达到甚至完全不可能达到此效果。同时，当微波频率降低后，由于集肤效应减弱，石墨粉的电阻率降低，感生的电流增大，石墨粉吸收的微波功率增强，因此，降低微波频率还可以提高传感器的测碳灵敏度。因此，本发明选用的测量频率范围即微波发生器输出的频率范围为0.3～1.5GHz。

本发明的具体结构如下：

它包括微波发生器、环行器、微波谐振腔、设在微波谐振腔上的灰样管和微波检波器，其特殊之处是：所述的微波谐振腔或是一个整体性的矩形谐振腔或圆柱形谐振腔，所述的灰样管从矩形微波谐振腔的E面或圆柱形微波谐振腔的圆端面垂直穿过，并固定在腔体上，在所述微波谐振腔上装有一个同轴电缆座，在该同轴电缆座的内端接有一个深入谐振腔内的探针激励器或耦合环激励器，该同轴电缆座的外端与环行器的②端口相联，所述环行器的①端口通过电缆与所述的微波信号发生器相接，所述环行器的③端口通过电缆与所述的微波检波器相接。

上述的微波谐振腔中填充有低损耗电介质。

在上述的环行器的③端口与所述的微波检波器之间接有一个隔离器。

在上述灰样管的上部设有一个灰位传感器或在灰样管的上部和下部各设有一个灰位传感器。

上述的矩形微波谐振腔采用TE₁₀₁型振荡模式。

上述圆柱形微波谐振腔采用E₀₁₀振荡模式。

通过上述解决方案可以看出，本发明首次找出了煤种变化而引起测量误差的原因，提出了用降低频率来消除该误差的措施，这是已有技术受认识局限所从未用过的一个微波低频测量频段，该措施达到了预期效果。为了简化测量，本发明建立了一个微波驻波场的测量谐振腔，这种谐振腔在不加灰样管时，入射功率等于反射功率，本发明又巧妙地利用环行器，先将微波发生器输出的入射功率从探针激励器送入谐振腔，又将由此输出的反射功率送至检波器，如果在该谐振腔中设置灰样管，其反射功率中的一部分会被飞灰中碳颗粒吸收，则微波发生器输出的入射功率减去输入到检波器的反射功率就得出碳颗粒吸收的功率。由此看出，本发明不仅避免了测量Q值的复杂运算和由此带来的测量上限受限的问题，同时，还比美国专利少了一个测量变量，即不需测量透射功率，使本发明结构和测量计算都非常简单。本发明用设置灰位传感器的方式，使灰样管测量段的灰量始终充满而保持一个恒定量，从而避免测量灰样重量，使灰样管上部可以直接与取灰器相接，不仅保证了飞灰测量的实时性，同时还比上述的美国专利省掉了一个测量变量，使测量和计算更为简单。又由于本发明的测量与谐振腔的Q值无关，所以摆脱了灰样管大小与测量灵敏度的关联，可以选择较粗的灰样管，从而消除易堵灰的因素之一。如果本发明采用谐振腔的最低谐振模式，也就是说在谐振腔内只建立起一个波节的驻波场，其谐振腔体积可做到最小，如果再将灰样管设置在谐振腔的中心部位，即驻波场最强之处，还可提高传感器的测量灵敏度。在谐振腔中填充低损耗电介质，可进一步减小谐振腔的尺寸，或者在原有的尺寸上进一步降低测量频率。

附图说明

图1、本发明的矩形谐振腔和圆柱形谐腔结构示意图之一。

图2、图1的A-A剖面图。

图3、本发明的圆柱形谐振腔结构示意图之一(图1的A-A剖面图)。

图4、本发明的矩形谐振腔和圆柱形谐腔结构示意图之二。

图5、图4的B-B剖面图。

图6、本发明的圆柱形谐振腔结构示意图之二(图4的B-B剖面图)。

图7、环行器与探针激励器的联结结构示意图。

图8、本发明灰样管支路的连接结构示意图。

具体实施方式

下面根据实施例详细说明本发明的结构及工作原理。

参见图1、2、7，件号1是所述的矩形谐振腔，该矩形谐振腔可以由两端封闭的一段矩形波导管构成，在该矩形谐振腔E面(宽面)垂直穿插一个灰样管2，该灰样管通过套在其上、下两端的金属套3、4固定在谐振腔1上，其中金属套3、4还相当于截止圆波导，它们可以防止谐振腔内的微波沿灰样管向上、下两个方向泄漏，所述的灰样管一般采用透明的石英玻璃管，并以穿插在E面中央即驻波场最强的位置为最佳。在该矩形谐振腔的E面上还装有一个所述的同轴电缆座5，并且以安装在E面中轴线上为宜，在同轴电缆座5的下端螺纹联结一个深入谐振腔内的探针激励器6，在同轴电缆座5的上端接有环行器7，该环行器7的①端口与所述的微波发生器8相接，其②端口通过手旋螺母旋接在同轴电缆座5的上端接口上，其③端口通过一个隔离器9与所述的检波器10相接。环行器7的信号传送规则是：从①端口输入环行器的信号被传送至②端口输出，而从②端口输入环行器的信号被传送至③端口输出，从③端口输入环行器的信号被送至①端口输出。该传感器的测量原理是：灰样管2从飞灰取样器中采集的被测飞灰，并充满灰样管；微波发生器8输出的微波测量信号通过电缆送至环行器7的①端口，环行器7根据其传送规则将此信号传送至②端口，并通过同轴电缆座5送给探针激励器6，从而在谐振腔1内的空间中建立起驻波场，进入谐振腔内的微波功率除去被灰样管中的碳颗粒吸收的功率外，其余功率全部反射向探针激励器6，该反射功率又通过同轴电缆座5输出而送至环行器的②端口，环行器又按照其传送规则将②端口输入的微波功率传至③端口输出，并通过电缆送至隔离器9，隔离器9再通过电缆送至检波器10，由检波器输出。其中隔离器9具有单向导波作用，它用于防止检波器输入端的反射波回传至微波发生器，以致破坏微波发生器的稳定性。

参见图8，本例灰样管2选用外径为25mm和内径为22mm的石英玻璃管，该灰样管的上部接有一个飞灰取样器，该取样器是一个垂直深入烟道26的斜口接料斗15，烟气流沿箭头方向从烟道中穿过，其中的飞灰碰到接料斗上端的斜口时，即顺接料斗下落；在该接料斗的下端外部装有一个防止飞灰粘着管壁的振动器22，该接料斗下端通过法兰盘连接一个用于干燥飞灰的加热管段16，在该加热管段外套有一个螺线管电加热器17，该加热管段的下端通过弹性密封管18与灰样管2的上端相接，灰样管下端通过法兰盘连接一个封灰管19，在封灰管的下端装有一个由电磁驱动的扛杆式排灰器20和管壁振动器21，在封灰管的下方设有一个接灰器25；所述的上、下灰位传感器23、24安装在金属套3、4上，灰位传感器可以采用一个发光二极管和一个光敏接收管，当灰样管中的灰位上升而挡住上灰位传感器23中的发光二极管时，光敏接收管接收不到信号，则接收电路给出零电平或高电平有效信号，则测量控制器先控制从检波器采样一次，再控制排灰器20开始排灰，则灰位开始下降，这次采样的信号是反射功率；当灰位下降超过下灰位传感器24时，下灰位传感器24也相应输出一个有效信号，则测量控制器再控制采样一次，然后再控制停止排灰，这次采样的信号是入射功率，用入射功率减去反射功率即完成一个点的测量，如此循环，完成随时间延续其含碳量各点的测量。如果微波发生器是一个很稳定的恒功率源，也可以省掉测量入射功率这一步，即只设置一个上灰位传感器23，当灰位上升超过传感器23时，则传感器给出一个有效信号，则控制器先控制采样一次，再控制排灰，灰位开始下降，采样测出的是反射功率，用恒功率源的输出值减去该采样值即完成一个点的测量；当灰位下降超过传感器23时，又输出一个有效信号，则控制停止排灰，如此循环，完成各点的测量。

再参见图1，在所述的矩形谐振腔中可以填充低损耗的电介质13，如：聚四氟乙烯，聚乙烯、聚苯乙烯、云母、高频陶瓷、石英等，它们的介电常数ε_γ都大于空气或真空的介电常数1，根据下述的公式①，介电常数ε_γ越大，谐振腔的尺寸越小，或者利用填充电介质在原谐振腔尺寸不变的基础上再进一步降低测量频率。

为了使该矩形谐振腔1的体积做到最小，该谐振腔可采用TE₁₀₁型振荡模式。根据电子工业出版社出版的《电磁场理论基础》一书，同一个谐振腔可谐振于无限多个谐振频率，谐振波长最长的模式称为腔的最低谐振模式，在矩形谐振腔中，最低谐振模式是TE₁₀₁型振荡模式，也就是说，在该谐振腔中只建立一个波节的驻波场，使谐振腔的内腔长度L等于半个波导波长，其谐振波长λ₀与谐振腔长度L和E面宽度a的关系满足公式：

E面宽度a满足： >

H面高度b满足： >

式中λ₀可以根据选定的测量微波的频率确定，ε_γ为谐振腔填充电介质的介电常数。

参见图3，图1中所述的谐振腔也可以采用一个圆柱形谐振腔11，其它结构与矩形谐振腔相同。仍然是为使谐振腔的体积做到最小，圆柱形谐振腔采用E₀₁₀振荡模式，该振荡模式是圆柱形谐振腔的最低谐振模式，其谐振波长λ₀与谐振腔内壁半径的关系满足公式 $>>>\lambda >0>>=>2.61>>>ϵ>\gamma >\; >R>,>$>式中λ₀可以根据选定的测量微波的频率确定，ε_γ为谐振腔填充电介质的介电常数。其工作原理与图1相同。

参见图4、5，图1中的探针激励器也可以用耦合环激励器12代替，该耦合环激励器安装在矩形谐振腔的端板上。其工作原理与图1相同。

参见图6，图3中的探针激励器同样也可以采用耦合环激励器12代替，它安装在圆柱形谐振腔的圆周板上。其工作原理与图1相同。