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

摘要

本发明提供了用于监测管道中的载有微粒的流的技术，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。

说明书

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P_Line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：

$f_c=\frac{j_{10}c}{2\mathrm{\pi R}}=0.5861\frac{c}{2R}$

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P_Line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：

$\mathrm{\Delta P}=\mathrm{\rho gh}+K\frac{1}{2}\rho u^2,---\left(1\right)$

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＝φ_AIRρ_AIR+φ_COALρ_COAL，(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φ_COAL＜＜φ_AIR， 因此有：

ρ＝ρ_AIR·(1+CAR)，(3)

其中，CAR是煤炭/空气质量比：

$\mathrm{CAR}=\frac{{\stackrel{·}{m}}_{\mathrm{COAL}}}{{\stackrel{·}{m}}_{\mathrm{AIR}}},---\left(4\right)$

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＝P_LINE-P_FURNACE.(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：

$K=\frac{\frac{\mathrm{\Delta P}}{{\rho }_{\mathrm{AIR}}(1+\mathrm{CAR})}-\mathrm{gh}}{\frac{1}{2}{u}^2}.---\left(8\right)$

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。