测量密度和质量流量的方法技术

对以气体作为流动相的分散体系测定密度和质量流量，方法是顺着流动方向和逆着流动方向测定体系中的声波速度。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种对以气体作为流动相的分散体系测定密度和质量流量的方法。现有技术在测定超声脉冲的通过时间的基础上测量液体和气体的质量流量的设备是由例如Panametrics Ltd.生产的。Gopel W，Hesse J，Zemel J N的书“传感器”，第7卷，(机械传感器)VCH Weinheim1993年出版，ISBN 3-527-26773-5，其中有大多数物理量的测量方法的汇编，尤其还论述了使用(超)声波技术。为了要测量多组份气体的密度，人们的注意力放在了从测定的声音速度来计算气体密度的可能性上。为了测定例如在水和其他液体中的流速和质量流量，已有描述的方法是令超声脉冲从液流流经的管中倾斜通过。在炼厂的特殊应用中，从气流中泄漏的气流是由分子质量的变化来确定的。(见SmallingJ W，Braswell L D，Lynnworth L C，Wallace D R，Proc.39th AnnualSymp.on Instrumentation for the Process Industries，ISA(1984)27-38，和Smalling J W，Braswell L D，Lynnworth L C 和US4596133(1986))。本专利技术提供一种对以气体作为流动相的分散体系，所述方法的特征在于在流动的分散体系中顺着流动的方向和逆着流动方向测定声波的传播速度(音速)。所使用的声波可以是连续声音的形式或声波脉冲的形式。1、物理背景1、1悬浮体密度的测定在纯的气体中，声音的速度只依赖于介质的密度和介质的压缩系数。例如，在空气中有下式CL=1KL·PL------(1)]]>其中CL＝声音在空气中的速度，KL＝空气的压缩系数，PL＝空气的密度。在分散体系中声音的速度一般强烈地依赖于声音的波长和分散颗粒的大小。但如果颗粒的大小比波长小得多，那么对声音的传播来说，悬浮体的行为象均一的系统，因此等式(1)是适用的。然后须用两相的平均值来得到密度和压缩系数，即。 K＝(1-CV)·KL+CV·KP(3)P＝(1-CV)·PL+CV·PP(4)CV体积浓度L空气；P颗粒如果测得这种悬浮体中的音速，然后由等式(2)到(4)可以计算出颗粒的体积浓度。随后由所得结果容易确定堆密度或传送密度。附图说明图1示意了由等式(2)计算的音速相对堆密度的曲线。对于更高的堆密度值音速会又升高。如果可以假定这样大的密度值，测得的c值对堆密度不可能有明确的对应关系。在轻的疏松物料如二氧化硅气凝胶或碳黑的情况下，原则上适用曲线的单调下降区域。当然，必须检查相对于波长来说颗粒是否足够小。声波代表或强或弱地传给颗粒的空气振动。如果颗粒能够完全匹配空气的振动，即如果它们的振幅与空气的完全相同，则适用对均匀介质的假定。对于两个振幅的比例，Skudrzyk在他的书Grundlagen der Akustik(SpringerVerlag 1954)中指出了可以求解音频的关系。如果，任意地，需要振幅比＝0.99，在这种情形下对于35nm粒径的颗粒(二氧化硅气凝胶)所得的声音频率为f＝2.5MHz。本专利技术的目的是在尽可能宽的粒径范围下使用等式(2)，因此本专利技术提供在远低于这一限制的频率，特别优选在20-2000Hz，尤其是105-2000Hz下进行测定的方法。在此频率范围下声音的减弱非常轻微，因此能够通过选择非常长的测定长度来实现非常精密的测量。但悬浮体中肉眼可看到的不均匀如大的团块会带来问题。这样的堆密度较高的区域不再远小于波长，它们使音速依赖于频率。但结果出现的误差可以由经验校准来补偿。根据本专利技术，在选择测量频率中的另一个可以考虑的标准是测量所用的管线的直径。如果实施的方法选为相对管轴的纵向测量声音的传播，则倾斜发射的波部分将经多次反射在管壁上后才到达接收器，它们与直接通过的波叠加，使结果发生偏差。因此，在本专利技术的具体实施方案中规定所选择的音频使波长至少等于管径的二分之一。对于这样的波和更长的波，其传播仅可能在管轴的方向上，于是避免了误差。另一方面，必须考虑与声波一起振动的物质在管壁上受到的摩擦，所述的摩擦由管表面的情况而定。此摩擦也导致不能预先计算声音传播速度的变化，并且声音传播速度的变化会随时间而变，例如在发生腐蚀的情况下。当波长变得明显长于管径时，管壁的影响会首先被感觉到。因此，在具体的实施方案中规定波长应当介于管径的二分之一和10倍之间。1、2流速和质量流量的测定如果在流动的悬浮体中传播的声波与流动方向相同(“顺流”)，静态的观察者可看到声波速度随流速而升高。在传播与流动的方向相反的情况下，测量值相应地较小。为了同时测量悬浮体的密度和流速，必须尽可能同时测量顺着流动方向和逆着流动方向的两个声波速度。测定声波速度的技术在下面的部分更详细地阐述；原理是测定声波经过已知距离L所需要的时间T。给定不动悬浮体的声波速度c和流速v，顺着流动方向的传播的距离-时间定律为 而与流动方向相反的传播为 从这两个等式得出要求的两个量的条件等式 和 给定管线的横截面积A，最终质量流量为m＝P·v·A (9)一个实际的数字例子可以用来例证测定的概念管中的堆密度 P＝30g/l；声波速度 c＝70m/s；(图1)传送速度 v＝3m/s；接收器距离L＝300mm然后测定下列值单向通过时间 T顺＝4.11ms；T逆＝4.48ms然后在两个声波速度的平均值的基础上通过等式(8)确定堆密度。但两个值的差，彼此比较接近，代入等式(7)。因此必须非常精确地测量，才能通过将数次测定的通过时间平均以便将随机误差尽可能地减小。别的情况下也会产生误差，特别是当通过时间T顺和T逆在不同的时间测量时，及当时疏松物料的密度发生变化的时候。本专利技术特别优选的实施方案提供了精确地在同一时间测定两个通过时间的方法。2、测定声波速度的设备本专利技术的另一个课题是用来对以气体作为流动相的分散体系测量密度和质量流量的设备，所述设备的特征在于，在分散体系的传送线路上设置一个声源(声波换能器)，和位于声源一定距离处的不同的至少两个声波接收器-换能器。设置图2示意了一种可能的测定声波速度的设置。一个信号发生器首先以电信号的形式产生声波脉冲。电信号被声波换能器(在最简单的情况下为一台普通扬声器)转换成声波并被导入悬浮体中，导入方式是使声波同时顺着流动方向和逆着流动方向传播。声波接收器-换能器(扩音器或压力计)将声波转换回电信号。在上游和下游都需要一对接收器。位于下游的两个接收器接收到，例如，相同的信号，但是信号因信号的通过时间T顺而有位移。自动测定两个通过时间T顺和T逆，并用于等式(7)至(8)来计算所要求的量。由于在浓度波动的情况下声波速度和声波弱化的差异很大，在每个传送方向最好使用不只两个接收器，以便能够从所接收的不同信号中收集用于评价的最佳信号，并且能够在用连续声音测量的情况下明确地测定出波的相位置。图3代表的另一种设置在细节上与第一个设置略有不同。它仅用两个接收器，但，这里同样可以使用多个接收器。为此目的需要交替或同时发出脉冲的两个发射器。如果它们同时操作，测得的通过时间精确地涉及相同的悬浮体段。结果，随机出现的不均匀如气泡会给流速测定带来本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对以气体作为流动相的分散体系测定密度和质量流量的方法，其特征在于顺着流动方向和逆着流动方向测量流动分散体系中的声波传播速度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：乌尔里希里贝尔，彼得哈奇基安，
申请(专利权)人：德古萨于尔斯股份公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]