一种基于微波谐振腔传感器的气固两相流固相浓度测量系统及方法技术方案

本发明专利技术一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统，包括用于产生微波扫频信号及对电磁波进行测试的微波测量模块和微波谐振腔传感器；所述微波谐振腔传感器包括包裹在有气固两相流流过的测试管道外部的微波谐振腔及用于对所述微波测量模块产生微波扫频信号馈电至所述微波谐振腔的第一环状天线；所述第一环状天线同时将所述微波谐振腔内反射回来的微波信号传送给所述微波测量模块，所述微波测量模块对输出电磁波进行测试，得到扫频范围内的S11参数。本发明专利技术的测量系统基于微波法，具有灵敏度高，检测场均匀，响应速度快，性能稳定，无放射性等一系列优点；本发明专利技术为非接触式测量，防止了固相对传感器的磨损及传感器对流场的干扰。的干扰。的干扰。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微波谐振腔传感器的气固两相流固相浓度测量系统及方法


[0001]本专利技术属于固相浓度测量领域，涉及一种基于微波谐振腔传感器的气固两相流固相浓度测量系统及方法。

技术介绍

[0002]气固两相流广泛存在于如冶金及电力等行业的固体煤粉燃料气力输送过程中。实时动态的监测其流动参数是提高煤粉燃烧利用率，提高经济效益及减少环境污染的重要保证。在煤粉燃料的输送过程中，气固两相流在管道内的相分布极不均匀，且固相的水分含量也是一个易变化的未知量，这些都给气固两相流固相浓度的在线测量带来了挑战。射线法，声学法，光学法，静电法，电容法及微波法等已经被研究用于测量固相浓度。射线法在应用过程中需要考虑使用时的安全防护问题。声学法在应用时容易受如温度及介质密度等对声波传播的影响，且固相的非均匀分布会对测量产生影响。光学法具有相对较高的应用成本，且需防止光学器件被污染。静电法及电容法等具有成本低，响应速度快，性能稳定及易于实现等优点，但固相分布的非均匀性及水分含量的变化均会给固相浓度的测量带来影响。关于微波法在固相浓度测量方面的研究并不多，且主要集中在微波多普勒法及微波透射法，而将微波谐振腔法应用于气固两相流固相浓度测量的研究十分的欠缺。

技术实现思路

[0003]为了解决上述问题，本专利技术提供本专利技术采用的技术方案是：一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统，包括用于产生微波扫频信号及对电磁波进行测试的微波测量模块和微波谐振腔传感器；所述微波谐振腔传感器包括包裹在有气固两相流流过的测试管道外部的微波谐振腔；及用于对所述微波测量模块产生微波扫频信号馈电至所述微波谐振腔的第一环状天线；
[0004]所述第一环状天线同时将所述微波谐振腔内反射回来的微波信号传送给所述微波测量模块，所述微波测量模块对输出电磁波进行测试，得到扫频范围内的S11参数。
[0005]进一步地：所述微波测量模块采用矢量网络分析仪。
[0006]进一步地：所述微波谐振腔传感器采用圆柱形微波谐振腔传感器。
[0007]进一步地：所述圆柱形微波谐振腔传感器的直径CR＝63mm，微波谐振腔传感器的高度CH＝74mm，微波谐振腔传感器工作在TM010模式。
[0008]进一步地：所述第一环状天线的环的半径LR＝9mm，环状天线中心距谐振腔底部的距离LS＝8.5mm。
[0009]进一步地：所述微波谐振腔传感器还包括与微波谐振腔两端分别连接、包裹在所述测试管道外部的第一谐振腔体延伸部和第二谐振腔体延伸部。
[0010]一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统的测量方法，采用下列公式实现水分含量变化的条件下的固相浓度φ的准确测量；
[0011][0012]φ＝f(f
N
)
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0013]其中：f
r
为测量的谐振频率，f
N
为归一化谐振频率，f
re
为所述测量系统测试管道内为空气时候的谐振频率，f
rs
为所述测量系统测量的管道内充满被测固相时候的谐振频率，谐振频率f
r
与腔内的混合介电常数ε
m
有关。而混合介电常数由流体的固相浓度与固相及气相的介电常数决定，因此谐振频率与固相的浓度信息φ和固相及气相的介电常数有关，即受固相水分含量变化的影响。通过定义归一化谐振频率，使计算的归一化谐振频率f
N
只与固相的浓度φ有关，因此通过计算归一化谐振频率，就可以实现水分含量变化的条件下的固相浓度φ的准确测量。
[0014]本专利技术提供的一种基于微波谐振腔传感器的气固两相流固相浓度测量系统及测量方法，基于管径大小优化构建微波谐振腔传感器，搭建微波谐振腔传感器测量系统，将微波谐振腔传感器安装在管道上，通过谐振频率的移动测量混合介电常数的变化。定义归一化谐振频率并建立其与固相浓度的关系，使归一化谐振频率与固相浓度的关系不受水分含量的影响，实现水分含量变化的条件下的固相浓度的准确测量。微波谐振腔传感器通过对工作模式的选择和尺寸的优化确定，可以获得高灵敏且均匀的检测场，使微波谐振腔传感器对固相浓度具有很高的分辨率，且传感器输出几乎不受固相的分均匀分布的影响。发展用于气固两相流的微波谐振腔传感器，将为气固两相流固相浓度的准确测量提供新的有效方法与途径。具有以下优点：
[0015](1)本专利技术的测量系统基于微波法，具有灵敏度高，检测场均匀，响应速度快，性能稳定，无放射性等一系列优点；
[0016](2)本专利技术为非接触式测量，微波谐振腔传感器与气固两相流不直接接触，防止了固相对传感器的磨损及传感器对流场的干扰；
[0017](3)本专利技术的可消除固相水分含量影响的固相浓度测量方法可以不受固相非均匀分布的影响，通过计算归一化谐振频率，可实现水分含量变化的条件下的固相浓度的准确测量。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为微波谐振腔传感器测量系统结构图；
[0020]图2为微波谐振腔传感器结构图；
[0021]图3为水分含量为0％时，微波谐振腔传感器的S11(dB)对不同固相浓度的响应关系图；
[0022]图4为水分含量为0％时，圆柱形固相分布在管道中心处，左侧及右侧时，微波谐振腔传感器的谐振频率与固相浓度的关系图；
[0023]图5为水分含量为0％，2％和4％时，微波谐振腔传感器的谐振频率与固相浓度的关系图；
[0024]图6水分含量为0％，2％和4％时，微波谐振腔传感器的归一化谐振频率与固相浓度的关系图；
[0025]图7为不同水分含量下微波谐振腔传感器的固相浓度测量结果图。
[0026]附图标记：1、微波谐振腔；2、第一环状天线；3、第一谐振腔体延伸部；4、测试管道；5、微波测量模块；6、谐振频率输出；7、第二环状天线；8、第二谐振腔体延伸部；9、微波谐振腔传感器。
具体实施方式
[0027]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。
[0028]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0029]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统，其特征在于：包括用于产生微波扫频信号及对电磁波进行测试的微波测量模块和微波谐振腔传感器；所述微波谐振腔传感器包括包裹在有气固两相流流过的测试管道外部的微波谐振腔；及用于对所述微波测量模块产生微波扫频信号馈电至所述微波谐振腔的第一环状天线；所述第一环状天线同时将所述微波谐振腔内反射回来的微波信号传送给所述微波测量模块，所述微波测量模块对输出电磁波进行测试，得到扫频范围内的S11参数。2.根据权利要求1所述的一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统，其特征在于：所述微波测量模块采用矢量网络分析仪。3.根据权利要求1所述的一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统，其特征在于：所述微波谐振腔传感器采用圆柱形微波谐振腔传感器。4.根据权利要求1所述的一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统，其特征在于：所述圆柱形微波谐振腔传感器的直径CR＝63mm，微波谐振腔传感器的高度CH＝74mm，微波谐振腔传感器工作在TM010模式。5.根据权利要求1所述的一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统，其特征在于：所述第一环状天线的环的半径LR＝9mm，环状天线中心距谐振腔底部的距离LS＝8.5mm。6.根据权利要求1所述的一种基于微波谐振腔传感器的固相浓度测量系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：王大阳，孙久翔，刘潇潇，朱增妍，王玉涛，杨钢，陆增喜，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：