СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА СТРУИ ГАЗА
METHOD AND DEVICE FOR MEASUREMENT OF GAS JET FLOW RATE

Изобретение относится к способу измерения скорости потока струи газа. Согласно второму аспекту, изобретение относится к устройству измерения скорости потока струи газа с (a) первым датчиком инфракрасного излучения для измерения с временным разрешением первого параметра инфракрасного излучения в инфракрасном излучении струи газа для получения первой кривой параметра инфракрасного излучения, (b) вторым датчиком инфракрасного излучения для измерения второго параметра инфракрасного излучения в инфракрасном излучении струи газа для получения второй кривой параметра инфракрасного излучения и (c) блоком оценки, который выполнен с возможностью автоматического вычисления времени прохождения между первой кривой параметра инфракрасного излучения и второй кривой параметра инфракрасного излучения, в частности, посредством кросскорреляции, и вычисления скорости потока на основе времени прохождения.
Скорость потока газов необходимо измерять во многих случаях. Эта задача измерения особенно сложна, если газы очень горячие и/или агрессивные. В случае высоких температур, например, более 1000°C, необходимо использовать материалы, которые устойчивы к высоким температурам, что является дорогостоящим. Агрессивные газы приводят к увеличению износа. Например, если струя газа переносит твердые частицы, такие как зола, углерод, шлак или частицы цемента, это может приводить к значительному абразивному износу измерительного устройства при использовании. Если газ содержит окислительные компоненты, например, это также может приводить к химическому износу. Несмотря на потенциально неблагоприятные условия окружающей среды, желательна высокая степень точности измерений, поскольку это приводит к улучшению управляемости технической установкой, в которой измеряется скорость потока.
Известной практикой является измерение колебаний температуры в струе газа в точках, расположенных на расстоянии друг от друга, и определение временного смещения двух температурных кривых посредством кросскорреляции. Скорость потока струи газа может быть определена на основе смещения времени и расстояния между двумя точками измерения.
Недостаток этого способа измерения скорости потока заключается в том, что сложно достигать высоких степеней точности.
DE69921009T2 описывает оптический измеритель скорости потока, конкретно для трубопроводов природного газа, в котором измеряется рассеянный свет на частицах. Если концентрация частиц слишком низкая, добавляется больше частиц.
DE3827913A1 описывает способ и устройство определения скорости потока, который включает в себя измерение рассеянного света на частицах. Соответственные точки измерения расположены на расстоянии друг от друга. Скорость получают с использованием вычисления корреляции результатов измерений.
US9157778B2 подробно излагает способ измерения потока газа, в котором измеряют поглощение излучения в двух точках измерения на расстоянии друг от друга. Скорость потока вычисляют путем определения времени прохождения возмущения. Это возмущение может быть вызвано, например, введением газа.
Изобретение направлено на улучшение измерения скорости потока струи газа.
Изобретение решает проблему посредством способа, включающего в себя этапы, на которых (a) выполняют измерение с временным разрешением параметра инфракрасного излучения в инфракрасном излучении струи газа в первой точке измерения за пределами струи газа, тем самым получая первую кривую параметра инфракрасного излучения, (b) выполняют измерение с временным разрешением параметра инфракрасного излучения во второй точке измерения снаружи трубы, тем самым получая вторую кривую параметра инфракрасного излучения, (c) выполняют вычисление времени прохождения от первой кривой параметра инфракрасного излучения и второй кривой параметра инфракрасного излучения, в частности, посредством кросскорреляции и (d) выполняют вычисление скорости потока на основе времени прохождения, причем (e) параметр инфракрасного излучения измеряют фотоэлектрически на длине волны по меньшей мере 780 нм, главным образом 1,5 мкм.
Согласно второму аспекту, изобретение решает проблему посредством устройства согласно ограничительной части формулы изобретения, в котором датчики инфракрасного излучения представляют собой фотоэлектрические датчики инфракрасного излучения и имеют диапазон измерений, чей нижний предел составляет, по меньшей мере, 0,78 мкм, и частоту измерений, по меньшей мере, 1 кГц.
Преимущество изобретения заключается в том, что скорость потока может быть измерена с более высокой степенью точности. Причина этого заключается в том, что возможно абсолютное фотоэлектрическое измерение параметра инфракрасного излучения; в случае пирометрического измерения, например, это, в общем, возможно, только если коэффициент эмиссии является постоянным, что часто не может быть гарантировано.
Особенно предпочтительно, если параметр инфракрасного излучения измеряют на длине волны, по меньшей мере, 0,78 мкм, в частности, по меньшей мере, 1,5 мкм. В этом случае влияние излучения черного тела используется эффективно. Излучение черного тела может возникать, например, от стенок трубы, по которой проходит струя газа, или от частиц в струе газа. Газы с длинами волны возбуждения выше 1,5 мкм поглощают и повторно испускают в этом диапазоне длин волны фоновое излучение черного тела так, что колебания концентраций газа особенно заметны. Постоянный во времени фон, например, не имеет значения при вычислении с использованием кросскорреляции.
Предпочтительно, если параметр инфракрасного излучения измеряют на длине волны не более 6 мкм, в частности, не более 5,3 мкм. Было показано, что таким образом может быть достигнута особенно высокая степень точности измерений скорости потока.
Изобретение основано на знании того, что локальные отклонения или неоднородности в параметре инфракрасного излучения схожи до тех пор, пока эти отклонения перемещаются с той же скоростью, что и сама струя газа. Эти колебания могут иметь несколько причин. Во-первых, это может быть вопросом тепловых колебаний, что означает, что температура струи газа пространственно неоднородна в заданный момент времени. Если эта неоднородность перемещается со скоростью потока струи газа, скорость потока может быть определена на основе колебаний температуры.
Если газ представляет собой смесь разных газов, т.е. если газ является смесью газов в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, могут возникать отклонения концентрации газов. Было доказано, что пространственное распределение концентрации газов локально более стабильно, чем распределение температуры. Причина этого может заключаться в том, что известны три механизма для уравновешивания различий в температуре, а именно смешивание, теплопроводность и тепловое излучение. И наоборот, отклонения концентрации могут быть уравновешены только с помощью диффузии. Локальное распределение различий в концентрации в связи с этим более стабильно с точки зрения времени. В результате первая кривая параметра инфракрасного излучения и вторая кривая параметра инфракрасного излучения больше схожи друг с другом так, что вычисление времени прохождения может быть достигнуто с более низкой степенью неопределенности измерений.
В пределах объема настоящего описания термин «параметр инфракрасного излучения» необходимо понимать означающим значение или вектор, который обозначает интенсивность электромагнитного инфракрасного излучения, вызванного инфракрасным излучением струи газа в интервале измерений. Если плотность, температура и состав струи газа изменяются, то изменяется и параметр инфракрасного излучения.
Струя газа предпочтительно тычет в трубе, а параметр инфракрасного излучения измеряется с точки измерения снаружи трубы. Альтернативно, также возможно, что струя газа распространяется свободно, например, вытекает из выпускного отверстия и выходит в окружающую среду или более большую полость.
Частота измерений составляет предпочтительно, по меньшей мере, 1,5 кГц, особенно предпочтительно, по меньшей мере, 16 кГц. Как правило, чем выше частота измерений, тем ниже степень неопределенности измерений, используемая для определения времени прохождения. Однако до сих пор имелись ограничения на увеличение частоты измерений, поскольку известный уровень техники использует только пирометрические измерения, но не фотоэлектрические.
Предпочтительно, параметр излучения измеряется в аналоговой форме, но затем переводится в цифровую форму, причем битовая глубина предпочтительно составляет 16 бит.
2
3
Согласно предпочтительному варианту осуществления, струя газа представляет собой струю смеси газов, которая содержит первый газ и, по меньшей мере, второй газ, причем первый газ имеет длину волны возбуждения первого газа, а параметр инфракрасного излучения представляет собой интенсивность излучения датчика инфракрасного излучения на длине волны возбуждения первого газа. Первый газ может представлять собой, например, водяной пар, оксид азота, метан, диоксид углерода, монооксид углерода, оксид серы или триоксид серы, NOx, HS, HF, NH и все инфракрасно-активные молекулы. Второй газ представляет собой газ, отличный от первого газа, и представляет собой также, например, водяной пар, оксид азота, метан, диоксид углерода, монооксид углерода, оксид серы или триоксид серы.
Признак, заключающийся в том, что параметр инфракрасного излучения представляет собой интенсивность излучения на длине волны возбуждения первого газа, необходимо понимать особенно означающим, что изменение в концентрации первого газа ведет, при условиях, которые в остальном остаются такими же, к изменению в параметре инфракрасного излучения. Предпочтительно, отфильтровываются компоненты излучения, которые лежат за пределами заранее определенного интервала измерений, который содержит длину волны возбуждения первого газа. Ширина этого интервала измерений предпочтительно меньше 0,5 мкм, предпочтительно меньше 0,4 мкм.
Предпочтительно, второй газ имеет длину волны возбуждения второго газа, и способ включает в себя этапы, на которых (a) выполняют обнаружение с временным разрешением второго параметра инфракрасного излучения в форме интенсивности излучения на длине волны возбуждения второго газа в первой точке измерения, тем самым получая первую кривую интенсивности излучения, (b) выполняют обнаружение с временным разрешением второго параметра инфракрасного излучения во второй точке измерения, тем самым получая вторую кривую интенсивности излучения, (c) выполняют вычисление второго времени прохождения между кривыми интенсивности излучения, в частности, посредством кросскорреляции, и (d) выполняют вычисление скорости потока на основе первого времени прохождения и второго времени прохождения. Другими словами, времена прохождения измеряют с использованием двух разных колебаний в концентрации. Преимущество этого заключается в том, что степень неопределенности измерений может быть уменьшена.
Инфракрасное излучение струи газа, которое не лежит в пределах заранее определенного интервала измерений, например, ±0,3 мкм от длины волны возбуждения первого газа, или в пределах заранее определенного интервала ±0,3 мкм от длины волны возбуждения второго газа, предпочтительно отфильтровывают. Особенно предпочтительно, если отфильтровывают инфракрасное излучение, которое не лежит в заранее определенных интервалах ±0,2 мкм от соответственной длины волны возбуждения. Преимущество этого заключается в том, что степень неопределенности измерений может быть дополнительно уменьшена, поскольку имеется меньше перекрытий с другими колебаниями компонентов излучения, которые могут приводить к эффекту усреднения.
Температура струи газа составляет предпочтительно, по меньшей мере, 200°C, особенно предпочтительно, по меньшей мере, 1000°C. Преимущества изобретения особенно очевидны при высоких температурах.
Детектор на основе арсенида-артемонида индия предпочтительно используется для измерения параметра инфракрасного излучения. Альтернативно или дополнительно, может быть использован детектор на основе теллурида кадмия-ртути.
С устройством согласно изобретению диапазон измерений датчиков инфракрасного излучения предпочтительно лежит между 1 и 6 мкм, особенно между 1,5 и 6 мкм.
Предпочтительно, если блок оценки выполнен с возможностью автоматического выполнения способа согласно изобретению. Это необходимо понимать как означающее, что блок оценки автоматически выполняет способ без вмешательства человека.
Предпочтительно, если устройство имеет трубу для проведения струи газа, в котором первый датчик инфракрасного излучения и второй датчик инфракрасного излучения расположены с возможностью обнаружения инфракрасного излучения снаружи трубы. В частности, датчики инфракрасного излучения расположены снаружи трубы. Если температура струи газа во время работы устройства больше 200°C, датчики инфракрасного излучения предпочтительно располагаются на таком расстоянии от струи газа, что температура в этой точке составляет не более 100°C, предпочтительно не более 80°C. Расположение датчиков инфракрасного излучения на расстоянии от струи газа имеет дополнительное преимущество в том, что химический и/или абразивный износ может стать ничтожно малым.
Предпочтительно, устройство согласно изобретению имеет (a) первую измерительную линию, которая проходит поперечно трубе струи газа и выполнена с возможностью проведения первого пучка инфракрасного излучения от струи газа до первого датчика инфракрасного излучения, (b) вторую измерительную линию, которая проходит поперечно трубе и выполнена с возможностью проведения второго пучка инфракрасного излучения от потока газа до второго датчика инфракрасного излучения, причем измерительные линии расположены таким образом, что пучки инфракрасного излучения образуют угловое отклонение ϕ не более 45°, в частности не более 20°, предпочтительно не более 10°. Таким образом, структуры турбулентности в первой точке измерения и второй точке измерения особенно схожи друг с другом, тем самым обеспечивая, что может быть достигнута низкая степень неопределенности измерений скорости потока.
Предпочтительно, датчики инфракрасного излучения не чувствительны ниже длины волны 1,5 мкм, предпочтительно ниже 780 нм. Это необходимо понимать как означающее, что спектральная чувствительность ниже этой длины волны составляет не более одной третьей, в частности, не более одной десятой, максимальной спектральной чувствительности. Спектральная чувствительность указывается в ампер/ваттах.
Предпочтительно, датчики инфракрасного излучения также не чувствительны выше 15 мкм, предпочтительно выше 5,5 мкм. Длины волны возбуждения вибраций обычно встречающих газов, таких как диоксид углерода, монооксид углерода и вода, лежат в интервале длин волны между 1,5 и 6 мкм. В то же время, как отмечено выше, фоновое излучение черного тела достаточно интенсивно для получения хорошего отношения сигнал-шум.
Датчики инфракрасного излучения предпочтительно расположены так, что максимальный диаметр пучка инфракрасного излучения составляет максимум 200 миллиметров. Чем меньше диаметр пучка инфракрасного излучения, тем меньше усредняются отклонения и тем больше колеблется сигнал. Предпочтительно, если минимальный диаметр пучка инфракрасного излучения составляет, по меньшей мере, 1 миллиметр. Если диаметр пучка инфракрасного излучения становится слишком маленьким, отношение сигнал-шум ухудшается.
Предпочтительно, (a) первый датчик инфракрасного излучения расположен так, что первый пучок инфракрасного излучения проходит по первой прямой линии, (b) второй датчик инфракрасного излучения расположен так, что второй пучок инфракрасного излучения проходит по второй прямой линии, и линия минимального расстояния между обеими прямыми линиями продолжается в направлении потока. Расстояние между двумя прямыми линиями представляет собой измерительное расстояние. Измерительное расстояние составляет предпочтительно, по меньшей мере, 50-1000 миллиметров, особенно не более 600. Также предпочтительно, если измерительное расстояние составляет не более 600 миллиметров.
Особенно предпочтительно, если две прямые линии проходят параллельно в техническом смысле, что означает, что идеальная параллельность в математическом смысле предпочтительна, но обычно не может быть достигнута. В связи с этим допустимы отклонения, например, ±5°.
Измерительное расстояние между двумя прямыми линиями предпочтительно соответствует частному от скорости потока и 1000 герц и/или не более чем частному от скорости потока и 100 герц. На этом расстоянии степень неопределенности измерений при определении скорости потока уже очень низка из-за степени неопределенности со временем прохождения. Кроме того, степень неопределенности, обусловленная изменением в характере неоднородности, еще не настолько велика, чтобы оказывать слишком сильное отрицательное влияние на степень неопределенности измерений.
Устройство предпочтительно не выступает в трубу. Это необходимо понимать как означающее, что никакая часть устройства не выступает более чем на одну десятую, в поперечное сечение трубы. Системы, известные из уровня техники, часто имеют фурмы, которые генерируют турбулентность в струе газа. Недостаток этого заключается в том, что это вызывает уменьшение скорости потока и в связи с этим уменьшение эффективности контролируемой установки. Другими словами, параметры инфракрасного излучения предпочтительно измеряются на невозмущенной или не активно возмущенной струе газа.
Далее изобретение будет объяснено более подробно с помощью приложенных фигур. Они показывают:
фиг. 1 - устройство согласно изобретению для выполнения способа согласно изобретению согласно первому варианту осуществления;
фиг. 2 - устройство согласно изобретению для выполнения способа согласно изобретению согласно второму варианту осуществления;
фиг.. 3 изображает устройство согласно изобретению для выполнения способа согласно изобретению согласно третьему варианту осуществления.
Фиг. 1 показывает печь 10, в которой струя 14 газа, в этом случае в форме струи выхлопного газа, образуется путем сгорания или других экзотермических процессов или внешней подачи тепла топлива посредством горелки 12. Температура T струи 14 газа выше T = 1400°C, например. Как в настоящем случае, печь 10 может представлять собой устройство для нагревания металлической ванны или стеклянной ванны 16. Печь также может, например, являться частью электростанции или цементного завода. Печь, электростанция или цементный завод с устройством измерения согласно изобретению также являются объектом настоящего изобретения. Струя 14 газа проходит по трубе 18.
2
Фиг. 1 также изображает устройство 20 измерения для измерения скорости vG потока струи 14 газа. Скорость vG потока представляет собой среднюю скорость потока, которая при умножении на площадь A поперечного сечения трубы 18 дает объемный расход газа. В настоящем случае труба является круглой, так, что площадь поперечного сечения приводит к A = πD/4.
Устройство 20 измерения содержит первый датчик 22.1 инфракрасного излучения и второй датчик 22.2 инфракрасного излучения. Первый датчик 22 инфракрасного излучения расположен с возможностью обнаружения первого пучка 24.1 инфракрасного излучения, который распространяется по измерительной линии 25.1.
1
Если схематически изображенная молекула 26.1, расположенная в первом пучке 24.1 инфракрасного излучения, испускает фотон 28 инфракрасного излучения, который перемещается в первом пучке 24.1 инфракрасного излучения по направлению к первому датчику 22.1 инфракрасного излучения, он достигает элемента 30.1 датчика в форме фотодетектора InAsSb, который впоследствии генерирует напряжение. Таким образом, фотонапряжение U, генерируемое элементом 30.1 датчика, зависит от интенсивности излучения, падающего на элемент 30.1 датчика. Элемент 30.1 датчика расположен на расстоянии от трубы 18.
Измерительная линия 25.1 не выступает в трубу 18, тем самым в значительной степени предотвращая образование дополнительной турбулентности.
min
max
min
max
min
max
Элемент 30.1 датчика имеет диапазон измерений M = [λ, λ] с нижней критической длиной λ волны и верхней критической длиной λ волны. В настоящем случае λ = 0,78 мкм, а λ = 5,3 мкм.
g1,1
mess
mess
mess
Датчик 22.1 инфракрасного излучения измеряет кривую E(t) параметра инфракрасного излучения как функцию от времени t с частотой f измерений по меньшей мере 1 кГц, в настоящем случае f = 16 кГц. Предпочтительно, если частота f измерений составляет максимум 1 МГц. Аналоговые исходные данные преобразуются в цифровые значения с помощью аналого-цифрового преобразователя датчика 22.1 излучения. Битовая глубина образца составляет от 8 до 24, предпочтительно 16 бит.
Второй датчик 22.2 инфракрасного излучения выполнен с возможностью измерения излучения от пучка 24.2 инфракрасного излучения, который распространяется по второй измерительной линии 25.2. Инфракрасное излучение второго пучка 24.2 инфракрасного излучения исходит, например, от второй молекулы 26.2. Первый пучок 24.1 инфракрасного излучения проходит по первой прямой линии G1; второй пучок 24.2 инфракрасного излучения проходит по второй прямой линии G2. Две прямые линии G1, G2 находятся на измерительном расстоянии d друг от друга. Как изображено в настоящем случае, они предпочтительно проходят параллельно друг другу.
Измерительное расстояние d составляет предпочтительно не более 500 миллиметров, например, 350 ± 50 миллиметров.
1
2
1
1
2
Фотонапряжения U, U, генерируемые соответственными элементами 30.1, 30.2 датчиков, направляются в блок 32 оценки. Фотонапряжение U является мерой интенсивности E излучения, измеренной элементом 30.1 датчика, и образует параметр инфракрасного излучения. Интенсивность Е излучения измеряется элементом 30.2 второго датчика и также зависит от времени.
Блок 32 оценки вычисляет время прохождения как время, за которое функция  кросскорреляции достигает е` максимума, где  - символ оператора для кросскорреляции.
g1,1
g1,1
g1,2
Если локальная концентрация c первого газа g1, такого как метан, вода, диоксид углерода, монооксид углерода, триоксид серы, диоксид серы или оксид азота, колеблется в струе 14 выхлопного газа, это приводит к изменению в интенсивности E излучения, когда соответствующее колебание проходит через область первого пучка 24.1 инфракрасного излучения. Пространственные неоднородности концентрации остаются в основном постоянными на протяжении измерительного расстояния d, тем самым приводя к схожим кривым соответственных интенсивностей E(t) и E(t) излучения на элементе 30.1 первого датчика и элементе 30.2 второго датчика.
2
g1
g1
g1
Излучение черного тела, исходящее от стенки 34 в трубе 18, не мешает этому измерению. Если, например, в качестве первого газа выбран HO, он имеет длину λ волны возбуждения первого газа, равную 3,2 мкм. В этом случае предпочтительно, если датчики 22.1, 22.2 инфракрасного излучения имеют интервал измерений M = [λ -0,3 мкм, λ +0,3 мкм].
g2
g2
Если, как обеспечено предпочтительным вариантом осуществления, выбран второй газ g2, чья длина λ волны возбуждения второго газа не лежит в интервале М измерений для первого газа g1, степень точности измерений часто может быть увеличена. Например, в качестве второго газа может быть использован диоксид углерода, чья длина волны возбуждения второго газа составляет λ = 4,27 мкм.
Фиг. 2 схематически изображает реактивный двигатель 36, на котором устройство 20 измерения расположено таким образом, что измеряется струя 14 газа, которая в этом случае покидает реактивный двигатель 36 через выпускное отверстие 38.
Фиг. 3 схематически показывает часть электродуговой печи 40 с плавильной камерой 42, в которой плавится стальной скрап посредством электрической дуги между электродами 43.1, 43.2, 43.3, тем самым образуя металлическую ванну 16. С правой стороны изображения представлено увеличение области, обведенной пунктирной линией. Выхлопные газы, образующиеся при плавлении, образуют струю 14 газа и выпускаются через трубу 18. Труба 18 имеет кольцевой зазор 44, через который воздух 46 также может поступать в трубу 18. Для того, чтобы измерять струю 14 газа, устройство 20 измерения расположено со стороны зазора трубы 18.
Перечень ссылочных позиций
10 - печь
12 - горелка
14 - струя газа
16- металлическая ванна
18 - труба
20 - устройство измерения
22 - датчик инфракрасного излучения
24 - пучок инфракрасного излучения
25 - измерительная линия
26 - молекула
28 - инфракрасный фотон
30 - элемент датчика
32 - блок оценки
34 - стенка
36 - реактивный двигатель
38 - выпускное отверстие
40 - электродуговая печь
42 - плавильная камера
43 - электрод
44 - кольцевой зазор
46 - воздух
min
λ - нижняя критическая длина волны
max
λ - верхняя критическая длина волны
g1
λ - длина волны возбуждения первого газа
g2
λ - длина волны возбуждения второго газа
τ - время прохождения
A - площадь поперечного сечения
c - концентрация
D - диаметр
d - измерительное расстояние
E - интенсивность излучения
E(t) - кривая параметра инфракрасного излучения
mess
f - частота измерений
g1
f - длина волны возбуждения первого газа
g2
f - длина волны возбуждения второго газа
M - интервал измерений, диапазон измерений
vG - скорость потока
T- температура
t - время
1
U - фотонапряжение