專利名稱：流體測(cè)量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量流體的方法，該方法利用電磁輻射來測(cè)量流動(dòng)液體的濃度、流量和/或氣體含量。
本發(fā)明也涉及一種測(cè)量流體的裝置，為了利用電磁輻射測(cè)量工藝管道中流動(dòng)的液體，包括測(cè)量濃度、流量和/或氣體含量的單元。
流量測(cè)量裝置一般用于測(cè)量管道中流體的流量。目前有多種類型的現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量裝置，實(shí)質(zhì)上都是以導(dǎo)電材料在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的科里奧利力、壓力差和電壓這樣的物理現(xiàn)象。另外，超聲波技術(shù)已經(jīng)用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)相關(guān)和多普勒效應(yīng)的測(cè)量裝置。微波技術(shù)也已應(yīng)用于根據(jù)多普勒效應(yīng)的流量測(cè)量裝置。還有利用金屬工藝管道應(yīng)用微波相關(guān)的裝置，例如US 4,423,623、US 4,888,547和WO 94/17373所公開的裝置。在美國(guó)專利4,423,623和4,888,547所公開的裝置中，工藝管道被用作波導(dǎo)管，且波導(dǎo)管截止頻率的變化作為相關(guān)信號(hào)。WO 94/17373的裝置使用的是信號(hào)已經(jīng)通過流動(dòng)物質(zhì)傳播后，同一頻率或至少同一頻段上的信號(hào)相關(guān)。
制造高質(zhì)量的紙張要求對(duì)紙漿中的水或固體含量，也就是紙漿濃度，進(jìn)行精確測(cè)量和調(diào)整。如果紙漿濃度太低或太高，紙幅就不能保持均勻，制好的紙張質(zhì)量就不會(huì)很理想。
目前，流體或液態(tài)物質(zhì)的氣體含量特別是空氣含量，主要通過根據(jù)超聲波和密度測(cè)量的方法和儀器來測(cè)量。在超聲波測(cè)量中，穿過被測(cè)流體傳輸超聲波，并對(duì)其衰減進(jìn)行測(cè)量。超聲波的衰減是流體氣體含量的函數(shù)氣體含量越高，超聲波的衰減越大。在造紙工業(yè)中，濃度低于2％紙漿的氣體含量通常用超聲波方法測(cè)量。最終產(chǎn)品即紙張的質(zhì)量，取決于液態(tài)紙漿的質(zhì)量，而液態(tài)紙漿的質(zhì)量又部分取決于其氣體含量。
本發(fā)明的目的是提供實(shí)現(xiàn)解決前述問題方法的一種方法和一種裝置。這是以介紹中所描述類型的方法實(shí)現(xiàn)的，其特征在于至少有兩個(gè)所述測(cè)量是使用一個(gè)集成測(cè)量裝置實(shí)質(zhì)上在流體中相同測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行，該測(cè)量裝置包括測(cè)量電磁輻射發(fā)射和接收至少兩個(gè)所述屬性的單元。
本發(fā)明裝置的特征是，至少兩個(gè)用于發(fā)射和接收來自于測(cè)量濃度、流量和/或氣體含量單元的電磁輻射的測(cè)量單元，被集成到一個(gè)測(cè)量裝置當(dāng)中，該測(cè)量裝置連接于管道上并執(zhí)行實(shí)質(zhì)上在流體中同一測(cè)量點(diǎn)的兩個(gè)所述測(cè)量。
本發(fā)明的方法和裝置具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。在流程中用一個(gè)測(cè)量裝置在相同測(cè)量點(diǎn)測(cè)量懸濁液或稀漿等流體的幾個(gè)屬性是可行的，這樣可降低安裝測(cè)量裝置的費(fèi)用。而且，一個(gè)測(cè)量裝置需要的卷纜柱少于兩個(gè)或更多個(gè)獨(dú)立的測(cè)量裝置。特別是混合在紙漿中的空氣也影響根據(jù)濃度和流量的產(chǎn)量測(cè)量，因?yàn)樵诳諝夂扛叩那闆r下，工藝管道在產(chǎn)量測(cè)量當(dāng)中就不象假定的那樣滿。
下面以附圖為參考，聯(lián)系最佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更為詳細(xì)的描述。


圖1顯示的是一種現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量裝置，圖2顯示的是本發(fā)明的一種測(cè)量裝置，圖3A顯示的是工藝管道中發(fā)射器和接收器的位置，圖3B顯示的是工藝管道中發(fā)射器和接收器的位置，圖4顯示的是發(fā)射器和接收器的位置，圖5顯示的是發(fā)射器和接收器的位置。
根據(jù)本發(fā)明的裝置特別適用于但并不限于造紙工業(yè)。
圖1顯示的是測(cè)量紙漿的一種現(xiàn)有技術(shù)裝置。泵100驅(qū)動(dòng)紙漿在管道102中流動(dòng)。紙漿空氣含量的測(cè)量，是從流動(dòng)紙漿中取出樣本，經(jīng)由細(xì)管104送至利用超聲波等方法運(yùn)行的空氣測(cè)量裝置106。如果流動(dòng)紙漿的最初濃度低于2％，那么空氣含量可以用超聲波測(cè)量。流動(dòng)紙漿的濃度通常較大，因此其濃度必須降低以在樣本線上進(jìn)行測(cè)量。空氣含量也可以用密度測(cè)量的方法來測(cè)量，這種方法在不降低濃度的情況下，從樣本線上的紙漿測(cè)量流動(dòng)紙漿的密度。紙漿濃度的測(cè)量是用另一個(gè)獨(dú)立測(cè)量裝置，即濃度測(cè)量裝置108，在管道中的不同點(diǎn)進(jìn)行的。另外，紙漿流量通過第三個(gè)測(cè)量裝置即流量測(cè)量裝置110進(jìn)行測(cè)量，該裝置與其它測(cè)量裝置相分離，并由獨(dú)立測(cè)量管103連接到管道102上。
本發(fā)明裝置結(jié)合了不同的流體測(cè)量方法。在目前的應(yīng)用中，流體是指任何可在管道中流動(dòng)的液態(tài)物質(zhì)，特別是懸濁液、稀漿、定相混合物(phase mixture)或紙漿。將這些測(cè)量結(jié)合起來，至少使測(cè)量信號(hào)的發(fā)射器和接收器集成到測(cè)量裝置的一個(gè)單元內(nèi)，反過來成為工藝管道的一部分。圖2顯示的是本發(fā)明的一個(gè)測(cè)量裝置，包括泵100，管道102，測(cè)量管202和集成測(cè)量裝置200。集成測(cè)量裝置可測(cè)量流體的濃度、流量和/或氣體含量。而且，將流體的溫度、壓力和導(dǎo)電性的測(cè)量集成到測(cè)量裝置200中也是可行的。測(cè)量裝置200可通過已知連接如RS-485連到計(jì)算機(jī)204上，這樣測(cè)量裝置200提供的測(cè)量結(jié)果就能自動(dòng)地用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)等方法進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)204從而能夠?qū)に嚬艿?02中流體流動(dòng)狀況和流量形成一個(gè)總的視圖。而且，在這一數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)204就能特別通過流速和濃度判斷流程的產(chǎn)量。產(chǎn)量也可利用氣體含量進(jìn)行更精確的判斷。流量V可以用速度v乘以測(cè)量管202的橫截面積A來計(jì)算，即V=A*v。產(chǎn)量T1可以用流體濃度s乘以流量V計(jì)算，即T1=V*s。這樣產(chǎn)量T1單位就是kg/s。最好將空氣含量考慮在內(nèi)，產(chǎn)量T1乘以固體和液體濃度(1-1)，其中1是相關(guān)的氣體含量，其值在
范圍內(nèi)。因此實(shí)際產(chǎn)量T0是T0=T1*(1-1)。產(chǎn)量T1常常非常接近于T0的值。
在該發(fā)明裝置中，發(fā)射器與接收器是集成在一起的。特別是在微波技術(shù)的情況下，天線必須集成到整體中，這樣就能容易地測(cè)量特別是流體的濃度和流速。天線也可用光發(fā)射器和接收器來代替。圖3至圖5顯示的是天線的位置和形狀。圖3A和3B顯示的是測(cè)量管202的橫截面，該管以圖上可見的內(nèi)側(cè)與管道102中的測(cè)量點(diǎn)相連。測(cè)量管202管壁安裝有一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)300，它是測(cè)量裝置200的一部分，包括三個(gè)天線302A-306A或302B-306B。天線302A和302B以及304A和304B最好用相關(guān)性測(cè)量測(cè)量管202中流體的流量。測(cè)量通過例如下列方式進(jìn)行。天線302A向流體發(fā)射信號(hào)，位于管對(duì)邊的天線302B接收已經(jīng)穿過管并受到流動(dòng)物質(zhì)干擾的信號(hào)。與天線302A相距D的天線304A也向流體發(fā)射一個(gè)信號(hào)，位于管對(duì)邊的天線304B接收已經(jīng)穿過管并受到流動(dòng)物質(zhì)干擾的信號(hào)。為判斷流速，天線302B和304B接收的信號(hào)在不同時(shí)刻相互進(jìn)行比較。這些信號(hào)與流體流過天線之間的距離D所需要的測(cè)量時(shí)刻之間的時(shí)差相關(guān)性最好。計(jì)算機(jī)204或測(cè)量裝置200本身通常根據(jù)公式(1)形成相關(guān)系數(shù)C(τ)如下C(τ)=∫x(t)·y(t-τ)dt(1)其中x(t)是天線302的信號(hào)，y(t-τ)是天線304延遲了τ的信號(hào)。相關(guān)系數(shù)值用τ∈[t0,...,tn]的幾個(gè)延遲值來計(jì)算，其中t0是最短可能延遲，tn是最長(zhǎng)可能延遲。最短和最長(zhǎng)可能延遲決定了可通過天線302和304之間距離D測(cè)量的最高和最低流速。測(cè)量間隔τ∈[t0,...,tn]是個(gè)別確定的。本發(fā)明裝置中相關(guān)系數(shù)的計(jì)算是模擬的(例如在集成測(cè)量裝置200中)或數(shù)字的(例如在計(jì)算機(jī)204中)。
天線306A或306B測(cè)量流體的濃度。特別是在懸濁液中，微波信號(hào)的傳播時(shí)間、相位和衰減也取決于流體的濃度。濃度最好象氣體含量那樣用相同的微波天線306A和306B測(cè)量。微波測(cè)量要求根據(jù)FMCW(調(diào)頻等幅波)進(jìn)行調(diào)頻。在FMCW技術(shù)中，振蕩器的頻率象雷達(dá)那樣線性地掃過一個(gè)寬頻帶。接收器探測(cè)參考信號(hào)和接收信號(hào)之間的傳播時(shí)間差，這個(gè)差值取決于濃度等因素。在所有的液體和懸濁液中，濃度通常比由泵100等引起的壓差變化得慢。因此，測(cè)量的濃度可作為傳播時(shí)間基礎(chǔ)上很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的平均值，但在不調(diào)頻的情況下氣體含量則在短得多的間隔內(nèi)(通常小于1秒)測(cè)量，例如在基于運(yùn)動(dòng)時(shí)間的信號(hào)相位測(cè)量中。
圖4顯示的是除了圖3以外的另一個(gè)裝置，不同的是天線402-406位于支撐結(jié)構(gòu)400表面相等的間隔上。
在圖5中，天線502-506的位置與圖3相似，但是測(cè)量速度的天線502和504被拉長(zhǎng)，不再是圓形的。這種形狀的優(yōu)點(diǎn)是流體中的同一點(diǎn)可能經(jīng)過每一天線。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是流體即使以α角度傾斜流動(dòng)，相關(guān)系數(shù)的測(cè)量自動(dòng)在管的方向測(cè)量流速。
在使用微波天線的本發(fā)明裝置中，天線最好是陶瓷的，因?yàn)檫@種天線的面積可以比塑料天線做得小一些。例如，圓形天線可為φ24mm，而不是現(xiàn)有技術(shù)裝置的φ85mm。
在本發(fā)明裝置中，所進(jìn)行的測(cè)量也可采取光學(xué)測(cè)量的形式，作為微波測(cè)量的補(bǔ)充或替代。在光學(xué)測(cè)量中，圖3A和3B中的天線302A-306A以及302B-306B(也對(duì)應(yīng)圖4與圖5中的天線)以光發(fā)射器和接收器代替。在這種情況下，發(fā)射器可以是任何光源，例如電燈、LED(發(fā)光二極管)或激光器。反之，接收器可以是任何光輻射探測(cè)器，例如PIN二極管或雪崩二極管。因?yàn)閷?shí)際光源發(fā)射器和接收器不能直接與流體相接觸，圖3A和3B中的天線302A-306A以及302B-306B(也對(duì)應(yīng)圖4與圖5中的天線)可以用光纖或光纖束代替。
盡管對(duì)本發(fā)明的上述描述是根據(jù)附圖參照示例進(jìn)行，很明顯本發(fā)明并不限于此，它可在附加權(quán)利要求所公開的發(fā)明思想范圍內(nèi)以各種方式加以修改。
權(quán)利要求
1．一種測(cè)量流體的方法，其中流體的濃度、流量和/或氣體含量是用電磁輻射的方法測(cè)量的，其特征是至少兩個(gè)所述測(cè)量是使用一個(gè)集成測(cè)量裝置(200)實(shí)質(zhì)上在流體中的同一測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行的，該測(cè)量裝置包括測(cè)量電磁輻射發(fā)射和接收至少兩個(gè)所述屬性的單元(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)。
2．一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征是至少其中的一些測(cè)量是通過微波技術(shù)進(jìn)行的，在這種情況下，測(cè)量單元(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)是微波天線。
3．一種根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征是微波天線是陶瓷的。
4．一種根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征是微波天線的直徑小于80mm。
5．一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征是至少其中的一些測(cè)量是光學(xué)測(cè)量。
6．一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征是通過至少測(cè)量濃度和流量來計(jì)算流程的產(chǎn)量。
7．一種根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征是通過測(cè)量濃度、流量和氣體含量來計(jì)算流程的產(chǎn)量。
8．一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征是流體為紙漿。
9．一種測(cè)量流體的裝置，包括為了以電磁輻射方式測(cè)量工藝管道(102)中流動(dòng)的流體，而測(cè)量其濃度、流量和/或氣體含量的單元，其特征是至少兩個(gè)用于發(fā)射和接收來自單元(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)的電磁波來測(cè)量濃度、流量和/或氣體含量的測(cè)量單元(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)，被集成到一個(gè)測(cè)量裝置(200)中，該裝置連接到管道102上，并用于執(zhí)行實(shí)質(zhì)上在流體中同一測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行的至少兩個(gè)所述測(cè)量。
10．一種根據(jù)權(quán)利要求9的測(cè)量裝置，其特征是該測(cè)量裝置至少部分利用微波技術(shù)運(yùn)行，在這種情況下的測(cè)量單元(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)是微波天線。
11．一種根據(jù)權(quán)利要求9的測(cè)量裝置，其特征是該測(cè)量裝置至少部分利用光學(xué)技術(shù)運(yùn)行。
12．一種根據(jù)權(quán)利要求9的測(cè)量裝置，其特征是為了基本在同一測(cè)量點(diǎn)上執(zhí)行至少兩個(gè)所述測(cè)量，測(cè)量裝置(200)連接在與工藝管道(102)相連的測(cè)量管(202)上。
13．一種根據(jù)權(quán)利要求9的測(cè)量裝置，其特征是該測(cè)量裝置用于通過至少對(duì)濃度和流量的測(cè)量來測(cè)量流程產(chǎn)量。
14．一種根據(jù)權(quán)利要求9的測(cè)量裝置，其特征是該測(cè)量裝置用于通過對(duì)濃度、流量和氣體含量的測(cè)量來測(cè)量流程產(chǎn)量。
15．一種根據(jù)權(quán)利要求10的測(cè)量裝置，其特征是該測(cè)量裝置用于測(cè)量管道102中流動(dòng)流體，并且基于微波技術(shù)的測(cè)量裝置(200)包括測(cè)量單元(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)微波天線，這些微波天線集成到與管道(102)相連的一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)(300,400,500)上。
16．一種根據(jù)權(quán)利要求15的測(cè)量裝置，其特征是微波天線(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)的直徑最大為80mm。
17．一種根據(jù)權(quán)利要求10的測(cè)量裝置，其特征是當(dāng)測(cè)量應(yīng)用微波技術(shù)且測(cè)量管(202)以金屬制成時(shí)，集成有微波天線(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)的支撐結(jié)構(gòu)(300,400,500)擴(kuò)展至測(cè)量管(202)的內(nèi)表面。
18．一種根據(jù)權(quán)利要求10的測(cè)量裝置，其特征是當(dāng)測(cè)量應(yīng)用微波技術(shù)時(shí)，天線(302A、302B、304A、304B、306A、306B、402、404、406、502、504、506)是陶瓷的。
19．根據(jù)權(quán)利要求10的測(cè)量裝置，其特征是當(dāng)測(cè)量應(yīng)用微波技術(shù)時(shí)，至少有兩個(gè)測(cè)量流量的天線(302A、302B、304A、304B、402、404、502、504)，天線(302A、302B、304A、304B、402、404、502、504)位于預(yù)定相互距離的位置上，天線(302A、302B、304A、304B、402、404、502、504)是加長(zhǎng)的槽式天線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量流體的方法和裝置。利用電磁輻射來測(cè)量工藝管道(102)中流動(dòng)流體的濃度、流量和/或氣體含量。至少其中的兩個(gè)測(cè)量實(shí)質(zhì)上在測(cè)量管(202)中流體的相同測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行。為執(zhí)行前述的至少兩個(gè)測(cè)量,使用一個(gè)包括電磁輻射發(fā)射器和接收器的集成測(cè)量裝置(200)。
文檔編號(hào)G01F1/704GK1314992SQ99809328
公開日2001年9月26日 申請(qǐng)日期1999年6月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月3日
發(fā)明者皮卡·加庫拉, 俄斯克·塔克拉, 蒂莫·曼尼恩 申請(qǐng)人:奈勒斯菲爾德控制有限公司