JP2573645B2

JP2573645B2 - マイクロ波微粉流量計

Info

Publication number: JP2573645B2
Application number: JP63040377A
Authority: JP
Inventors: 紘二郎山田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1988-02-23
Filing date: 1988-02-23
Publication date: 1997-01-22
Anticipated expiration: 2012-01-22
Also published as: JPH01214716A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、管中を移動する微粉の流量を計測する装置
に係り、特に内径の大きい管中を移動する微粉の流量を
測定するに適したマイクロ波流量計に関する。

〔従来の技術〕

マイクロ波を利用した微粉流量計の従来例を第６図に
示す。この流量計は、微粉流路１の途中にテフロン（ポ
リフッ化エチレンの商品名）などの誘電体22を内装した
マイクロ波共振器23を挿入した構造となっている。24は
マイクロ波送信炭、25はマイクロ波受信端である。この
ような構造の微粉流量計では、微粉流路の管径2bが大き
くなるに従い、マイクロ波の波長λを大きくする必要が
あった。なお、２πb/λは0.5〜1.5程度が望ましいとさ
れている。これは微粉流路１へのマイクロ波の漏洩が大
きくなり、マイクロ波共振器23の共振性能のよさを表わ
すＱ値が低下し、微粉流量計測性能が低下するのを防止
するためである。したがって、従来例では例えば管径2b
＝19.4mm、共振器の長さＬ＝675mm、マイクロ波周波数
Ｆ＝3.3〜3.2GHZ（λ＝9.4〜10cm）のような寸法になっ
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上述べた従来技術を事業用ボイラの微粉炭給炭管の
ような大口径管（最大で約1m）に適用しようとすると、
適用周波数帯はＦ50MHZ〜150MHZ（λ２〜6m）と大
幅に低下し、したがってマイクロ波共振器の軸方向長さ
Ｌを数ｍ以上にする必要が生じ（Ｌの値としてはλの５
〜６倍以上要）、マイクロ波を利用して流量計の小型化
を図る利点が完全に失われる問題点があった。以上の理
由により、従来技術では微粉流路の管径が50〜60mm以下
のものに適用が限定されていた。したがって、マイクロ
波利用の利点である装置の小型化を損なうことなく、大
口径の微粉流路へも適用可能な微粉流量計の開発が、業
界における課題であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、
微粉流路内にマイクロ波を送信する装置と、送信された
マイクロ波の一部を受信する装置と、受信信号より微粉
流量を算出する装置とを設けたマイクロ波微粉流量計に
おいて、微粉流路の側壁に少なくとも２つのマイクロ波
送信装置の送信端を設け、上記マイクロ波送信端から送
信されるマイクロ波ビームが微粉流路内で交差するよう
になすとともに、マイクロ波ビームの交差点近傍に他の
送信端から送信されたマイクロ波ビームが交差するよう
に他のマイクロ波送信装置の送信端を微粉流路の側壁に
設け、かつ、上記他のマイクロ波送信装置から送信され
たマイクロ波ビームの透過成分あるいは反射成分を受信
するマイクロ波受信装置の受信端を微粉流路の側壁に設
けたことを特徴とするマイクロ波微粉流量計により解決
される。

〔作用〕

レーザービームのような光波では２つのビーム（波長
が多少異なっていても可）を交差角θ10度程度で交差
させると、交差点近傍に光の干渉縞が生じることは公知
の事実であり、またこの現象を利用したレーザードップ
ラ流速計（LDV）もすでに製品化されている。

そこでレーザービーム程可干渉性（コヒーレンス）は
高くはないが、可干渉性のあるマイクロ波ビーム２本を
用い、レーザービームの場合と同様に微粉流路中に電磁
波の干渉縞を作る（一般には干渉縞の周期はλ/2:
（λ：波長））。干渉縞を作りたい位置は２つのマイク
ロ波ビーム送信端の設定位置によって比較的容易に変え
ることができるので、大口径微粉流路への適用も可能で
ある。

この電磁波の干渉縞は２つのマイクロ波ビームの干渉
によって生じているので、微粉が存在し、かつ流動して
いると、各マイクロ波ビームはそれぞれ進行方向の微粉
の流動速度成分だけドップラシフトを受け、結局干渉縞
パターンの変化を起こす。この干渉縞パターンの変化
を、別のマイクロ波ビームをプローブとして検出するこ
とにより、微粉濃度、流速に関連した信号を得ることが
でき、これらの信号より微粉流量の演算が可能になる。

本方法によると微粉流路断面全部をマイクロ波共振器
として利用しているわけではないので、微粉流路の管径
に対する制約はなくなる。本方法による制約はマイクロ
波の距離による減衰の項だけであり、対象とする微粉に
対して最も減衰の小さい周波数帯を選択することが可能
になる。

〔実施例〕

第１図に本発明になる微粉流量計の一実施例を示す。
微粉流路１の管壁にマイクロ波透過窓５（例えば石英ガ
ラス）を介して取付けられた２個のマイクロ波送信端6
a、6bより、微粉流路中にそれぞれマイクロ波ビーム３
（例えば周波数ｆ＝10〜50GHZ）、マイクロ波ビーム４
（例えば周波数ｆ＝10〜50GHZ）を送信する。２つのマ
イクロ波ビームの交差角θはビーム間の干渉を大きくす
るために小さいほうが好ましく、θ10度に設定する。
また、微粉流れ２とマイクロ波ビーム３、４との交差角
αは45度程度に設定する（マイクロ波ビームの微粉流れ
方向成分をある程度大きくとるため）。

マイクロ波ビーム３はマイクロ波発信器９より導波管
７を経て供給され、マイクロ波ビーム４は同じマイクロ
波発信器９よ途中方向性結合器８、移相器10（または周
波数シフタ）、導波管７を経て供給される。２つのマイ
クロ波ビームのパワーレベルを同程度にする（干渉効果
が大きい）ために、導波管７の途中に可変減衰器を挿入
することもある。

上述のような設定にすると、２つのマイクロ波ビーム
３、４の交差点近傍にマイクロ波の干渉縞（電磁場強度
の高、低が周期的に現れた模様）が発生する。第２図に
この干渉縞の概念図を示す。波形は干渉によって発生し
た電磁界強度の強弱を表わし、ピッチｄは２つのマイク
ロ波ビームの周波数が等しい場合にはｄ＝λ/2（但しλ
＝C/f、C:光速、ｆ＝マイクロ波周波数）となる。一般
には交差点近傍で干渉電磁界強度のピークと谷の強度差
が最大になり、交差点から遠ざかるにつれこの強度差は
減少する。微粉流路１内の状態に変化がなければ、この
干渉縞にも変化はないが、微粉流の状態が変化（例えば
第１図において微粉流れ２の流速が増加）すると、ドッ
プラ効果により、マイクロ波ビームの伝播速度もわずか
に増し、第２図に示す干渉縞に変化が生じる。したがっ
て、この干渉縞の変化を検出することができれば、微粉
流路１内の微粉の濃度、流速に相関のある信号を取出す
ことが可能になる。

本実施例においては第１図に示すように、第３のマイ
クロ波ビームを干渉縞プローブ用マイクロ波ビーム14と
して利用している。

プローブ用マイクロ波ビーム14は微粉流路１内の微粉
流れ２にほぼ直交し、マイクロ波ビーム３、４の交差点
近傍で交差するように送信する。一般にプローブ用マイ
クロ波ビーム14のパワーは、マイクロ波ビーム３、４の
パワーより小さくし、干渉縞を乱さないようにする。送
信されたプローブ用マイクロ波ビーム14は交差点近傍で
マイクロ波干渉縞による電磁界強度変調（広くは相互作
用）を受け、透過成分と後方散乱（あるいは反射）成分
に分かれる。本実施例では後者の後方散乱（反射）成分
をマイクロ波送信端6cで受け、方向性結合器８を経て、
マイクロ波パワー検出器12に導き、その出力信号の強度
および時間変化特性より、微粉流量を演算する演算器13
で信号処理する。透過成分を検出しても同様なことが可
能である。

微粉が多少電気伝導性を有していると、微粉濃度が増
すと、第２図の干渉電磁界強度のピークと谷の強度差が
減少し、したがってプローブ用マイクロ波ビームの後方
散乱成分の強度変化幅が小さくなる。また微粉流れの速
度が増すと、後方散乱成分の時間変化が激しくなる。

プローブ用マイクロ波ビームの周波数は、マイクロ波
ビーム３、４の周波数より高く設定したほうが、検出感
度は高くなる（例えばｆ＝20〜100GHZ）。

本実施例特有の効果としては、プローブ用マイクロ波
ビームシステムを独立に設置しているのでプローブ用マ
イクロ波の周波数を可変にすることができ、複数周波数
での後方散乱成分の検出が可能になり、測定範囲（例え
ば流速測定範囲）を広げることができる。

第１図では、微粉流れ２とマイクロ波ビーム３、４の
交差角αが90度以下の場合を示しているが、αが90度よ
り大きい例えばα135度程度になるように位置設定し
ても同様な計測が可能である。

第３図には、微粉流路１の直角断面内での各マイクロ
波送信端6a、6b、6c（あるいはマイクロ波透過窓５）設
置位置関係を示す。マイクロ波ビーム３とマイクロ波ビ
ーム４とが、微粉流路１の断面で観測すると重なって見
える場合である。この場合には微粉流路１の管軸方向の
微粉流れの変化を検出するのに適している。

第４図には別の設置位置を示すが、マイクロ波ビーム
３、マイクロ波ビーム４が断面内でもζの交差角度を有
している場合である。交差角度ζは同様にζ10度に設
定するのが、干渉縞を発生させるのに適している。この
場合には２つのマイクロ波ビーム３、４は、θ度とζ度
の３次元的交差をしていることになり、微粉流路１の管
軸、半径方向両方の微粉流れの変化を検出することな
る。

第５図にはマイクロ波ビーム３、４をほぼ対向する形
で送信する場合を示す。この場合には断面内の平均的な
微粉流れの変化を検出することになる。

本実施例ではマイクロ波ビーム３、４の周波数ｆをｆ
10〜50GHZとしているが、この周波数帯では波長λは
λ６〜30mmとなり、干渉縞の周期（ピッチ）は３〜15
mmとなる。計測対象の微粉の平均粒径がこのピッチに比
して1/100以上であれば、微粉の流れを検出することが
できる（あまりに小さすぎると干渉縞の変化が微少にな
りすぎて検出できなくなる。）さらに、平均粒径の小さ
い微粉を計測する場合には、マイクロ波周波数ｆを高く
する必要がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、計測対象の微粉流路の径が大きくな
っても、径に関係なく微粉流路内の所要の位置にマイク
ロ波共振器と同様な現象を示すマイクロ波干渉縞を作る
ことができるので、流量計の大型化を招くことなく流量
計測が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明になるマイクロ波を利用した微粉流量
計の構成図、第２図は、微粉流路内に形成されるマイク
ロ波干渉縞の概念図、第３図、第４図、第５図は、微粉
流路断面内でのマイクロ波ビーム間の相対位置関係説明
図、第６図は、マイクロ波を利用した従来型の微粉流量
計の構造図である。１……微粉流路、２……微粉流れ、３〜４……マイクロ
波ビーム、５……マイクロ波透過窓、6a、6b、6c……マ
イクロ波送信端、７……導波管、８……方向性結合器、
９……マイクロ波発信器、10……移相器、11……マイク
ロ波発信器、12……マイクロ波パワー検出器、13……微
粉流量演算器、14……プローブ用マイクロ波ビーム、15
……干渉縞。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】微粉流路内にマイクロ波を送信する送信装
置と、送信されたマイクロ波の一部を受信する装置と、
受信信号より微粉流量を算出する装置とを設けたマイク
ロ波微粉流量計において、微粉流路の側壁に少なくとも
２つのマイクロ波送信装置の送信端を設け、上記マイク
ロ波送信端から送信されるマイクロ波ビームが微粉流路
内で交差するようになすとともに、マイクロ波ビームの
交差点近傍に他の送信端から送信されたマイクロ波ビー
ムが交差するように他のマイクロ波送信装置の送信端を
微粉流路の側壁に設け、かつ、上記他のマイクロ波送信
装置から送信されたマイクロ波ビームの透過成分あるい
は反射成分を受信するマイクロ波受信装置の受信端を微
粉流路の側壁に設けたことを特徴とするマイクロ波微粉
流量計。