施道尔飞灰含碳理论基础.docx
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施道尔飞灰含碳理论基础
目前国内飞灰含碳量监测技术中
的几个重大误区
郑忠信
引言：
在国内的飞灰含碳量监测设备的市场方面存在着打击假冒伪劣技术和产品维护消费者（电厂用户）权益的尖锐的严酷的斗争。
假冒伪劣技术的罪恶不但诈骗了电厂一笔可观的购置费，更破坏了电厂的节煤工作。
在2000年国家知识产权局专利复审委员会发布的“无效宣告请求审查决定书”（决定第2561号）裁定ZL95245025.9号专利“锅炉飞灰测碳仪的传感器”为无效专利。
所根据的就是该专利声称使用检测相位法，而他们设计的“平衡检相器”只输入一个待测相位的微波信号而没有提供相位基准的微波信号因而从原理上是错误的。
上述被宣告无效的专利也曾欺骗蒙蔽了大批的电厂用户，因为这个错误的专利出自于国内电力科学最高的权威机关。
假冒伪劣产品利用了电厂专家与微波无线电技术隔行的现实乘机诈骗。
为了避免上当受骗，电厂用户应当了解微波测碳的原理以及不成功的产品失败的原因。
在科学技术上的真理是唯一的。
相互对立的论断至少有一个是错误的。
对于科学技术领域是非是容易判明的。
不应当存在着人文科学，社会科学以及哲学领域的学派之争。
也不需要“裁判员”来裁判。
在此我们抛砖引玉欢迎广大电厂用户和科学界的专家们积极参加讨论。
以崇尚科学为荣，以愚昧无知为耻。
目录
一、微波测碳原理1
二、煤种改变引起测碳误差的原因：
1
三、如何识别煤种改变会引起很大误差的飞灰含碳量检测设备2
四、不使用飞灰取样器的飞灰含碳量监测系统5
五、扫频谐振法的问题（专利号：
00240532）10
六、使用“无动力等速取样器”和压缩空气反吹排灰法的设备形成堵灰的机理10
七、关于电容法和相位法测量飞灰含碳量技术的讨论11
参考文献11
一、微波测碳原理
在锅炉内火焰的高温条件下，凡未燃烧的煤粉都转化为石墨微粒（参考文献1）。
在微波电磁场中作为一种导体的石墨微粒中感生了微波电流。
这电流流过石墨的体积电阻而产生焦耳热。
这就是石墨微粒吸收微波能量（功率）的机理。
显然，飞灰中包含的石墨微粒越多，它吸收微波能量的作用就越强，反之亦然。
根据电磁场理论，石墨微粒吸收微波功率的公式如下式表述（参考文献2）
PC＝½σ∫|E|2dv
（1）
v
（1）式中σ为石墨微粒的等效电导率,E为微波电场强度的振幅。
（1）式的积分应遍及被微波照射到的全部石墨颗粒所占的体积V。
二、煤种改变引起测碳误差的原因：
如果占飞灰总量绝大多数的（除了石墨颗粒以外）其他无机矿物粉末不吸收微波功率的话，我们只要测出飞灰吸收的微波功率，那就等同于碳（石墨）吸收的微波功率，从而能够测出飞灰中的含碳量。
但是在目前国内广泛使用的3厘米波长（频率为8-10GHZ）的微波信号下，飞灰中无机矿物粉末也强烈地吸收微波功率。
这些无机矿物粉末不导电，称为电介质。
在电场力作用下电质分子中的正负电荷沿电场力分别向相反方向位移而形成偶极子（这过程称为电介质的极化）。
当电场交变时偶极子便发生振动。
振动的摩擦作用消耗了微波电磁场的能量。
这称为电介质的极化损耗。
电介质吸收的微波功率由下式表述（参考文献2）
Pd＝½ωε″∫|E|2dv
（2）
v
（2）式中ε″为电介质复介电常数的虚部,ω为微波角频率。
引入电介质物理学的德拜方程（参考文献3）
ε″＝（εs－ε∞）ωτ/（1＋ω2τ2）（3）
（3）式中εs为电介质的静态介电常数，ε∞为光频介电常数，τ为电介质的弛豫时间（参考文献3），即对电介质施加电场后极化过程建立所须经历的时间。
由于煅烧后生成的无机矿物粉末中的各种成分都是由少数原子构成的金属或非金属的氧化物分子组成（参考文献4），所以它们的弛豫时间远比煤粉的小（参考文献6），即τ＜＜10-11秒。
在通常应用的微波频段f＜10GHZ满足下列关系式
ω2τ2＜＜1
所以（3）式可以简化为
ε″＝（εs－ε∞）ωτ（4）
将（4）式代入
（2）式得到无机矿物粉末吸收的微波功率
Pd≈½（εs－ε∞）ω2τ∫|E|2dv（5）
v
微波测碳传感器测到的是飞灰吸收的全部功率
Pa＝Pc＋Pd
其中Pc是和飞灰中含碳（石墨）量成正比的项，而Pd是一干扰项。
在（5）式中，因式（εs－ε∞）τ是取决于无机矿物粉末化学成分的参数。
当煤种改变时（εs－ε∞）τ可以相差极为悬殊，因此Pd也相差十分悬殊。
在目前国内广泛使用的3厘米波长的微波频段（f＝8～10GHZ）变化不定的Pd值叠加到碳（石墨）吸收的微波功率之上，成为一种强大的干扰，破坏了系统的精度。
实测表明，煤种改变所引起的测碳误差可达飞灰含碳量的十个百分点。
这些3厘米波段的微波测碳传感器如图1、2、3所示。
三、如何识别煤种改变会引起很大误差的飞灰含碳量检测设备
1.从传感器的结构上识别。
图1是应用3厘米波长（8～10GHZ）微波信号的测碳传感器的照片。
中间的方盒子称作微波暗室。
它的尺寸大约是130mm×120mm×120mm。
它的六个壁用3毫米厚的单面敷铜板或金属板制成，内壁面为铜箔。
（参见图2）盒子内壁贴微波吸收材料。
盒内相对两壁相对安装喇叭形微波辐射器（天线），喇叭的口面大约是45×45mm2的正方形。
喇叭高度也大约为45mm。
在两个喇叭中间竖直穿过一根石英玻管。
在盒子外面的两侧分别有微波发生器和检波器同两个喇叭形天线相联接。
通常两侧还要加入隔离器。
照片中左侧的一段波导管并非必需，可有可无。
图2是图1所示的传感器的剖视图。
它们都工作在（8～10GHZ）的频率。
图3是不采用飞灰取样器而直接测烟气流中飞灰含碳量的传感器。
在烟道内壁相对共安装四个喇叭天线，在该设计的专利说明书中明确说明：
它使用的是3厘米的微波信号。
喇叭天线和波导管只适合用于微波的较高频段，因此凡是使用喇叭天线和波导管的微波测碳传感器在煤种改变时都会导致较大的误差。
包括外国的产品也是一样。
敬请电厂的用户在选购时要关切微波测碳传感器的工作频率（波长），最好能实测和检验其频率。
凡是使用波导管传输微波信号，使用喇叭形发射和接收天线的微波测碳传感器应用的都是较高频率的微波信号，因而当煤种改变时都引起很大的测量错误。
因为在较低的微波频率（例如在2千兆赫以下的频段）喇叭天线和波导管由于尺寸过大而不能实现。
喇叭天线的长、宽、高每一个坐标的尺寸都和微波频率成反比地改变才能保持它的发射和接收的增益不变。
因此当微波频率由9千兆赫降为0.9千兆赫时喇叭体积必须增大1000倍。
在8千兆赫至10千兆赫用来传输微波信号的典型的波导管BJ-100其内孔尺寸为23mm×10mm外截面尺寸为25×12mm²用户只要测量一下上述尺寸就可以断定这种测碳传感器使用的微波信号是9千兆赫左右的频率。
这种传感器应当淘汰。
当频率降低时波导管内孔的尺寸的宽和高都应和频率呈反比地改变才能保证有效地传输微波。
因此波导管内孔的面积和微波频率的平方成反比。
2.从技术性能上识别。
A.凡因煤种改变引起重大测量误差的飞灰检测装置，由于不能适用于一切煤种，而必须在用户的使用现场针对锅炉正在烧的煤种进行化验定标，以保持精度。
但是通常锅炉烧的煤种几乎天天在改变，甚至每个小时都改变，并且很难预知的，因此这种现场的化验定标是不能长期保证精度的。
不受煤种变化影响的CAM-01Z型飞灰含碳量监测系统在出厂前已对一切煤种进行了统一的定标，因此到了用户的现场不需再进行化验定标。
而且尽管煤种随机的改变，都能保证测量的高精度。
B.当把微波传感器石英玻管内的飞灰排空，用塞子堵住石英玻管的下端，调整好零点，再把含碳量为零的飞灰（简称零灰）倒入石英玻管
则对于受煤种变化影响产生很大误差的飞灰检测装置，传感器输出0.3～2.5V的电压U0（满度为5V），这说明零灰也吸收微波。
这表明在高的微波频率下，无机矿物粉末也显著地吸收微波。
U0的数值随煤种的改变而变化，这是造成误差的因素。
而对于CAM-1Z型不受煤种变化影响的飞灰含碳量监测系统，U0<0.03V。
表明飞灰中的无机矿物粉末不吸收微波。
只有碳（石墨）吸收微波，因而它不会因煤种改变而引起误差。
四、不使用飞灰取样器的飞灰含碳量监测系统
A对“烟道飞灰含碳量的在线传感器”的疑问
该实用新型设计的专利号ZL012110622.4。
1.烟道内的驻波场破坏了飞灰含碳量的测量
该专利说明书中说明该实用新型设计图2是由背景技术图1演变而来的。
但是在图2中的烟道壁70和71在图1种并没有。
在微波工程中怎能闭口不谈庞大的钢板制成烟道壁（四个面）的影响呢？
由于烟道内壁对入射微波百分之百的反射，在烟道内两个喇叭天线之间的空间形成驻波场。
在这种情况之下接收天线收到的微波功率几乎完全取决于接收天线口面处的驻波相位（这个相位确定了接收天线口面处场强）而与飞灰中的含碳量无关。
由于烟道内气压、温度等因素的变化，烟道侧壁间的距离也变化。
再加上微波源频率的漂移（波长改变），造成接收天线口面处的驻波相位（因而场强）不断地随机改变，导致接收功率的无序变化。
而飞灰含碳量的测量是依靠检测接收天线收到的微波功率进行的，因此驻波相位的不稳定性成为一种严重的干扰，使飞灰含碳量的测量成为不可能。
因此，本实用新型专利在原理上和1986年我国最早申请的微波测碳仪专利（CN86201833U）中列为背景技术进行批判的WCT-1型微波测碳仪雷同了。
ZL0121062204的实用新型设计走上了WCT-1型失败的老路。
WCT-1型微波测碳仪用来封装两个喇叭天线的金属盒内壁对微波强烈的反射，而在金属盒内形成了驻波场，完全破坏了WCT-1型对飞灰含碳量的测量（请参阅参考文献8、9）。
2.无法用实验检验其数据正确与否
ZL0121062204号专利的另一重大疑问在于，它不能提供一种实验定标的方法，无论是生产厂家还是用户都无法用实验来检验它给出的数据是否正确。
因为无法设计一个在烟道中飞行的已知其含碳量的悬浮的飞灰流用来调整该设备的显示。
这种不可能用实验检验的技术不应被视为真科学。
用户只能迷信厂家给出的数据。
3.零点漂移误差远远超过最大测量范围
根据我们长期的大量的实验测量，证实不论在9000兆赫频段还是在900兆赫频段，在测量沉积飞灰的微波传感器最强的场强区，石英波管内没有沉积状飞灰，而只有下落的悬浮状飞灰时，微波传感器显示值为0.0，按飞灰含碳量值为1.5%计算可知，测量悬浮状飞灰的微波传感器的灵敏度不及测沉积状飞灰微波传感器的十五分之一。
因此像ZL01210622.4这种测悬浮状飞灰的传感器在最大测量范围时只能吸收微波源——检波器系统指示的功率的3%。
但是最稳定的微波源的功率变化指标为±1db即±26%。
此外检波器的漂移也能达到10%。
所以微波源加检波器总计的功率变化可达30%以上。
所以ZL01210622.4这种微波传感器的零点漂移误差会超过最大测量范围的10倍。
发电厂的锅炉自开炉点火一般要连续运行10个月之久，这期间不会留给任何为传感器调整零点的机会。
[实测表明测量沉积状飞灰的微波传感器内的石英波管（截面积3.7平方厘米）每小时下落1.2千克飞灰在这个烟气流中的飞灰密度高于实际烟道中烟气流中飞灰的密度（截面积60000平方厘米的烟道每小时通过12.5吨飞灰）的30%。
]
4.被测飞灰的代表性差
由于发射和接收天线都是具有方向性的，因此烟道内只有在两个天线轴线附近飞灰才受到微波的照射。
而在烟道内的上方和下方的大部分空间内的飞灰都得不到微波照射。
所以这种设计只能检测到烟道中央一小部分飞灰。
5.有人撰文盛赞了此项实用新型设计的同时，也指出了它的“美中不足”，该文称是国际上的先进设计取消了本设计的发射和接收喇叭天线，而使波道口直接垂直地和烟道侧壁相联接（文章认为微波会像加了压力的水一样从方波导口喷出），并且把相对两个烟道侧壁改造成球面。
但是我们认为，此“国际上的先进技术”仍然具有本文前面指出的四个问题。
B“电站锅炉烟道非接触式微波在线装置”的疑问
这种设计的专利号为ZL97243092.X，其原理图示于图1。
1.强大的交调干扰完全淹没了任何有用的测碳信息
在图1中每个微波接收喇叭同时接收到两个微波源，通过两个微波发射喇叭发射出的两个微波信号V1和V2，这两个微波源的角频率ω1和ω2肯定不会完全相同。
为了简化分析，首先我们假设两个微波信号的振幅相同A，相位也相同，于是到达每一微波检波器的信号：
V=V1+V2
=Asinω1t+Asinω2t
=A（sinω1t+sinω2t）
=2A[cos1/2（ω1-ω2）t]sin1/2（ω1+ω2）t
因此，两个不同频率正弦波相叠加的结果得到了一个调幅波（图2）。
经过微波检波器后得到调幅波的包迹（图3），这是一个全波整流函数形的尖顶脉冲交调干扰。
尖顶脉冲的重复频率为（ω1-ω2），交调干扰的振幅为2A，是微波信号振幅的2倍。
完全淹没了任何有用的测碳信息。
特别是无法用任何数字或模拟的滤波器得到检波信号图3的直流成分。
因为尖顶脉冲的最低重复频率（ω1-ω2）可能为零。
如果两个信号V1和V2的振幅不相等时，图3的尖顶脉冲趋于正弦波形。
如果两个微波信号V1和V2的角频率完全相等，那么两个微波信号的相位差也会有严重的影响，当同相位时则信号相互叠加而增强，合成信号为
V=V1+V2
=2Asinωt
而当两个微波信号反相位时，两个信号叠加的结果为零。
这些情况随时都可能改变。
2.煤种改变导致测碳数据完全错误
检测飞灰中的含碳量是靠测量飞灰吸收的微波能量的大小来实现的。
但是ZL97243092.X号专利的说明中明白说明该设计使用的是“介质稳频3厘米固态微波源”，说明了该设计使用的是波长为3厘米，即频率在9千兆赫（8～10千兆赫的微波）。
λ=c/f
式中，λ为微波信号波场，f为频率，c为真空中光速。
但由电磁场理论和电介质物理学可知，在3厘米波长下，飞灰中除了碳颗粒以外的无机矿物粉末吸收的微波功率和碳颗粒吸收的微波功率相加而后被测出。
但当煤种改变时，无机矿物粉末的介电常数变化，因而吸收的微波功率也在变化。
无机矿物粉末变化不定地吸收微波，强烈地干扰了测碳数据，破坏了测量精度。
3厘米波长是一个错误的选择。
此外，本专利还具有“烟道飞灰含碳量的在线传感器”所有全部的问题。
五、扫频谐振法的问题（专利号：
00240532）
扫频谐振法是应用扫频的微波信号和波导型谐振腔构成的。
扫频的频率在1.55至5.8千兆赫之间，谐振腔的中央竖立穿过一根内径只有4毫米的石英玻管，内盛被测飞灰。
它的问题是：
1.测量范围太小，只能达到10%飞灰含碳量值。
石英玻管内径加粗会使测量范围急剧下降。
因为加粗石英玻管内径会降低谐振腔的有载Q值，从而降低测碳的分辨率。
2.严重堵灰。
该设备使用“无动力等速取样器”和压缩空气反吹排灰法。
下一节专门论述其形成堵灰的机理，特别是石英玻管的内径太细，是最易堵灰的一种设备。
六、使用“无动力等速取样器”和压缩空气反吹排灰法的设备形成堵灰的机理
1.由于烟气流中含有水蒸汽，在环境温度低时“无动力等速取样器”的旋风集灰器蜗壳内壁结露，露水和飞灰中的氧化钙成分结成氢氧化钙（即熟石灰）粘附在旋风集灰器内壁，这一薄层的氢氧化钙立即和烟气流中的二氧化钙反应生成碳酸钙坚硬的板结层。
这板结层每天都在积累，日渐加厚。
经过一个冬季板结层便完全堵死了旋风集灰器的内腔。
刚安装的无动力的等速取样器在气温高的季节可以看到欢畅的运行，但是一过冬季就全部堵死。
现实已经证明了这个结论。
2.压缩空气反吹法造成堵灰的过程和无动力等速取样器类似。
压缩空气中含有水份，它能把微波传感器以及飞灰取样器及连接到烟道的管道和阀门内壁吹湿而形成飞灰板结。
加热并不能使压缩空气干燥，因为在高气压下水的沸点升高，温度高达200～300℃的热水由阀门喷出时剧烈地同飞灰中的氧化钙反应生成氢氧化钙并喷射到无动力等速取样器旋风集灰器蜗壳的内壁，加速了板结的过程。
七、关于电容法和相位法测量飞灰含碳量技术的讨论
电容法和相位法在原理上都基于同一观点，那就是认为：
飞灰整体被看成是一种电介质，而含碳量高的飞灰介电常数εr大，反之亦然。
因此把飞灰填充到一个电容器的极板间，电容器的电容量就会受飞灰含碳量的影响而改变。
通过测量电容器的电容量就能确定含碳量；相位法是根据微波在电介质中传播的速度为：
Vp＝C/√εr
这里C为电磁波在真空中传播的速度εr为电介质的相对介电常数。
当微波通过厚度为W的电介质时所经历的时间为：
td＝W/Vp＝W√εr/C
这段时间可以折算成相移
Φ＝tdω＝ωW√εr/C
式中ω为微波信号的角频率（ω＝2πf）
式中ω、W和C都是已知，因此测定微波通过飞灰后的相移Φ便能得知εr，从而确定飞灰中的含碳量。
但是应该指出，认为飞灰中含碳量越高，介电常数就越大的观点在化学和物理学方面找不到丝毫的证据，这是一种没有根据的违反科学的错误假说。
是对飞灰中的碳吸收微波机理的错误解释。
正如实践所证实的当飞灰中含碳量较低时，飞灰的介电常数主要取决于无机矿物粉末的成份，而当煤种改变时，无机矿物粉末的成份也改变，因此εr也改变。
所以在低含碳量时，电容法和相位法所测到的是受煤种改变强烈影响的杂乱无章的干扰而和飞灰中的含碳量无关。
参考文献
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JohnNSorgeClamarLarrimore
KristaDBunchSouthernCompany
600North18thStreetBirminhamAlabama35202-2625
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8.郑忠信微波测碳仪86201833号专利说明书
9.郑忠信微波测碳仪——大型工业锅炉节能监测的有效手段《电子技术应用》1987年12期
10.TI:
Measuringmethodforunburntcarbonquantityinflyashanddevicetherefore
Inventor（s）:
ISHIBASHIMASARU
PatentNumber:
JP10038817,Publicationdate:
Feb.131998
11.TI:
SEKAMon-linecarbon-in-ashmonitorapplicationexamplesandoperatingexperience.
AU:
BrianSnowdon
升级会员 