[發(fā)明專利]基于陣列式靜電傳感器的粉體流動在線測量裝置及方法

在審

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• 申請日: 2013-07-24
• 公開（公告）號: CN103389117A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 閆勇;胡永輝;錢相臣;王麗娟;黃孝彬
• 申請（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)
• 主分類號: G01D5/12
• 分類號: G01D5/12
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 史雙元

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣固兩相流在線測量技術(shù)范圍，特別涉及一種基于陣列式靜電傳感器的粉體流動在線測量裝置及方法。

背景技術(shù)

氣力輸送是一種利用氣流在管道中輸送粉粒狀物料的有效方法，它廣泛存在于電力、冶金、化工、環(huán)保、醫(yī)藥等多個工業(yè)領(lǐng)域。氣固兩相流中存在界面效應(yīng)和相對速度，相界面在時間和空間上隨機(jī)可變，致使其流動特性極其復(fù)雜，迄今為止人們對氣固兩相流流動機(jī)理的認(rèn)識還相當(dāng)有限。為了對粉體流動現(xiàn)象做出合理準(zhǔn)確的解釋、有效監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況、優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)過程，有必要認(rèn)識和掌握氣固兩相流的流動特性和變化規(guī)律。氣固兩相流參數(shù)的測量是國際公認(rèn)的難題，經(jīng)過多年的研究與探索，國內(nèi)外提出了基于不同原理與技術(shù)的粉體流動參數(shù)測量方法，如等速采樣法、光學(xué)法、微波法、超聲法、過程層析成像法、靜電法等，這些技術(shù)主要是為了工業(yè)現(xiàn)場在線連續(xù)測量粉體流動參數(shù)而研發(fā)的，不能對粉體流動參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的全方位測量，因此無法提供對粉體流動特性和規(guī)律進(jìn)行科學(xué)研究的詳盡數(shù)據(jù)。粉體顆粒在氣力輸送過程中，會積累一定數(shù)量的靜電荷，當(dāng)顆粒流經(jīng)靜電電極附近時，可使電極表面產(chǎn)生波動的感應(yīng)電勢信號，通過對該信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，可獲得氣固兩相流流動參數(shù)。本發(fā)明提出一種基于陣列式靜電傳感器的粉體流動參數(shù)測量系統(tǒng)，其基本設(shè)計思想是利用靜電傳感器陣列獲得管道截面局部空間的顆粒信息，通過將管道內(nèi)所有局部信息加以融合，可得到整個管道截面的粉體流動參數(shù)。該系統(tǒng)能夠測量粉料在管道中的瞬時速度廓形、空間平均速度、瞬時濃度分布、空間平均濃度、以及瞬時質(zhì)量/體積流量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于陣列式靜電傳感器的粉體流動在線測量裝置及方法，其特征在于，所述粉體流動測量裝置為在氣固兩相流管壁上安裝靜電感應(yīng)探片，靜電感應(yīng)探片插入到顆粒流場中或者貼敷于管道內(nèi)壁上；靜電感應(yīng)探片由靜電電極陣列和電荷放大器構(gòu)成，靜電感應(yīng)探片的輸出信號由嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行調(diào)理、采集、處理與分析，以獲得粉體流動參數(shù)。

所述靜電感應(yīng)探片為扁平狀結(jié)構(gòu)，在靜電感應(yīng)探片上分布有多個靜電感應(yīng)單元，每個靜電感應(yīng)單元由兩到三個條狀金屬電極構(gòu)成；條狀金屬電極垂直于來流方向，同一單元的多個條狀金屬電極在來流方向上平行分布。

所述靜電感應(yīng)探片的寬度應(yīng)以對流場不造成太大擾動為宜，其厚度為1-2毫米；

所述靜電感應(yīng)探片由不銹鋼材料制成，其厚度為1-2毫米；并鍍有陶瓷以增加耐磨性。

所述粉體流動測量裝置為多個靜電感應(yīng)探片在管道截面內(nèi)的空間靈活多樣布局，分別采用三個和五個平行布置的靜電感應(yīng)探片對管道流場進(jìn)行測量，或采用三組相隔120度角的均勻分布的靜電感應(yīng)探片對管道流場進(jìn)行測量；或?qū)㈧o電感應(yīng)探片貼在管道內(nèi)壁上，以實現(xiàn)對不同位置顆粒流動信息的測量。

所述嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊采用二級放大電路和低通濾波器對信號進(jìn)行調(diào)理，由于需要采集與處理的信號數(shù)量較多，且算法復(fù)雜，則利用現(xiàn)場可編程門陣列的各IO端口分別對多個模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行控制，以實現(xiàn)多路靜電信號的同步采集，并利用其硬件并行處理能力來實現(xiàn)對靜電信號的實時處理。

所述基于陣列式靜電傳感器的粉體流動參數(shù)在線測量方法，其特征在于，利用顆粒流經(jīng)相鄰電極會產(chǎn)生相似靜電感應(yīng)信號的現(xiàn)象，對同一靜電感應(yīng)單元中的多路靜電信號進(jìn)行同步采樣，采用互相關(guān)算法獲得上下游靜電信號之間的渡越時間，再根據(jù)電極之間的空間距離求得顆粒瞬時速度；利用靜電信號強(qiáng)度與顆粒濃度的單調(diào)相關(guān)性，通過靜電信號的均方根值推算顆粒的相對體積濃度；以每個靜電感應(yīng)單元測量其所處局部空間中顆粒的瞬時速度和瞬時濃度，通過將管道內(nèi)所有局部信息進(jìn)行融合，得到管道中顆粒的空間平均速度、空間平均濃度以及瞬時質(zhì)量/體積流量。

本發(fā)明的有益效果是：采用陣列式、分布式傳感技術(shù)得到顆粒流場的局部信息，通過將分布在管道空間的所有局部信息加以融合，可得到整個管道截面的粉體流動參數(shù)，從而提供對粉體流動特性和規(guī)律進(jìn)行科學(xué)研究的詳盡數(shù)據(jù)，并適用于工業(yè)現(xiàn)場在線連續(xù)測量粉體流動參數(shù)。

附圖說明

圖1為粉體流動測量裝置的原理結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1.氣固兩相流管道；2.靜電感應(yīng)探片；3.靜電感應(yīng)單元；4.嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊。

圖2為靜電感應(yīng)單元示意圖。

圖中：5為條狀金屬電極。