[發明專利]基于陣列式聲傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201310314857.6
• 申請日: 2013-07-24
• 公開（公告）號: CN103411858A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 胡永輝;閆勇;錢相臣;黃孝彬
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02;G01N15/06
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 史雙元

技術領域

本發明屬于氣固兩相流在線測量技術范圍，特別涉及一種基于陣列式聲傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置及方法。

背景技術

粉體顆粒是過程工業中最為常見的物料和產品存在形態，它廣泛存在于醫藥、食品、化工、冶金等多個工業領域。粉體的物料特性可由密度、形狀、尺寸、硬度、孔隙率、分散度等多個參數進行表征，其中顆粒粒度是決定產品質量和性能的一種重要參數，如制劑粒度的大小將直接影響藥物的有效性、穩定性及安全性，水泥的強度、流動性、凝結和硬化過程與粉體粒度密切相關，燃煤鍋爐中煤粉粒度對燃燒效率、燃燒穩定性和污染物排放具有重要的影響，因此對顆粒粒度的準確測量具有極為重要的現實意義。在粉體工業中，利用氣流實現粉粒狀物料在管道中的輸送是一種古老而有效的技術，顆粒流動參數的在線測量有利于工業過程的控制與優化。目前，常見的粒度測量方法還難以實現氣力輸送管道內顆粒粒徑的在線測量，如篩分法操作繁瑣、耗時長，測量結果嚴重滯后，光學測量法對環境要求苛刻，難以適應工業現場。粉體顆粒在管道中運動時，由于碰撞、摩擦會產生聲發射信號，該信號含有豐富的顆粒運動信息，如速度、濃度、粒徑等，通過適當的處理與分析可實現粉體流動參數的在線測量。本發明提出一種基于陣列式聲傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置，利用位于流場中的多個聲發射檢測單元實現管道截面局部空間的顆粒粒徑測量，通過將管道內所有局部信息加以融合，可得到整個管道截面的粒度分布信息，從而為工業過程的在線監測和優化控制提供測試手段。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于陣列式聲傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置及方法，其特征在于，所述顆粒粒度分布在線測量裝置為在氣固兩相流管壁上安裝聲發射檢測探片，聲發射檢測探片插入到顆粒流場中或者貼敷于管道內壁上；聲發射檢測探片上分布有多個聲發射檢測單元，聲發射檢測單元由振動構件、壓電薄膜傳感器和隔聲橡膠組成，聲發射檢測單元的輸出信號連接到嵌入式數據處理模塊，以實現對流場多個局部空間的粒度分布測量，獲得顆粒粒度分布信息，嵌入式數據處理模塊輸出顆粒粒度分布信息以供研究、診斷和控制用。

所述聲發射檢測探片為扁平狀結構，其寬度應不對流場造成太大擾動為宜，該寬度為1-2毫米；

所述聲發射檢測單元為密閉式腔體結構，其密封蓋板為面向來流方向的振動構件，顆粒與振動構件碰撞產生應力波，即聲發射信號；在振動構件面向腔體的一面貼敷有壓電薄膜傳感器，以實現對聲發射信號的檢測；振動構件與聲發射檢測探片之間具有隔聲橡膠，以實現對管道振動的隔離，并避免聲發射檢測單元之間的串擾。

所述聲發射檢測探片內部中空，其中嵌入一塊柔性電路板；柔性電路板上承載多個與壓電薄膜傳感器臨近放置的前置放大器，以實現對微弱信號的就近放大；采用微型封裝以滿足安裝尺寸的要求。

所述聲發射檢測探片與振動構件均由不銹鋼材料制成，厚度為1-2毫米，并鍍有陶瓷以增加耐磨性。

所述顆粒粒度分布在線測量裝置包含的多個聲發射檢測探片在管道截面內的空間靈活多樣布局，分別采用三個和五個平行分布的聲發射檢測探片對管道流場進行測量，或采用三組相隔120度角的均勻分布的聲發射檢測探片對管道流場進行測量；或將聲發射檢測探片貼在管道內壁上，以實現對不同位置顆粒粒徑分布的測量。

所述嵌入式數據處理模塊采用二級放大電路、陷波電路和低通濾波器對信號進行調理，由于需要采集與處理的信號數量較多，且算法復雜性較高，利用現場可編程門陣列（FPGA）的各IO端口分別對多個模數轉換芯片進行控制，以實現多路聲發射信號的采集，利用其硬件并行處理能力實現對聲發射信號的實時處理。

所述基于陣列式聲傳感器的顆粒粒度分布在線測量方法，其特征在于，該方法包括：

1）通過對顆粒碰撞、聲發射信號傳導與接收過程進行物理建模與仿真分析，獲得顆粒速度、濃度、粒徑、材料性質與包括平均電平、峰值幅度、上升時間、振鈴計數和功率譜密度的傳感器響應信號特征的關系；利用每個聲發射檢測單元測量其所處局部空間的顆粒粒度分布，通過將管道內所有局部信息進行融合，得到管道中顆粒的整體粒度分布；

2）當顆粒濃度較低時，對單個脈沖進行特征參數提取，獲得單次碰撞的顆粒粒徑；

3）當顆粒濃度達到一定程度而無法分辨單個脈沖時，則采取頻譜分析、小波分析的信號處理方法獲得顆粒粒徑的統計分布。

本發明的有益效果是：采用被動聲學檢測技術實現顆粒粒度分布的在線連續測量，并采用分布式傳感獲得顆粒流場的局部粒度分布信息，從而可為粉體流動特性與規律的科學研究，以及工業現場在線連續測量粉體流動參數提供詳盡數據。