[發明專利]一種集成式電容-激光測量粉塵濃度的裝置

有效

• 申請號: 201510347812.8
• 申請日: 2015-06-19
• 公開（公告）號: CN104931399A
• 公開（公告）日: 2015-09-23
• 發明（設計）人: 劉廈;劉石;任思源
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06;G01N27/22;G01N21/63
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

技術領域

本發明屬于粉塵濃度測量設備領域，尤其涉及一種集成式電容-激光測量粉塵濃度的裝置。

背景技術

氣固兩相流研究涉及工業生產過程的各個方面，化工、能源、電力中都有不同程度的粉塵排放，檢測其濃度、粉塵大小對環境保護有非常重要的指導意義；目前，利用聲學、光學與電學測量原理可以對粉塵濃度進行測量；通過對其濃度進行測量，進而實現過程的優化控制，提高生產效率、降低能耗、節約能源。

電容層析成像技術是隨著計算機技術和檢測技術的進步發展起來的新一代參數檢測技術，其英文名稱為Electric?Capacitance?Tomography，簡稱ECT。ECT是傳感器件以電極陣列從外部環繞流動通道的被測截面，通過掃描的方式依次測定所有電極對之間的電容值。被測截面內物質分布的變化將造成所測電容值的相應變化，ECT則根據所測的電容值，通過圖像重建的過程重建出被測截面內的物質分布。

電容層析成像主要用于工業管道內的多相流檢測，這種技術可提供常規儀器無法探測的封閉管道及容器中多相介質的濃度、分布、運動狀態等可視化信息，與其它測量技術或儀表相配合還可應用于多相流總質量流量、分相質量流量以及流速的實時檢測。

激光全息技術主要用于測量粒子的流場，此外，激光全息技術在微米級和亞微米級的測量方面也有很好的表現。激光全息測量技術結合了光學測量技術、計算機處理技術、CCD以及圖像處理技術，通過對衍射圖像處理，最終測量得到氣固兩相流中粒子濃度；所述裝置是將兩種方法集成為一種基于電容-激光的測量裝置，實現對被測空間中氣固兩相流濃度的測量。

電容層析成像和激光全息測量，二者都是非介入式測量方式，對于被測空間的內部運動都幾乎不造成影響，同時，這兩種檢測方式測量原理不同、互不干擾，特別的，在某些工業應用領域(如發電廠、變電站)，會存在極強的電磁干擾，電容層析成像測量值將會產生嚴重偏差，在這種情況下，激光測量方法可以彌補了這一不足。因此，將二者綜合運用是一種非常理想的檢測方案。

發明內容

本發明目的是提出了一種集成式電容-激光測量粉塵濃度的裝置，其特征在于，該裝置是通過數據采集儀器和多路開關將電容層析成像裝置、激光全息測量裝置和上位機三部分集成在一起；其電容層析成像測量裝置所在的軸線與激光全息測量裝置所在的軸線相互垂直；電容層析成像測量裝置中傳感器陣列緊貼被測通道的外壁，被測通道的開孔管段放在激光全息測量裝置光路上的透鏡組和濾光片之間；激光全息測量裝置與電容層析成像裝置(ECT測量裝置)的輸入端分別連接多路開關，輸出端分別連接數據采集系統，上位機分別連接多路開關和數據采集系統，組成集成式電容-激光測量粉塵濃度的裝置；其中，圖像分析和濃度分析過程由上位機完成；激光全息測量裝置與電容層析成像裝置因其測量原理不同而互不干擾，兩者均完全不影響通道內的所有狀態。

所述電容層析成像裝置由電容傳感器陣列、激勵信號、運算放大器、交流放大電路、解調和濾波電路依次連接組成，電容傳感器陣列是由在被測管道外側任多個截面上均勻布置電容極板構成；當流體流動時，任意的兩極板組成一對電容，管道內流動的介質在通過電容極板時會產生不同的介電常數，也因此產生了不同大小的電容值，運用正則化算法對管道的濃度場完成重建，完成對粒子濃度的測定。

所述激光全息測量裝置由激光器、空間濾波器、透鏡組、開孔管段、濾光片和CCD相機組成；所有元件都處于同一軸線上。

所述激光全息測量裝置的測量過程是通過激光器發出一窄束光，經過空間濾波器變成均勻的發散光束，在空間濾波器后面加上透鏡組，對空間濾波器發出的光進行匯聚；調節透鏡組軸向上的位置及光束的大小，使發出的光變成平行光束射出；然后用CCD相機對有激光照射的管道內粒子進行拍攝，得到釆集圖像，之后對拍攝到的圖像進行去噪、去背景及目標識別處理，得到粒子的二維位置，最后通過重建方法確定粒子的軸向位置，獲得了粒子在測量管道內的三維空間分布即粒子濃度。

本發明的有益效果是解決了在粉塵濃度的檢測中，無法實現在不影響設備的結構和機械性能的同時，以不干擾流體流動的方式進行管道截面多相分布的測量問題，具有如下特點：

(1)電容層析成像裝置測量氣固兩相流濃度會受到電磁干擾，因而不適于在發電廠、變電站等存在強電磁的地方進行測量，而激光全息測量裝置則不易受到電磁干擾的影響，可以極大的彌補在電容層析成像不能完成的工況下完成濃度測量。