[發明專利]顆粒速度分布的差分式平面電容傳感器陣列測量方法

有效

• 申請號: 201711059923.4
• 申請日: 2017-11-01
• 公開（公告）號: CN108037309B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 高鶴明;鄧惠文;王冰;范兵艷;閔瑩星;劉君
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G01P5/08
• 分類號: G01P5/08
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 羅磊

1.顆粒速度分布的差分式平面電容傳感器陣列測量方法，其特征在于，采用差分式平面電容傳感器陣列測量裝置，包括測量探頭(1)，所述測量探頭(1)依次連接有P路并行設置的差分電容檢測電路(2)，P路所述差分電容檢測電路(2)共同連接有數據采集卡(3)，所述數據采集卡(3)連接有計算機(4)，所述測量探頭(1)包括絕緣測量管道(10)，所述絕緣測量管道(10)外壁上布置有電極陣列和金屬屏蔽罩(9)，所述電極陣列包括一個圓環狀激勵電極(5)，所述激勵電極(5)兩側沿絕緣測量管道(10)軸向對稱設置有Q對圓弧狀感應電極，即圓弧狀感應電極沿絕緣測量管道(10)軸向共分為上下兩層，分別為第一層電容感應電極陣列(6)和第二層電容感應電極陣列(7)，所述圓弧狀感應電極遠離激勵電極(5)的一側設置有軸向保護電極(8)，每路差分電容檢測電路均包括兩個輸入端，分別為第一輸入端(11)、第二輸入端(12)，其中1≤Q≤P，第i對圓弧狀感應電極的兩個感應電極分別連接第j路差分電容檢測電路的第一輸入端(11)和第二輸入端(12)，其中1≤i≤Q，1≤j≤P；所述差分式平面電容傳感器陣列測量裝置中整個絕緣測量管道(10)、激勵電極(5)，第一層電容感應電極陣列(6)、第二層電容感應電極陣列(7)、軸向保護電極(8)均包覆于金屬屏蔽罩(9)內；

測量方法具體為：當固相顆粒沿絕緣側測量管道(10)軸向方向運動時，每對圓弧狀感應電極中的兩個圓弧狀感應電極分別產生一組反映氣固兩相流流動信息的電容信號，兩組信號分別傳遞給對應路的差分電容檢測電路的第一輸入端(11)、第二輸入端(12)，對電容信號進行差分放大并輸出給數據采集卡(3)采集，數據采集卡(3)將采集到的信號送入計算機(4)，由計算機(4)對數據采集卡采集(3)輸出信號進行空間濾波算法處理，通過對其頻譜進行分析并確定頻帶寬度，進而計算獲得氣固兩相流顆粒速度分布信息；

當固體顆粒在管道不同徑向位置沿軸向運動時，關于圓環狀激勵電極(5)對稱的每隊圓弧狀感應電極電容變化規律完全相同，整體上呈現雙峰變化規律，峰值點位置相差的距離為p，即是軸向相鄰電容電極對的軸向間隔，單位為mm，每一電極對電容值變化沿軸向近似于高斯函數分布，在電極間距處達到峰值，其沿軸向電容值變化可用式(1)進行曲線擬合：

其中，z是顆粒的軸向位置坐標值，Z為傳感器在管道軸向方向的靈敏空間長度，單位是，mm，A、ɑ、b、c、d、g、m為曲線擬合系數，與傳感器結構以及顆粒空間位置有關；由第1路差分電容檢測電路至第Q路差分電容檢測電路差分放大后，產生Q組差分電容信號可表示為：

其中：C_1i(z)和C_2i(z)分別為第i對感應電極中的兩個圓弧狀感應電極產生的電容變化信號，C_d(z)是差分電容信號；

在計算機(4)內對采集的信號處理的過程為：

步驟1，通過編程對采集到的Q組差分電容信號序列C_di(n)進行傅里葉變換，得到其頻譜E_di(k)，然后取其幅值的平方|E_di(k)|²并除以差分電容離散數據信號長度N，作為差分電容信號序列C_di(n)的功率譜估計P_i(k)，i＝1，2…Q，則可以得到：

其中：E_1i(k)是軸向第一層電容感應電極陣列(6)輸出電容信號的頻譜，ω_z是管道軸向方向的空間角頻率，n是時域差分電容信號的離散點，k為頻域離散點；

步驟2，根據步驟1得到的P組功率譜特性函數的頻率通帶寬度確定每一組截止頻譜f_i，用如下公式：

其中：K_i為功率譜函數截止頻率對應位置的離散點數，F_s是功率譜分析的頻率分辨率，p是軸向相鄰電容電極對的軸向間隔；

步驟3，根據功率譜截止頻率值f_i和第一層電容感應電極陣列(6)和第二層電容感應電極陣列(7)軸向間隔p，確定管道截面上不同區域氣固兩相顆粒流平均流動速度v_i，計算公式如下：

v_i＝k₀.p.f_i (5)

p＝w+d (6)

其中：k₀是速度測量無量綱校正常數，由實驗標定，p是軸向相鄰電容電極對的軸向間隔，w是電極軸向寬度，d是圓環形激勵電極與圓弧狀感應電極之間的間距。