基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测装置及方法.pdf

一种基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测装置及方法属于气固两相流参数检测领域。该装置由依次连接的矩形静电传感器阵列、信号调理处理单元、数据融合单元、输出显示单元组成；矩形静电传感器阵列由安装在矩形管道内壁或外壁的多个电极环组成，各电极环由多个间隔分布的条形电极组成，且各条形电极之间彼此绝缘。颗粒在流动过程中产生静电，基于静电感应原理，电极感应出与颗粒流动状态相关的感应电荷，经信号调理处理单元进行放大、滤波、分析处理，再经数据融合，得到矩形管内整体或局部粉体流实时流动参数。本发明结构简单、成本低、分辨率高，不易受恶劣环境影响，可实现矩形管内整体或局部粉体流流动参数实时检测。

1.  一种基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测装置，其特征在于，由依次连接的矩形静电传感器阵列、信号调理处理单元、数据融合单元、输出显示单元组成；
所述矩形静电传感器阵列由安装在矩形管道内壁或外壁的多个相互平行的电极环组成，各电极环由多个间隔分布的条形电极组成，且各条形电极之间彼此绝缘。

2.  根据权利要求1所述的一种基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测装置，其特征在于，所述各条形电极由金属屏蔽层屏蔽，且条形电极与金属屏蔽层之间绝缘。

3.  根据权利要求1所述的一种基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测装置，其特征在于，所述条形电极分为窄条形电极和宽条形电极。

4.  根据权利要求1所述的一种基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测装置，其特征在于，所述矩形静电传感器阵列中至少包含2个相同结构尺寸的电极环；同一个电极环中各条形电极尺寸相同；同一个电极环在单面管壁上条形电极的个数至少为1。

5.  根据权利要求1所述的一种基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测装置，其特征在于，所述条形电极安装在矩形管段内壁时，矩形静电传感器阵列由内到外依次是条形电极、预放单元、绝缘层，预放单元与屏蔽导线连接；
条形电极安装在矩形管段外壁时，矩形静电传感器阵列由内到外依次是绝缘层、条形电极、预放单元，预放单元与屏蔽导线连接；由金属屏蔽层将矩形静电传感器阵列包覆，并在金属屏蔽层与矩形管段外壁之间设置多个金属屏蔽片，用于屏蔽各条形电极间的干扰。

6.  根据权利要求5所述的一种基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测装置，其特征在于，所述预放单元由电流/电压转换模块和初步放大模块构成，并与条形电极紧密连接，集成到矩形静电传感器阵列中，对条形电极输出的感应电荷进行电流/电压转换和初步放大，以减少信号衰减和增强信号抗干扰能力。

7.  根据权利要求3所述的一种基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测装置，其特征在于，所述信号调理处理单元视条形电极尺寸，分为窄条形电极信号调理处理单元和宽条形电极信号调理处理单元，分别与窄条形电极和宽条形电极连接；
所述窄条形电极信号调理处理单元和宽条形电极信号调理处理单元分别包含二次放大模块、低通滤波模块、多通道模拟量/数字量转换模块、信号处理模块；窄条形电极信号调理处理单元和宽条形电极信号调理处理单元彼此独立，分别实现窄条形电极、宽条形电极相应预放单元输出信号的进一步放大、滤波、模拟量/数字量转换与信号分析处理功能；
所述数据融合单元将窄条形电极信号调理处理单元和宽条形电极信号调理处理单元得到的数据进一步融合、平滑处理，得到矩形管内整体或局部粉体流的流速、浓度、体积流量、质量流量、流场分布的实时信息，送至输出显示单元进行显示，实现矩形管内整体或局部粉体流流速、浓度、体积流量、质量流量、流场分布等参数的实时检测。

8.  根据权利要求7所述的一种基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测装置，其特征在于，所述窄条形电极信号调理处理单元、宽条形电极信号调理处理单元、数据融合单元均设置在屏蔽罩内，并设置在靠近矩形静电传感器阵列的位置，以减少信号损失，降低噪声干扰。

9.  一种基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测方法，其特征在于，基 于静电感应原理，当带电颗粒流经矩形静电传感器阵列中的条形电极时，条形电极上感应出与电极结构、颗粒流动状态相关的感应电荷信号，经与条形电极对应的信号调理处理单元放大、滤波、分析处理，再经数据融合单元融合后，得到整体或局部粉体流实时的流动参数，送至输出显示单元显示；
通过对矩形静电传感器阵列中单个条形电极输出的感应电荷信号幅值取均方值分析处理，可以确定该条形电极处局部粉体流的相对浓度；通过研究管道轴向相邻的两条或多条相同尺寸的条形电极输出的感应电荷信号，采用互相关算法，可以确定该条形电极处局部粉体流的流速信息；综合研究不同尺寸、不同位置的条形电极输出的感应电荷信号，进行数据融合，可实现矩形管内整体或局部粉体流流速、浓度、体积流量、质量流量、流场分布等多参数的实时检测。

基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测装置及方法
技术领域
本发明属于气固两相流参数检测领域，特别涉及一种基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测装置及方法。
背景技术
矩形、方形管道，由于制造工艺简单，同等横截面积实际占用空间相对较小，现场中更容易安装布置等优点，常在循环流化床电厂、部分燃煤电厂、烟气排放系统中用作气力输送管道，气力输送管道中粉体流动是典型的气固两相流流动，管内气固两相流参数检测与企业的经济效益和安全运行息息相关。矩形、方形截面管道，与圆形管道相比，由于非圆心对称性以及直角的存在，矩形管内流体流动更加复杂。加之工业现场中环境恶劣，管内流体流动参数检测更加困难，使得目前热学法、差压法、采样称重法、电容法、光学法、微波法、放射法、超声法都不能很好的实现工业现场中矩形管内粉体流流动参数的实时检测。静电传感器，具有结构简单、价格低廉、可适用于恶劣环境等优势，近年来取得了飞速的发展，但目前已有的环形、弧形静电传感器，仅适用于圆形管道。
一种公知的技术，专利ZL200710152036.1，“方形气力输送管道中气固两相流参数的测量装置及方法”，公开了一种方形管道中气固两相流参数检测方法：在方形管道中安装方形静电传感器。但由于该专利中方形静电传感器采用包围整个管道截面的方形环状电极，虽具有较高的灵敏度，但不能测量传感器截面处局部粉体的流动参数，不能实现流场分布(即流型)辨识，且在实际应用中，难以实现粉体流速、流量的准确测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测装置及方法，实现矩形管道内整体或局部粉体流流速、浓度、体积流量、质量流量、流场分布等多参数的实时检测。
本发明所述的检测装置采用的技术方案是：
该检测装置由依次连接的矩形静电传感器阵列、信号调理处理单元、数据融合单元、输出显示单元组成；
所述矩形静电传感器阵列由安装在矩形管道内壁或外壁的多个相互平行的电极环组成，各电极环由多个间隔分布的条形电极组成，且各条形电极之间彼此绝缘。
所述各条形电极分别由金属屏蔽层屏蔽，且条形电极与金属屏蔽层之间绝缘。
所述条形电极分为窄条形电极和宽条形电极，构成窄电极环和宽电极环；但不仅限于两种电极尺寸。
所述矩形静电传感器阵列中至少包含2个相同结构尺寸的电极环；同一个电极环中各条形电极尺寸相同；同一个电极环在单面管壁上条形电极的个数至少为1。
所述条形电极安装在矩形管段内壁时，矩形静电传感器阵列由内到外依次是条形电极、预放单元、绝缘层、屏蔽导线、外管壁，预放单元与屏蔽导线连接，外管壁作为屏蔽层，屏蔽各条形电极的干扰信号；条形电极安装在矩形管段外壁时，矩形静电传感器阵列由内到外依次是绝缘层、条形电极、预放单元、屏蔽导线、金属屏蔽层，预放单元与屏蔽导线连接，金属屏蔽层将矩形静电传感器阵列包覆，并在金属屏蔽层与矩形管段外壁之间设置多个金属屏蔽片，用于隔离各条形电极间的干扰信号。
所述预放单元由电流/电压转换模块和初步放大模块构成，并与条形电极紧密 连接，集成到矩形静电传感器阵列中，对条形电极输出的感应电荷进行电流/电压转换和初步放大，以减少信号衰减和增强信号抗干扰能力。
所述信号调理处理单元视条形电极尺寸可以分为窄条形电极信号调理处理单元和宽条形电极信号调理处理单元，分别与窄条形电极和宽条形电极连接；
所述窄条形电极信号调理处理单元和宽条形电极信号调理处理单元分别包含二次放大模块、低通滤波模块、多通道模拟量/数字量转换模块、信号处理模块；窄条形电极信号调理处理单元和宽条形电极信号调理处理单元彼此独立，分别实现窄条形电极、宽条形电极相应预放单元输出信号的进一步放大、滤波、模拟量/数字量转换与信号分析处理功能；
所述数据融合单元将窄条形电极信号调理处理单元和宽条形电极信号调理处理单元得到的数据进一步融合、平滑处理，得到矩形管内整体或局部粉体流的流速、浓度、体积流量、质量流量、流场分布的实时信息，送至输出显示单元进行显示，实现矩形管内整体或局部粉体流流速、浓度、体积流量、质量流量、流场分布等参数的实时检测。
所述窄条形电极信号调理处理单元、宽条形电极信号调理处理单元、数据融合单元均设置在屏蔽罩内，并设置在靠近矩形静电传感器阵列的位置，以减少信号损失，降低噪声干扰。
本发明提供的基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测方法，是基于静电感应原理进行检测：粉体颗粒在管道中流动时产生携带上静电，当带电颗粒流经矩形静电传感器阵列中的条形电极时，条形电极上感应出与电极结构、颗粒流动状态相关的感应电荷信号，经与条形电极对应的信号调理处理单元放大、滤波、分析处理，再经数据融合单元融合后，得到整体或局部粉体流实时的流动参数，送至输出显示单元显示；
通过对矩形静电传感器阵列中单个条形电极输出的感应电荷信号幅值取均方值(RMS，root mean square)分析处理，可以确定该条形电极处局部粉体流的相对浓度；通过研究管道轴向相邻的两条或多条相同尺寸的条形电极输出的感应电荷信号，采用互相关算法，可以确定该条形电极处局部粉体流的流速信息；综合研究不同尺寸、不同位置的条形电极输出的感应电荷信号，进行数据融合，可实现矩形管内整体或局部粉体流流速、浓度、体积流量、质量流量、流场分布等多参数的实时检测。
本发明的有益效果为：
(1)采用彼此绝缘的条形电极安装在矩形管道内壁或外壁组成矩形静电传感器阵列，提供了一种基于静电感应的适用于矩形管道(包含方形管道)内粉体流流动参数实时检测的装置；
(2)采用彼此绝缘的多个条形电极组成矩形静电传感器阵列，分辨率高，检测参数多，可同时实现矩形管道内整体与局部粉体流流速、浓度、体积流量、质量流量、流场分布等参数的实时测量；
(3)各条形电极彼此独立，可单独更换，产品维修成本低、产品使用寿命长；
(4)条形电极结构简单，价格低廉，可适用于工业现场等恶劣环境中。
附图说明
图1为基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测装置结构示意图；
图2为矩形静电传感器阵列横向截面剖面示意图，其中，图2(a)为条形电极安装在矩形管道内壁时的示意图；图2(b)为条形电极安装在矩形管道外壁时的示意图；
图3为矩形静电传感器阵列检测区域划分示意图；
图4为基于静电感应的矩形管管中粉体流流动参数测量系统计算流程示意图。
图中标号：
1-矩形管道；2-矩形静电传感器阵列；3-窄条形电极信号调理处理单元；4-宽条形电极信号调理处理单元；5-数据融合单元；6-输出显示单元；7-条形电极；8-预放单元；9-绝缘层；10-屏蔽导线；11-外管壁；12-电极间金属屏蔽片；13-金属屏蔽层。
具体实施方式
本发明提供了一种基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测装置与方法，实现矩形管道内整体和局部粉体流流动参数的实时检测，弥补了静电传感器在矩形管道上应用的空缺。下面结合附图及实施案例对本发明作进一步说明：
基于静电感应的矩形管中粉体流流动参数检测装置结构示意图如图1所示，矩形静电传感器阵列2安装在矩形管道1上；本实施案例选用6组条形电极组成矩形静电传感器阵列2，3组宽度较窄的条形电极与3组宽度较宽的条形电极分别构成3个窄电极环和3个宽电极环，按管道轴向方向交叉布置；每个电极环在一面管壁上均匀分布3个相同尺寸的条形电极。
窄条形电极和宽条形电极分别与窄条形电极信号调理处理单元3、宽条形电极信号调理处理单元4连接，窄条形电极信号调理处理单元3和宽条形电极信号调理处理单元4均通过数据融合单元5与输出显示单元6相连，实现矩形管道内整体或局部粉体流流动参数的实时检测。
以其中一个电极环为例，条形电极7的安装示意图如图2所示。图2(a)为条形电极7安装在矩形管道内壁时的示意图，矩形静电传感器阵列2由内到外依次是条形电极7、预放单元8、绝缘层9、屏蔽导线10，外管壁11，条形电极7 彼此之间通过绝缘层9隔离并固定，外管壁11充当条形电极7与预放单元8的屏蔽层；图2(b)为条形电极7安装在矩形管道外壁时的示意图，矩形静电传感器阵列2由内到外依次是绝缘层9、条形电极7、预放单元8、屏蔽导线10、电极间金属屏蔽片12、金属屏蔽层13，条形电极7通过绝缘层9隔离并固定，电极间金属屏蔽片12与金属屏蔽层13共同充当条形电极7、预放单元8的屏蔽层。
条形电极7选用不锈钢或铜；绝缘层9选用耐高温的绝缘材料聚氯乙烯或高温橡胶、陶瓷等，用来确保条形电极之间以及条形电极与接地的金属管壁之间绝缘。
预放单元8由电流/电压转换模块和初步放大模块构成，与条形电极7紧密连接，集成到矩形静电传感器阵列2中，对条形电极7输出的感应电荷信号进行电流/电压转换和初步放大。
窄条形电极信号调理处理单元3和宽条形电极信号调理处理单元4彼此独立，分别包含二次放大模块、低通滤波模块、多通道模拟量/数字量转换模块、信号处理模块，通过屏蔽导线10分别与相应的窄条形电极、宽条形电极上的预放单元8连接，实现相对应的预放单元8输出信号的进一步放大、滤波、模拟量/数字量转换与信号分析处理功能。
数据融合单元5将窄条形电极信号调理处理单元3和宽条形电极信号调理处理单元4得到的数据进一步数据融合、平滑处理，得到矩形管内整体或局部粉体流的流速、浓度、体积流量、质量流量、流场分布的实时信息，送至输出显示单元6进行显示，实现矩形管内整体或局部粉体流的多参数实时检测。
窄条形电极信号调理处理单元3、宽条形电极信号调理处理单元4、数据融合单元5均应屏蔽在屏蔽罩内，且放置在矩形静电传感器阵列2附近。
矩形静电传感器阵列检测区域划分示意图如图3所示，在矩形静电传感器阵 列2中某一电极环处做一与管道轴向垂直的剖面，可见矩形剖面上每边有3个条形电极均匀布置；在条形电极间隔的中心划线，将矩形剖面划分成9个矩形框，对即对应矩形静电传感器阵列的9个矩形检测区域。为便于区分各矩形检测区域，以矩形剖面左上角为起点，从上到下、从左到右，将9个检测区域依次标记为区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ；为便于区分各条形电极，以矩形剖面左上角为起点，顺时针方向将12个条形电极依次标记为条形电极A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L；每个条形电极输出的颗粒平均相对浓度信息依次记为c_A、c_B、c_C、c_D、c_E、c_F、c_G、c_H、c_I、c_J、c_K、c_L，每个条形电极对应位置求得的颗粒平均速度信息依次记v_A、v_B、v_C、v_D、v_E、v_F、v_G、v_H、v_I、v_J、v_K、v_L。
本实施案例检测流程如图4所示，以条形电极F在管道轴向方向对应的6个条形电极为例，3个窄条形电极与3个宽条形电极交叉布置，3个窄条形电极分别记为F₁、F₂、F₃，电极中心彼此间距L₁，3个宽条形电极分别记为F₁′、F₂′、F₃′，电极中心彼此间距L₂，当带电颗粒经过时，6个条形电极依粉体流动方向依次输出相应的感应电荷信号，经对应的预放、信号调理处理单元放大、滤波、分析处理后得6组调理后的电压信号。窄条形电极F₁、F₂、F₃对应的调理之后电压信号依次记为f₁、f₂、f₃，宽条形电极F₁′、F₂′、F₃′对应的调理之后的电压信号依次记为f₁′、f₂′、f₃′。
关于相对浓度c：6路电压信号f₁、f₂、f₃、f₁′、f₂′、f₃′均为随机信号，信号强度的均方值为其有效电压值，与颗粒相对浓度相关，通过对比6路电压信号f₁、f₂、f₃、f₁′、f₂′、f₃′的均方值RMS(f₁)、RMS(f₂)、RMS(f₃)、RMS(f₁′)、RMS(f₂′)、RMS(f₃′)，得6组相对浓度，送至数据融合单元5取均值，得矩形管道条形电极F处粉体颗粒的相对浓度c_F；
关于平均速度v：窄条形电极3路电压信号f₁、f₂、f₃选择任意两组做互相关运算，得到3组互相关函数进而求得渡越时间分别记为τ₁₂、τ₁₃、τ₂₃，相关系数记为r₁₂、r₁₃、r₂₃，速度记为v₁₂、v₁₃、v₂₃；宽条形电极3路电压信号f₁′、f₂′、f₃′选择任意两组做互相关运算，得到3组互相关函数进而求得渡越时间分别记为τ₁′₂、τ₁′₃、τ₂′₃，相关系数记为r₁′₂、r₁′₃、r₂′₃，速度记为v'₁₂、v'₁₃、v'₂₃，速度v₁₂、v₁₃、v₂₃、v'₁₂、v'₁₃、v'₂₃送至数据融合单元5以相关系数加权平均，得矩形管道条形电极F处粉体颗粒的平均流速v_F。
矩形管道其它条形电极处粉体颗粒的相对浓度、平均流速信息均可采用此方法得到。
矩形静电传感器阵列2划分的9个矩形检测区域中粉体流各流动参数求取方法如下：对于两面含电极的矩形区域Ⅰ、Ⅲ、Ⅶ、Ⅸ，该区域内流体平均相对浓度、平均速度分别取两面电极输出的相对浓度、平均速度的平均值，即c_Ⅰ＝(c_L+c_A)/2、c_Ⅲ＝(c_C+c_D)/2、c_VII＝(c_I+c_J)/2、c_Ⅸ＝(c_F+c_G)/2、v_Ⅰ＝(v_L+v_A)/2、v_Ⅲ＝(v_C+v_D)/2、v_VII＝(v_I+v_J)/2、v_Ⅸ＝(v_F+v_G)/2；对于单面含电极的矩形区域Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ，该区域内流体平均相对浓度、平均速度分别取该面电极输出的相对浓度、平均速度，即c_Ⅱ＝c_B、c_Ⅳ＝c_K、c_Ⅵ＝c_E、c_VIII＝c_H、v_Ⅱ＝v_B、v_Ⅳ＝v_K、v_Ⅵ＝v_E、v_VIII＝v_H；矩形管道中心矩形区域Ⅴ，四面不含电极，该区域内流体平均相对浓度、平均速度分别取其四面相邻区域Ⅰ、Ⅲ、Ⅶ、Ⅸ的平均相对浓度、平均流速，即c_Ⅴ＝(c_II+c_IV+c_VI+c_VIII)/4、v_Ⅴ＝(v_II+v_IV+v_VI+v_VIII)/4，经进一步计算得，c_V＝(c_B+c_K+c_E+c_H)/4、v_V＝(v_B+v_K+v_E+v_H)/4；各区域内粉体颗粒的体积流量Q_Vi、质量流量分别为QVi=ci·vi,Qmi=ρ·QVi=ρ·ci·vi,]]>其中i为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ,ρ为管道中粉体颗粒的密度；通过对比各个矩形区域内流体的浓度、流速、体积流量、质量流量，可得矩形管道中粉体流流体的流场分布 信息。矩形管道内整体粉体颗粒总平均浓度c取9个矩形区域内相对浓度的平均值，即c＝(c_I+c_II+…+c_VIII+c_IX)/9，总平均速度v为9个矩形区域内相对速度的平均值，即v＝(v_I+v_II+…+v_VIII+v_IX)/9；总体积流量Q_V、质量流量Q_m为各区域体积流量、质量流量之和，即其中i为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ。
对于本发明中选用其它数量、尺寸条形电极组成的矩形静电传感器阵列也依此方法进行处理，数据融合单元5对得到的矩形管道中整体或局部粉体流流动的实时参数进一步平滑处理后，由输出显示单元6显示，最终实现矩形管道中整体或局部粉体流流动参数的实时检测。