CN101441099A - 旋流浓集的稀疏气固两相流电容层析成像测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于气固两相流测量技术的一种旋流浓集的稀疏气固两相流电容层析成像测量方法及装置。该装置是在稀疏气固两相流的通道上连接旋流浓集装置，旋流浓集装置连接一个控制阀门和气泵，气泵的出口再连接到稀疏气固两相流的通道上。其方法是将稀疏气固两相流经旋流浓集后，固体颗粒将集中在壁面处，固体颗粒浓度采用单层电容传感器测量，速度采用双层电容传感器测量，将两者结合起来可以计算得出固体颗粒的质量流量。使用电容层析成像技术测量提高测量的精度。本发明提出的测量方法和传感器，集浓度、速度和质量流量测量于一体，结构简单，标定方便，解决了电容层析成像技术测量大直径管道中稀疏气固两相流的问题，应用领域广泛。

Description

旋流浓集的稀疏气固两相流电容层析成像测量方法及装置

技术领域

本发明属于气固两相流测量技术，具体的说是涉及将稀疏气固两相流经旋流浓集后使用电容层析成像(Electri calcapacitance tomography，ECT)进行测量的一种旋流浓集的稀疏气固两相流电容层析成像测量方法及装置。

背景技术

气固两相流是物质转换、能源利用和环境保护过程中的重要操作方式之一，在电力、冶金、化工、食品等工业部门中，广泛应用管道气力输送技术来输送煤粉、矿石、塑料颗粒、盐类以及面粉等，这些都属于气固两相流的范畴。在这当中，气固两相流质量流量测量和控制是一个急需解决又长期未能很好解决的难题。

电容层析成像技术是应用于多相流测量与控制的一种新型技术，其原理是：利用一组电极从外部环绕被测区域，利用被测区域内物质分布而导致的各电极之间的电容关系，由测得的电容值重现被测区域内的物质分布。相比于其他测量技术，电容层析成像技术具有很多优点：价格低廉，不会对流场产生干扰，不受固体颗粒浓度、加速度、透明度的限制，是一种非侵入式的快速测量技术。

电容层析成像技术在实际应用存在下面两个问题：其一，两相流动过程十分复杂，检测场内固相颗粒分布不均匀，流型变化快；其二，电容传感器检测场属于“软场”，有其固有的灵敏度分布不均匀性问题，使测量结果不仅与固相浓度有关，而且受固相分布及流型变化的影响很大，测量误差较大。

发明内容

为了克服现有的ECT传感器对大直径管子敏感性弱、空间分辨率差以及敏感场分布不均匀等不足，尤其是针对稀疏气固两相流这种缺点更加明显，本发明提供一种经旋流浓集后再进行ECT测量装置，该方法不仅可以提高ECT测量的空间分辨率，并且合理利用了ECT的敏感场特性，进而提高了测量精度。

本发明的目的是提供一种稀疏气固两相流经旋流浓集的电容层析成像测量装置，将稀疏气固两相流通过旋流浓集装置进入电容层析成像的测试管段，使得固体颗粒主要集中在测试管段的内壁面，合理利用了电容层析成像技术的敏感场特性，并且避免了电容层析成像技术直接在大管径通道测量中敏感性弱及空间分辨率差的问题。测量电极粘贴在测试管段上，浓度测量采用单层电容层析传感器，速度利用双层传感器间的相关技术计算得出，结合浓度和速度测量值可以求出气固两相流的质量流量。

所述旋流浓集装置，由旋风分离器、测试管段及屏蔽罩组成，旋风分离器出口与测试管道连接，两者管径相同，连接旋流浓集装置的两端直管段，形成一个直通道，旋流浓集装置与屏蔽罩通过螺纹及法兰连接在一起，将整个传感器连成一个整体并起到固定及保护作用。

所述电容传感器安装在旋流浓集装置的测试管道上，电容传感器主要由测量电极、隔离电极、端屏蔽和屏蔽罩组成，可根据测量需要设为单层、双层或三层。

所述单层电容传感器只用于浓度测量，浓度测量传感器电极数目在6～16个。

所述双层电容传感器，其中一层用于浓度测量，另外一层用于速度测量。

所述三层电容传感器，其中一层用来进行浓度测量，另外两层用于速度测量。

所述电容传感器，还包括端屏蔽以及电极层间屏蔽，屏蔽线与端屏蔽和屏蔽罩相连接地保持零电势。

所述电容传感器，传感器电极、端屏蔽以及层间屏蔽采用铜材料制作。

本发明的有益效果是，稀疏气固两相流经旋流浓集后ECT系统的测量精度和空间分辨率相比于普通ECT系统都有很大提高，从而拓宽了ECT技术的应用范围。

附图说明

图1是电容层析成像旋流浓集装置的立体示意图。

图2是实际气固两相流管道使用流程示意图；

图3是本发明测试管段横截面的浓度分布图；

图4是本发明上层传感器电容信号原始分布图；

图5是本发明下层传感器电容信号原始分布图；

图6是本发明下游原始信号平移一定时间与上游信号比较图；

图7是本发明上下游电容原始信号的概率密度分布图；

图8是本发明分离器顶部不同抽吸风量下径向体积分数分布图。

具体实施方式：

在图1中可以看到本发明的旋流浓集结构示意图，其中(1)为旋风分离器入口，(2)为传感器电极，(3)为绝缘测试管段，(4)为屏蔽罩。传感器电极为两层，上层用于浓度的测量，下层传感器用来捕捉电容信号与上层电容信号进行相关计算。电极长度没有具体的规定，这里电极长度为测试管段外径的1.2倍，电极宽度按照电极数目均分测试管段外周长，两层电极传感器的中心距离为测试段管径的1.5～2倍。为了获得更好的成像质量，提高浓度的测量精度，上层电极数目一般为6～16个；同时为了增强测量速度，下层电极数目一般为2～8个。

图2是本发明测量过程示意图，其中(5)为阀门，(6)为气泵。在稀疏气固两相流管道上相隔一定距离打两小孔，上游小孔与分离器入口相接，流体经旋流浓集后进入测试管段，经上下游传感器测量后，由气泵(6)补充压头损失将固体颗粒经下游小孔进入原来的管道中继续流动，阀门(5)的开启可以调节分离器顶部的抽吸风量进而调解旋流浓集装置中的浓度分布以及固体颗粒速度。

下面接合附图进一步解释本发明的工作原理：

气固两相流经旋流浓集进入测试管段后，先由上游电容传感器测量出体积浓度分布，图3为采用等值线表示的断面浓度分布。然后依据相关理论中的“凝固”流型假设，下游传感器捕捉与上游传感器相似的信号，为了尽量不破坏流型，在测试管段下端继续连接一段相同管径的通道，图4、5分别为上下游电容传感器捕捉到的原始电容信号分布，图6是下游电容信号平移一定时间与上游信号比较图，图7是上下游信号的概率密度分布图，从图6及图7可以看出上下游信号具有很强的相似性，将两电容原始信号进行相关分析，设上游传感器检测得到的信号为x(t)，下游得到的信号为y(t)，经相关分析得到相关函数R_xy(τ_m)，该图形峰值对应的时间τ_m就是流体截面从上游传感器到下游传感器的流动时间，其相关计算公式为：

式中：x(i)为上游传感器测得的电容信号，y(i+j)为下游传感器得到的电容信号。i为相关取样个数，j为延迟时间对应的取样个数。延迟时间对应的计算公式为：

式中Δt为电容系统测量一组数据所用的时间，由电容采集系统确定。

当延迟时间τ_m确定，上下游传感器几何中心距离L已知，则可以得出流体流动的相关速度，计算公式为：

$V_s\left(t\right)=\frac{L}{{\mathrm{\τ}}_m}$

将速度与第一层电容传感器测量得到的固体断面浓度结合，可以得出固体的质量流量，计算公式如下：

M_s(t)＝ρ_sAV_s(t)β_s(t)

式中：ρ_s为固体物料的密度，V_s(t)为截面平均速度，A代表管道的横截面面积，β_s(t)为上游传感器测得的固体颗粒截面体积分数。阀门5可以调节旋流浓集装置的顶部抽吸风量，图8是三种不同大小风量的截面体积分数沿径向的分布图，其中工况1，工况2，工况3的抽吸风量依次增加。

本发明上述实施例仅用来说明本发明的技术方案，其不应限定本发明的保护范围，若对上述实施例中技术方案做出的等效变换，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1，一种旋流浓集的稀疏气固两相流电容层析成像测量装置，其特征在于，在稀疏气固两相流的通道上连接旋流浓集装置，在旋流浓集装置的上端口连接一个控制阀门，旋流浓集装置的下端口与控制阀门一起连接到气泵的入口，气泵的出口冉连接到稀疏气固两相流的通道上。

2.根据权利要求1所述旋流浓集的稀疏气固两相流电容层析成像测量装置，其特征在于，所述旋流浓集装置，由旋风分离器、测试管段及屏蔽罩组成，测量电极分层粘贴在测试管段上，形成多层电容传感器，旋风分离器出口与测试管道连接，两者管径相同，连接旋流浓集装置的两端直管段，形成一个直通道，旋流浓集装置与屏蔽罩通过螺栓及法兰连接在一起，将整个传感器连成一个整体并起到固定及保护作用。

3.根据权利要求2所述旋流浓集的稀疏气固两相流电容层析成像测量装置，其特征在于，所述电容传感器安装在旋流浓集装置的测试管道上，电容传感器主要由测量电极、隔离电极、端屏蔽和屏蔽罩组成，测量电极等间隔贴于测试管道的外周，相邻电极之间设置隔离电极，电极两端设置端屏蔽，一圆筒形屏蔽罩将整个传感器包围于内，隔离电极、端屏蔽和屏蔽罩接地保持零电势，电容传感器可根据测量需要设为单层、双层或三层。

4.根据权利要求3所述旋流浓集的稀疏气固两相流电容层析成像测量装置，其特征在于，所述单层电容传感器只用于浓度测量，浓度测量传感器电极数目在6～16个。

5.根据权利要求3所述旋流浓集的稀疏气固两相流电容层析成像测量装置，其特征在于，所述双层电容传感器，其中第一层用于浓度测量，电极数目为6～16个，第二层用于速度测量，电极数目为2～8个，双层电容传感器利用相关性原理测量固体颗粒的质量流量。

6.根据权利要求3所述旋流浓集的稀疏气固两相流电容层析成像测量装置，其特征在于，所述三层电容传感器，其中一层用来进行浓度测量，另外两层用于速度测量。

7.根据权利要求3所述旋流浓集的稀疏气固两相流电容层析成像测量装置，其特征在于，所述电容传感器，还包括端屏蔽、隔离电极和屏蔽罩，端屏蔽用于电极两端屏蔽，隔离电极由于电极间屏蔽，屏蔽线与端屏蔽、隔离电极和屏蔽罩相连接地保持零电势。

8.根据权利要求3所述旋流浓集的稀疏气固两相流电容层析成像测量装置，其特征在于，所述电容传感器，传感器电极、端屏蔽以及隔离电极采用铜材料制作。

9.一种旋流浓集的稀疏气固两相流电容层析成像测量方法，其特征在于，将稀疏气固两相流经过旋流浓集装置的进口进入电容层析成像的测试管段，使得固体颗粒主要集中在测试管段的内壁面，合理利用了电容层析成像技术的敏感场特性，并且避免了电容层析成像技术直接在大管径通道测量中敏感性弱及空间分辨率差的问题，传感器围绕测试管段分层设置测量电极，电容层析成系统依靠传感器检测区域内物质分布变化而引起的电容变化，籍以确定内部物质浓度分布；其中，浓度测量采用单层电容层析传感器，速度利用双层传感器间的相关技术计算得出，结合浓度和速度测量值可以求出气固两相流的质量流量。

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