CN102156225A - 具有粉粒体介电系数变化测量电极的电容层析成像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及粉粒体管道内的粉粒体分布和流量测量传感器，特别涉及一种具有粉粒体介电系数变化测量电极的电容层析成像传感器。该传感器包括传感器内框，通常为圆形或矩形截面的管道，内框外壁上的粉粒体分布测量电极阵列，粉粒体介电系数变化测量电极组，电极端屏蔽电极、电极间屏蔽电极、信号传输电缆，以及传感器外部的屏蔽罩。被测量的粉粒体从传感器内框流过时，分布测量电极阵测量粉粒体的空间分布，而介电系数变化测量电极则测量粉粒体介电系数的变化程度。介电系数变化测量电极提供的粉粒体介电系数变化信号，可用于修正分布测量电极的数据，从而对粉粒体空间分布做出更为准确重建。

Description

具有粉粒体介电系数变化测量电极的电容层析成像传感器

技术领域

本发明涉及粉粒体管道内的粉粒体分布和流量测量传感器，特别涉及一种应用于高浓度粉粒体流动(如栓柱、流波状流等)的测量，并具有对粉粒体的介电系数变化提供数据，从而使与之相配的ECT测量系统能对介电系数变化的影响进行修正的传感器。

背景技术

在管道中输送粉粒体(如煤粉、水泥粉、石灰粉、各种粮食粉体等)时管道内存在稀相流与密相流。对于不同的流态，在管道截面上粉粒体存在不同的分布形式。例如稀相流中，粉粒体通常是很稀疏地散布在空间，分布在管道截面上的各个部位。而浓相输送中，粉粒体的浓度较高，通常是比较浓密地在管道的底部形成一定厚度的粉粒体层，甚至在部分长度上几乎布满整个管道截面。其流态常常呈现栓柱流(plug flow)和波状流(wavy flow)。对于这些流态，ECT利用电容测量原理，通过适当设计的传感器，能测量出经过传感器内的粉粒体的空间分布，并由此确定粉粒体的浓度分布。

沿流动方向的一定间隔布置的两个电极阵列，则形成组合ECT传感器。将组合ECT传感器安装在管道上，两个电极阵列各自测量相应截面上粉粒体的截面分布。同时，对两个电极阵列信号的时间间隔利用适当的方法(如互相关方法，空间滤波方法等)进行处理，可进一步测量出粉粒体在管内流动的特征速度(如截面平均速度)。再结合已知的管道直径和粉粒体的物质密度，则可以测量粉粒体在管内的体积流量和质量流量。

传感器的设计与被测物质的性质、管道特点、以及工作环境有密切关系。因为在工业应用中，所输送的粉粒体的介电系数常常会因不同的外界条件而发生变化，例如混杂的粉粒体的成分发生变化，粉粒体的湿度的变化等等引起的物质介电系数的变化。而因为ECT测量是根据粉粒体的介电系数分布重构粉粒体的空间分布，因此，根据测量数据重建的粉粒体的空间分布，不但受粉粒体的数量和空间位置的影响，还受粉粒体本身介电系数大小的影响，如果不知道粉粒体介电系数的变化，则测量的粉粒体浓度和流量都会因此而产生额外的误差。

在ECT测量中，尽管测量物质分布的电极测量值受被测物质介电系数的影响，但这种影响不是独立存在，而是与物质的多少以及空间分布耦合在一起的。传统的ECT测量将物质的介电系数作为常数，因此测量数据可以专一地用于重建物质的空间分布。如果物质的介电系数也发生变化，那么当检测电极检测到信号的变化时，不能直接区分究竟是物质的多少以及空间分布发生变化还是其介电系数发生变化。传统的的ECT传感器均不具备对于粉粒体介电系数变化进行专门检测的电极，因此无法纠正由于粉粒体介电系数变化引起的测量误差。而在实际过程中，由于许多粉粒体的介电系数常常随湿度、温度、以及管道内粉粒体的停留时间、堆积情况等因素的影响，在管道内输送时，在不同的环境下将会产生介电系数的变化，从而在测量的数据中产生因介电系数变化而导致的误差。

根据对国际国内ECT传感器研究和使用状况的调查，尚未能发现能满足上述的要求的传感器。国外的专利US5130661-A，US5291791-A，国内的CN1395093A，CN101441099A，CN1920545A，CN01229907，均未设置专门进行物料介电系数变化测量的电极并据此对成像电容进行修正。

发明内容

本发明的目的是在分布测量电极组测量管道内介电系数的同时，以介电系数变化测量电极对粉粒体的介电系数变化进行检测，然后再对测量数据进行修正，补偿介电系数变化变化引起的误差，从而获得更加准确的测量结果。

本发明提供了一种具有粉粒体介电系数变化测量电极的电容层析成像传感器，采用的技术方案为：

该传感器包括传感器内框、两组粉粒分布测量电极阵列、电极端屏蔽电极、电极间屏蔽电极、传感器外屏蔽框、与前后管道连接的法兰盘、信号传输电缆、ECT信号采集设备以及连接地线。该传感器还具有一组或一组以上的测量粉粒体介电系数变化的介电系数变化测量电极组，每个介电系数变化测量电极组由两个或两个以上的电极组成；介电系数变化测量电极组中的电极之间采用0.1-2mm之间的狭窄距离。

所述传感器内框的横截面为包括圆形、椭圆形、矩形在内的合形状，或者为包括槽形、半圆形在内的非闭合形状。传感器内框采取与输送粉粒体的管道内部相同的形状和尺寸(例如与圆形管道具有同样的内径)，以避免干扰应有的流动状态；也可以通过收缩管或扩张管，使传感器内壁具有与输送粉粒体不一样的尺寸。

所述分布测量电极组与介电系数变化测量电极组在传感器内框上有两种相对位置：

(a)分布测量电极组与介电系数变化测量电极组分别位于不同的截面；

(b)分布测量电极组与介电系数变化测量电极组位于同一截面，此时介电系数测量电极组的电极位于传感器内框的内壁面，与所述电极间屏蔽电极处于相同的半径延长线上。

所述介电系数变化测量电极组的电极为狭长形不易氧化和受到腐蚀的良导体，包括铂金、黄金、不锈钢；宽度为百微米级别或毫米级别的金属丝。

所述介电系数变化测量电极布置在内框的内侧或嵌入内框的内壁，以获得更高的灵敏度。

所述介电系数变化测量电极组的电极表面镀敷绝缘层。

本发明的有益效果为：

(1)对传感器内粉粒体多少和分布的影响与粉粒体介电系数变化的影响进行解耦，由此得到粉粒体介电系数的增量数据，进而据此对所得到的电容数据进行修正，以此修正湿度变化引起的误差，能显著提高对输送管道内的粉粒体浓度分布和输送流量的测量的准确性。

(2)介电系数测量电极的形状为间距较小的狭长电极，并且通常置于传感器的内壁面；由于布置在内部，紧贴流动中的粉粒体，该电极组对临近粉粒体的介电系数的变化敏感。同时，电极狭小，并且电极间隔很小，电极受粉粒体厚度的影响随厚度的增加而较快地减弱；在粉粒体厚度大于一定值后，粉粒体的厚度的影响则可以忽略。研究结果显示，对于间隔狭窄的细小电极，电极测量的电容值与粉粒体厚度之间呈非线性关系。厚度很低的阶段，电容值随粉粒体厚度的增加而增加的速度较快，随后逐渐减缓，当厚度达到3mm左右时，电容基本不随粉粒体厚度的增加而变化。

(3)通过介电系数变化测量电极的数据，得到粉粒体介电系数的变化量。然后根据各个电极组的测量电容与粉粒体的介电系数的关系，对各个电极组的电容值进行修正，并在成像过程中使用修正过的电容值。

附图说明

图1(a)、图1(b)、图1(c)分别为介电系数变化测量电极组位于两组分布测量电极阵列之间截面的传感器的剖面图、A-A面截面图、B-B面截面图；

图2(a)、图2(b)分别为介电系数变化测量电极组位于与第一组分布测量电极组相同截面的传感器的A-A面截面图、B-B面截面图；

图3两组分布测量电极数量不一样的传感器。第一组为12个电极，第二组为4个电极。总共有16个电极，以配合当前应用较多的16通道ECT测量仪。

图4介电系数变化测量电极宽度分别为0.5和2mm时测量电容与粉粒体高度的关系；

图5测量系统应用示意。

图中标号：

1-传感器内框；2-第一组粉粒分布测量电极阵列；3-介电系数变化测量电极组；4-电极端屏蔽电极；5-电极间屏蔽电极；6-第二组粉粒分布测量电极阵列；7-传感器外屏蔽框；8-法兰盘；9-第一组粉粒分布测量电极阵列信号传输电缆；10-介电系数变化测量电极组信号传输电缆；11-第二组粉粒分布测量电极阵列信号传输电缆。

具体实施方式

本发明提供了一种具有粉粒体介电系数变化测量电极的电容层析成像传感器，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本传感器包括传感器内框1、两组粉粒分布测量电极阵列、电极端屏蔽电极4、电极间屏蔽电极5、传感器外屏蔽框7、与前后管道连接的法兰盘8、第一组粉粒分布测量电极阵列信号传输电缆9、第二组粉粒分布测量电极阵列信号传输电缆11、ECT信号采集设备以及连接地线。该传感器还具有一组或一组以上的测量粉粒体介电系数变化的介电系数变化测量电极组3，每个介电系数变化测量电极组3由两个或两个以上的电极组成；介电系数变化测量电极组3中的电极之间采用0.1-2mm之间的狭窄距离，具体尺寸应根据ECT传感器直径加以确定。介电系数变化测量电极组3通过介电系数变化测量电极组信号传输电缆10与ECT信号采集设备连接。传感器内框1的横截面为包括圆形、椭圆形、矩形在内的合形状，或者为包括槽形、半圆形在内的非闭合形状。

介电系数变化测量电极组3的电极为狭长形不易氧化和受到腐蚀的良导体，包括铂金、黄金、不锈钢；宽度为百微米级别或毫米级别的金属丝。该电极布置在内框的内侧或嵌入内框的内壁，以获得更高的灵敏度。介电系数变化测量电极组3的电极表面可以镀敷绝缘层。

目前，较多的ECT测量仪具有16个测量通道，能连接16个分布测量电极。对此传感器需要限制其电极的数目，以配合ECT测量仪。该实例应用一个有16个测量电极的ECT传感器。

如图5所示，将该传感器通过法兰盘8与两边的圆形粉粒体输送管道连接。粉粒体的流动方向如图中箭头所示，即粉粒体首先经过第一组分布测量电极组阵列2，然后是介电系数变化测量电极组3，最后是第二组分布测量电极组阵列6。

传感器内框为圆形，并于圆形粉粒体输送管道具有相同的内径。传感器与粉粒体流动管道的连接处内壁直径相同，连接界面保持平滑，不干扰粉粒体本身应有的正常流动。

传感器内框外壁的电极有两组，第一组分布测量电极组阵列2有12个分布测量电极用以测量粉粒体截面分布，12个电极具有相同的宽度，测量电极的间隔为5mm，在间隔内的中央位置安置一个1-2mm宽的电极间屏蔽电极。电极的宽度与间隔宽度平分内框的外圆周长；长度与传感器内径相同。ECT测量仪根据该组的信息重建管内粉粒体分布的图像；第二组分布测量电极组阵列6为4个分布测量电极，4个电极具有相同的宽度，电极的间隔为5mm，在间隔内的中央位置安置一个1-2mm宽的电极间屏蔽电极。电极的宽度与间隔宽度平分内框的外圆周长，电极长度与传感器内侧(即粉粒体流动通道)半径相同。这样共有16个分布测量电极。两组电极之间的距离为100mm。两组分布测量电极组阵列之间具有一个电极端屏蔽电极4，由导电金属(铜箔)包覆传感器内框1的外壁，形成中间屏蔽电极。在两个电极组外端，各自具有一个电极端屏蔽电极。测量电极组与屏蔽电极组之间的距离为2-4mm。

在传感器内框1的内壁布置粉粒体介电系数变化测量电极组3。该介电系数变化测量电极组3在轴向位于上述的第一组分布测量电极组阵列2和第二组分布测量电极组阵列6之间。该介电系数变化测量电极组3由平行的两个狭长金属电极组成，电极组嵌入传感器内框1的内壁。电极之间的距离为0.5-1mm，电极自身宽度为2mm，长度为30mm。电极的安置方法为：首先在传感器内框1上刻槽，槽的尺寸与电极相同，然后将电极紧密嵌入槽内，电极表面与传感器内框内壁平齐，然后在电极表面涂覆很薄的保护涂层。在常温下使用的传感器，其传感器内框外壁上的电极，可以采用金属箔粘贴的方法。而对于高温下使用的传感器，电极可以采用金属烧结和电镀等方法固。

上述的电极尺寸适用于内径为50-300mm左右的输送管道。远小于或远大于此内径的管道，视具体的应用对象和环境，传感器中电极的尺寸也可能需要另行设计。被输送的粉粒体应为绝缘体或弱导电体，介电系数在1-10左右。如果介电系数较大，则需要减小电极的尺寸。

介电系数变化测量电极的信号采集，不需用ECT的常规分布测量电极，而可以通过在ECT测量仪上另外增加相应的电容测量通道进行采集。也可以利用其它的电容测量仪表进行测量，其测量信号将在图像重建的过程中提供粉粒体介电系数变化的修正信息。

测量之前，首先对介电系数变化传感电极进行标定。应用实际测量的物料，拟定的一系列已知粉粒体介电系数(例如通过人为变化粉粒体组分或水分方法)，对传感器进行标定。标定中，针对每种已知粉粒体，在传感器内介电系数变化测量电极的位置铺设粉粒体，注意使料位的高度超过门限高度。然后记录每个条件下介电系数测量电极测量的电容值。对于获取的标定数据，利用回归方法，或结合电磁学仿真的方法，确定电极测量电容值与物料介电系数之间的关联式。

应用该传感器的具体测量过程如下：

(1)首先是通过法兰盘安装在粉粒体输送管道上。可以水平或有一定倾角地安装。主意使介电系数变化测量电极位于传感器的最下方位置，即管道底部，这样在它们的上面便有粉粒体覆盖。本传感器适应的是密相流，如栓住流和波状流。在密相流中，绝大多数情况下管道底部具有相当高的粉粒体厚度，显著超过本例的3mm。这样使本传感器能够得以应用。同时，在测量过程中，可根据成像结果检查此厚度，采用高于门限值对应的数据。

(2)测量前首先进行ECT测量的标定。标定过程与传统标定方法一致，即首先在传感器内没有粉粒体时测量所有电极对的各个电容值作为空场标定；然后在充满所选(或所配置)的被测物料时测量各个电容值作为满场标定。然后记录所有测量电容并在测量是用于图像重建。然而由于被测材料的介电系数有一定范围的变化，因此，标定材料的选择应保证其介电系数比实际输送的略微高出一定的百分比，即高出可能的波动最高值；

(3)第一组分布测量电极组阵列的功能与常规的测量电极一样，测量用于成像的电容数据；

(4)介电系数变化测量电极感受粉粒体的介电系数的变化，并通过相应的软件计算，结合成像数据与标定过程中确定的标定关联式，得出介电系数的相对增量值；

(5)根据介电系数的增量值，对前述第一步中由第一组分布测量电极组阵列获得的电容进行电容值的修正；

(6)利用修正过的成像电容数据，重建图像分布，获得传感器内的粉粒体分布图像。

(7)根据粉粒体分布求出粉粒体在管道截面上的平均浓度；

(8)同时，分析第二组分布测量电极组阵列测量的电容数据；

(9)将第一组分布测量电极组阵列的数据的平均值与第二组分布测量电极组阵列的数据的平均值进行比较，依据两组数据系列中数据波动的时间差，利用互相关等算法得到粉粒体在管道内的平均运动速度。

(10)根据第一组分布测量电极组阵列的粉粒体浓度，粉粒体在管道内的平均运动速度，以及管径，求出粉粒体的体积流量。

在基本的进行粉粒体在管内介电常数的分布测量的ECT电极阵列中，安设对粉粒体介电系数变化测量的介电系数测量电极。介电系数测量电极在传感器的位置，以位于两组分布测量传感器中间的间隔段为佳。如图1(c)所示的截面。在特殊需要条件下，也可以考虑安置在分布测量电极段，如图2(a)所示的截面。

研究结果显示，对于间隔狭窄的细小电极(本案例中间隔1mm，电极宽度1mm，长度为30mm)，电极测量的电容值与粉粒体厚度之间呈非线性关系。厚度很低的阶段，电容值随粉粒体厚度的增加而增加的速度较快，随后逐渐减缓，当厚度达到3mm左右时，电容基本不随粉粒体厚度的增加而变化。这个高度可以定义为高度变化影响的“门限高度”，如图4所示。图中可以看出，对应于更窄的电极间距(0.5mm)，门限高度以上的电容值与高度接近0时的电容的比例更大，即门限高度的效果更加明显。此时，介电系数变化测量电极测量的电容数值的变化，就只受粉粒体介电系数的变化的影响，实现了对传感器内粉粒体多少和分布的影响与粉粒体介电系数变化的影响进行解耦。

Claims (6)

1.具有粉粒体介电系数变化测量电极的电容层析成像传感器，包括传感器内框(1)、两组粉粒分布测量电极阵列、电极端屏蔽电极(4)、电极间屏蔽电极(5)、传感器外屏蔽框(7)、与前后管道连接的法兰盘(8)、信号传输电缆、ECT信号采集设备以及连接地线，其特征在于，

该传感器还具有一组或一组以上的测量粉粒体介电系数变化的介电系数变化测量电极组(3)，每个介电系数变化测量电极组(3)由两个或两个以上的电极组成；介电系数变化测量电极组(3)中的电极之间采用0.1-2mm之间的狭窄距离。

2.根据权利要求1所述的具有粉粒体介电系数变化测量电极的电容层析成像传感器，其特征在于，所述传感器内框(1)的横截面为包括圆形、椭圆形、矩形在内的合形状，或者为包括槽形、半圆形在内的非闭合形状。

3.根据权利要求1的具有粉粒体介电系数变化测量电极的电容层析成像传感器，其特征在于，所述分布测量电极组与介电系数变化测量电极组(3)在传感器内框(1)上有两种相对位置：

(a)分布测量电极组与介电系数变化测量电极组(3)分别位于不同的截面；

(b)分布测量电极组与介电系数变化测量电极组(3)位于同一截面，此时介电系数测量电极组(3)的电极位于传感器内框(1)的内壁面，与所述电极间屏蔽电极(5)处于相同的半径延长线上。

4.根据权利要求1的具有粉粒体介电系数变化测量电极的电容层析成像传感器，其特征在于，所述介电系数变化测量电极组(3)的电极为狭长形不易氧化和受到腐蚀的良导体，包括铂金、黄金、不锈钢，宽度为百微米级别或毫米级别的金属丝。

5.根据权利要求1的具有粉粒体介电系数变化测量电极的电容层析成像传感器，其特征在于，所述介电系数变化测量电极布置在内框的内侧或嵌入内框的内壁，以获得更高的灵敏度。

6.根据权利要求1的具有粉粒体介电系数变化测量电极的电容层析成像传感器，其特征在于，所述介电系数变化测量电极组(3)的电极表面镀敷绝缘层。

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