CN103439528B - 基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置，包括测试管段、一次仪表和二次仪表三大部分。浓密膏体在管道输送中流经激磁线圈1或2时，其载流子在外加磁场中作切割磁感线运动，形成垂直于膏体流动方向的电动势，电极将两激磁线圈中的电动势信号引出，进行采集、处理、分析，利用两个测点的互相关分析法计算出两个激磁线圈的延迟时间，两个激磁线圈的间距与延迟时间的商即为浓密膏体的流速。本发明解决了工程现场浓密膏体流速测量没有专用测量装置与测量方法的难题，可实现流速参数的实时获取、数据的自动化处理和存储，还可以将数据上传至中控计算机（或上位机）中显示，为工程现场状态监测、精确控制浓密膏体的流量提供条件。

Description

基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种浓密膏体管道输送领域的流量测量方法，特别是涉及一种基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置。

背景技术

高浓度黏稠固体废弃物，是指工业生产及市政污水处理过程中产生的含固量高、粘度大、颗粒细的固-液两相废弃物或副产品，含固量一般为该行业机械固液分离后的最大值，常温常压下一般不具流动性，在高压管道输送时呈“不沉降似均质浓密膏体”，因此亦称浓密膏体。包括煤炭行业的原生煤泥、给排水行业的脱水污泥、制造行业的工业污泥、石化行业的油渣和油泥及有色金属行业的赤泥等，涉及二十余个与国民经济息息相关的行业。

在设计浓密膏体管道输送系统时，处理、处置及资源化利用浓密膏体工艺均要求能够精确监控浓密膏体的流量。然而，至今没有能够用于浓密膏体现场输送的流量计。为了解决浓密膏体流量测量问题，相关研究人员论证、试用过几种流量计，但都没有成功:

涡轮流量计，采用多叶片的转子（涡轮）感受流体平均流速。由于膏体粘度大，会与叶片产生很大的摩擦力矩，且浓密膏体输送流速低，在叶片上产生的转动力矩较小，很难克服摩擦力矩和流体阻力使叶片产生稳定的转动，因此该流量计难以测量浓密膏体的流量。

超声波流量计，通过检测流体对超声波脉冲的作用来进行流量测量。浓密膏体流速远小于声速，产生的多普勒效应微弱，且多普勒流量计适合测量中值粒径在0.3mm～1.7mm之间的两相流，而不适合浓密膏体（如：煤泥的中值粒径d₅₀≈37.56μm，城市脱水污泥的中值粒径d₅₀≈44.88μm）。

电磁流量计，采用法拉第电磁感应定律作为测量原理。由于浓密膏体含水率低（质量百分数23%～33%），所以它的电导较小（约为S/cm），而电磁流量计的原理要求被测介质的电导率不能低于S/cm，二者较为接近，可能造成电磁流量计灵敏度不高，电信号与流速呈非线性关系。实际上，该流量计也测不准浓密膏体管道流量。

专利号为ZL201110270135.6，授权公告日2012年10月31日的发明专利“一种浓密膏体管道流速测量的装置及方法”，该专利案的设计提出了一种通过人工投放示踪磁块，利用示踪磁块经过两线圈的时间差法测量浓密膏体管道输送中的流速、流量参数，该专利虽可测出浓密膏体的流速，但该专利目前只适用实验室环境，而在工业现场，投放示踪物难度较大，数据不能连续测量与实时显示。所提供的较佳实例的示速磁块投放装置改进困难，因此该专利应用于浓密膏体管道输送工程流速与流量的测量还需进一步研究。

鉴于上述现有的浓密膏体流速测量技术存在的缺陷，本发明人基于丰富的专业知识，积极研究创新，提出了基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的目的在于：解决浓密膏体工业现场流量测量无专用方法及装置的难题，提出基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置，完成工业现场浓密膏体管道流量的测量，此方法可实现管道输送过程中流速、流量参数的实时获取、数据的自动化处理和存储，降低操作人员的劳动强度，具有很大工程应用价值。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的两个测点的互相关分析法，将上下游两个传感器测量的信号进行相关分析。传感器采用广义的霍尔原理：浓密膏体在管道输送过程中，其载流子在外加磁场中作切割磁感线运动，由于电极安装在管道截面垂直于磁场的直径两端，这样两电极间就会产生电荷积累，形成垂直于物料流动方向的电动势，即为一个用于互相关分析的电信号。

本发明是一个机电结合的产品，包括测试管段、一次仪表和二次仪表三大部分。其中测试管段是体现测量方法的部分，一次仪表进行信号的采集、处理及转换部分，二次仪表主要是用于数据的显示或者将数据上传至中控计算机中（或上位机）显示。测试管段依次由法兰A、激磁线圈A、激磁线圈B、测试管、外壳、铁芯A、铁芯B、衬里和法兰B组成；一次仪表依次由电极A、电极B、调理电路和微型处理器系统组成；二次仪表由显示器组成，实时显示数据。其中法兰A和法兰B分别焊接在测试管两端，用于安装在浓密膏体输送管道上；外壳焊接在测试管中间；衬里紧贴在测试管内壁上；电极安装与磁场方向垂直，即测试管的直径方向上，且要求与衬里齐平，以便膏体流通时不受阻碍；铁芯A和铁芯B固定在外壳上；激磁线圈A、激磁线圈B紧箍在测试管管段上，同时保证两个激磁线圈要相隔一个由测量精度规定的距离，所述距离的精度由激磁线圈装置加工厂在加工时保证定位尺寸精度；一次仪表封装在外壳内，每一对电极的导线通过一个双线插头接入调理电路中，引出的电信号接入微型处理器系统的端子上，微型处理器系统通过专用I/O接口连接到二次仪表上，即可实时显示数据。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置，为保证测试管段内部磁场不被测试管段各结构所使用的材料屏蔽，法兰A、测试管、铁芯A、铁芯B和法兰B均采用抗磁性材料或顺磁性材料，常见的抗磁性材料的牌号有1Cr18Ni9，即工程上常用的304不锈钢；为隔离外磁场的干扰，线圈外壳应使用铁磁材料制成。由于浓密膏体一般具有腐蚀性，所以衬里要选用耐磨性、耐腐蚀性好的材料，可选用氯丁橡胶，同时保证了衬里的绝缘性能；电极一般用非导磁的不锈钢材料制成，且具有良好的耐腐蚀性。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置，其中所述的激磁线圈A和激磁线圈B应能保证产生均匀的磁场，马鞍形线圈能够提供一个均匀度很高的磁场，本发明所提供的线圈形式为常见、适用的马鞍形线圈。激磁线圈A和激磁线圈B具有完全相同的结构和功能。前述的两个激磁线圈紧箍在测试管管段上，同时要保证两个激磁线圈相隔一个由测量精度规定的距离，所述距离的精度由激磁线圈装置加工厂在加工时保证定位尺寸精度。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置，其中所述的电极应能够引出和被测量有关的感应电势信号。本发明所提出的电极用非导磁的不锈钢材料制成，安装时要与磁场的方向垂直，即测试管的直径方向上，且与衬里齐平，以便膏体流通时不受阻碍。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的测量信号为电势信号，通过调理电路及微型处理器系统的处理和计算，最终将得到的数据传入二次仪表中显示，或者还可以将数据上传至中控计算机（或上位机）中显示；编制的软件程序不仅能利用采集到的数据计算出浓密膏体的流速，还能计算出浓密膏体管道输送系统中的流量参数。

本发明基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置与现有技术相比，具有明显的优点与有益效果。由以上技术方案可知,本发明提供的一种浓密膏体流速测量的方法，可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，至少具有下列优点：

（1）本发明基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置利用测试管段、一次仪表和二次仪表的有机结合解决了现有流量计无法用于工程现场浓密膏体管道流量测量中浓密膏体中值粒径小、电导率低、流速低等测量难题；

（2）本发明基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置能够在线测量，即管道输送系统不停泵的情况下可随时测量浓密膏体管道输送中的流速与流量，可实时显示流速与流量的参数，具有实时性；

（3）本发明基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置无需投放示踪物质即可检测到物料流动信号，通过利用两个测点的互相关分析法测量浓密膏体的流速，能方便、有效地测量出浓密膏体的流速，这种方法具有原理简单、可靠性高、安装和调节操作简单快捷等优点；

（4）本发明基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置，主要误差来源于两磁场形态不一致而导致的两信号时间差的误差，通过标定可以减小这一误差，总将误差控制在0.5%以内，即本发明具有精度高的优点；

（5）本发明基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置，安装调试完毕、进入使用阶段后，只需要一人进行以下操作即可：流量计通电，此时二次仪表自动显示测量结果；运行中控系统软件，可以从二次仪表中人工读取实时管道流量参数，中控计算机也会自动存储流速、流量参数。由此看来，本发明所提出的基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置可以做到少人、无人化操作，显著提高了测量过程的自动化水平；

（6）本发明基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置，所采用的原理简单，所选用的材料均为常用工程材料，信号处理和数据计算过程简单实用，总体成本较低；

综上所述，本发明特殊结构的浓密膏体流速测量系统，利用霍尔原理作为测量原理，设计出测试管段、一次仪表和二次仪表的有机结合的形式，提出了基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置。本发明所提出的两个测点的互相关分析法解决了目前市场上的流量计无法用于浓密膏体工程管道流量测量的难题。本发明便于操作，可以减少浓密膏体流速测量工作的操作人员数，具有良好的实用效果。其具有上述诸多的优点及实用价值，其测量原理和结构设计未见公开发表或使用而确属创新，其不论在结构上还是功能上都有较大的突破，在浓密膏体流量测量技术领域有较大的进步，并产生了积极的实用效果，目前还没有已经公开的专利在其测量原理和结构上有任何相似之处，从而非常适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如下。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1是本发明的测试方法示意图；

图2是本发明的总体结构示意图；

图3是本发明数学模型示意图；

其中：

1：激磁线圈A2：激磁线圈B

3：测试管4：调理电路

5：微型处理器系统6：一次仪表

7：二次仪表8：中控计算机（上位机）

9：法兰A10：外壳

11：电极A12：电极B

13：铁芯A14:铁芯B

15：衬里16:法兰B。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置的具体实施方式、结构、特征及其功效，进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明,可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

如图1所示为本发明基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置的测试方法示意图。浓密膏体在管道内由法兰A9流向法兰B16，流经激磁线圈1或2时，其载流子在外加磁场中作切割磁感线运动，在管道3截面垂直于磁场的直径两端，形成垂直于膏体流动方向的电动势。但由于浓密膏体的浓度高，黏度大，电导率低，使电动势与流速难以线性对应。而浓密膏体管流状态呈柱塞状结构流，使得每一截面相对位置几乎不变，因此考虑在上下游使用两组广义霍尔原理传感器。在某一段物料顺次经过这两组传感器后，会在时间轴上顺次产生两个相似的电势信号，将这两个信号用于互相关分析。具体实施过程为：当某一段物料经过激磁线圈A1处时，电极A11会检测到一段电势信号，该信号经过调理电路4滤波、放大后，由微型处理器系统5采样、存储；当物料经过激磁线圈B2处时，电极B12同样会检测到另一个电势信号，该信号经过调理电路4滤波、放大后，由微型处理器系统5采样、存储，并对每一段经过电极B12的物料信号与所存的电极A11检测的信号进行互相关计算，最终相关函数最大值对应的延时时间就是该段物料通过两传感器的时间差，将最终计算出的流速、流量数据输入到二次仪表7中（或在远程中控计算机8）上显示。如果微处理器系统难以存储大量数据，还可以将两信号直接上传至中控计算机，由其中编制的软件进行后续计算。

本发明较佳实施例的基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置，如图1、图2所示，包括测试管段、一次仪表和二次仪表三大部分。测试管段依次由法兰A9、激磁线圈A1、激磁线圈B2、测试管3、外壳10、铁芯A13、铁芯B14和法兰B16组成；一次仪表依次由电极A11、电极B12、调理电路4、微型处理器系统5组成；二次仪表7由显示器组成，实时显示数据，还可以将数据上传至中控计算机（或上位机）8上。

其中法兰A9和法兰B16分别焊接在测试管3两端，用于安装在浓密膏体输送管道上,两个法兰上分别配有整套的密封件和紧固件；外壳10焊接在测试管3中间；衬里15紧贴在测试管3内壁上；电极A11和电极B12安装在管道的垂直方向上，且要求与衬里15齐平，以便膏体流通时不受阻碍；铁芯A13和铁芯B14固定在外壳10上；激磁线圈A1和激磁线圈B2紧箍在测试管管段上；同时要保证两个激磁线圈相隔一个由测量精度规定的距离，所述距离的精度由激磁线圈装置加工厂在加工时保证定位尺寸精度；一次仪表封装在外壳内，电极A11和电极B12通过一个双线插头接入调理电路4中，引出电信号，再串联到微型处理器系统5的端子板上，微型处理器系统5通过专用I/O接口连接到二次仪表7上，即可实时显示数据。

如图3所示为本发明基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置的数学模型示意图，是浓密膏体管道输送与浓密膏体管道流速测量装置连接的示意图，其中：

D₁——浓密膏体输送管道的内径；

D₂——测试管3的内径；

L——激磁线圈A1与激磁线圈A1之间的距离；

τ——激磁线圈A1与激磁线圈B2之间的延迟时间；

v₁——浓密膏体管道输送的流速；

v₂——测试管3中浓密膏体的流速；

、——两传感器的响应；

Q——浓密膏体管道输送单位时间内的流量。

互相关函数值越大表示两个响应越相似，即相关系数的最大值对应的延时时间就是某一截面通过两传感器的时间差。利用两个测点的互相关分析对信号波形进行相似程度的判别方法求出浓密膏体流经激磁线圈A1和激磁线圈B2的延迟时间。用激磁线圈A1和激磁线圈B2之间的距离与这个延迟时间做商即为浓密膏体的流速。数据处理软件能够自动计算出管道内浓密膏体单位时间内的流量。

可利用下式计算延迟时间：

在浓密膏体管道输送过程中流量是不变的，由于公称直径相同的流量计与工程管道的实际内径不一致，因此导致浓密膏体在测试管段中的流速v₂与浓密膏体输送管道中的流速v₁是不同的。

可以利用下式计算浓密膏体输送管道中的流速v₁：

可以利用下式计算浓密膏体管道输送单位时间内的流量Q：

v₁就是本发明基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置所要测量的流速，Q就是本发明所要测量的流量。

综上所述，使用本发明所提出的基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置来测量浓密膏体管道流速的整个过程为：

(1)将本发明与浓密膏体输送管道连接，同时保证链接处的密封性；

(2)在浓密膏体开始输送后，为装置通电并调零；

(3)传感器和一次仪表会自动进行前述电势脉冲信号波形的产生、信号的处理、数据的采集、计算和存储工作；

(4)二次仪表显示浓密膏体的流速与流量，或者还可以将数据上传至上位机或中控计算机中显示。

上述如此结构构成的本发明基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量方法及装置的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。

如上所述是本发明的基本构思。但是，在本发明的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本发明的其他可操作的实施例进行改进。在本发明中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量装置，包括测试管段、一次仪表和二次仪表三大部分，其特征在于：测试管段依次由法兰A(9)、激磁线圈A(1)、激磁线圈B(2)、测试管(3)、外壳(10)、铁芯A(13)、铁芯B(14)和法兰B(16)组成；一次仪表依次由电极A(11)、电极B(12)、调理电路(4)、微型处理器系统(5)组成；二次仪表(7)由显示器组成，实时显示数据，同时能将数据上传至中控计算机(8)上；其中法兰A(9)和法兰B(16)分别焊接在测试管(3)两端，用于安装在浓密膏体输送管道上，两个法兰上分别配有整套的密封件和紧固件；外壳(10)焊接在测试管(3)中间；衬里(15)紧贴在测试管(3)内壁上；电极A(11)和电极B(12)安装在测试管(3)的垂直方向上，且要求与衬里(15)齐平，以便膏体流通时不受阻碍；铁芯A(13)和铁芯B(14)固定在外壳(10)上；激磁线圈A(1)和激磁线圈B(2)紧箍在测试管管段上；同时要保证两个激磁线圈相隔一个由测量精度规定的距离，所述距离的精度由激磁线圈装置加工厂在加工时保证定位尺寸精度；一次仪表封装在外壳内，电极A(11)和电极B(12)通过一个双线插头接入调理电路(4)中，引出的电信号接入微型处理器系统(5)的端子上，微型处理器系统(5)通过专用I/O接口连接到二次仪表(7)上，即可实时显示数据；所述的法兰A(9)、测试管(3)、铁芯A(13)、铁芯B(14)和法兰B(16)均采用抗磁性材料或顺磁性材料；所述的激磁线圈是一种马鞍形式线圈，确保能提供一个均匀度很高的磁场。

2.根据权利要求1所述的基于电磁信号互相关的浓密膏体流速测量装置，其特征在于其中所述的微型处理器系统可以将两信号直接上传至中控计算机，有其中编制的软件进行后续计算。