CN103645029B - 一种螺旋输送管内粉体流型检测装置及压缩感知流型辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋输送管内粉体流型检测装置及压缩感知流型辨识方法。检测装置由检测传感器、信号采集及处理单元和上位机组成。检测传感器包括螺旋状的前端屏蔽电极阵列、螺旋状的检测电极阵列、螺旋状的末端屏蔽电极阵列、圆柱绝缘管道、屏蔽罩。采用基于压缩感知理论的算法进行流型辨识，克服了传统算法需计算灵敏度矩阵的局限性。本装置及方法显著改善了检测传感器灵敏场的均匀程度，信号采集及处理电路结构简单，流型辨识算法计算量小，并能准确、有效地进行流型的辨识，解决了螺旋输送管内充填粉体流型辨识的难题，具有良好的应用前景和实用价值。

Description

一种螺旋输送管内粉体流型检测装置及压缩感知流型辨识方法

技术领域

本发明涉及工业生产管道内粉体在线检测装置，具体提供一种螺旋输送管内粉体流型检测装置及压缩感知流型辨识方法，属于物料输送检测装置技术领域，可应用于食品、化工、农业等行业。

背景技术

螺旋输送管道对粉体以及颗粒物料的输送有较好的可控制性和稳定性，广泛应用于工业矿物、农用物料、化工、食品加工原料成品等运输、配料和包装生产过程中。随着这些行业的迅速发展，研究螺旋输送管道中物料的流动机理、准确检测其各种参数是实现工业系统检测、分析和控制的基础，也是现代工业设备研制和开发的基础，对提高生产效率、节约能源、降低污染等具有重要的意义。

在工业上，多相流检测常用的参数有：相浓度、分相流量、流型等。固相浓度的获取对工业系统的工艺设计、运行状况监控，系统的自动控制和计量以及进一步的多相流测量等均有重要意义。目前应用于多相流测量的固相浓度的方法主要有三种：第一类是采用分离法，将多相流体的各项分离，测量各相含量。这类方法可以对两相流固相浓度进行计量，但由于要对两项流体进行分离，系统复杂，可能影响工业过程的连续性，限制了其应用范围。第二类是基于超声波技术、微波技术、光谱技术、核磁共振技术、辐射线技术、新型示踪技术、相关技术、电容法、过程层析成像技术等新型检测技术，但是基于这类技术的多相流测量目前大多仍处于实验研究阶段或是应用于特殊场合，离工业化生产还有一段距离。基于超声波方法的优势是传感器采用非侵入及非接触方式，但其传感器信号处理方法较为复杂，系统实时性较差；光学法的优点是固体颗粒的化学组分与湿度对系统输出基本上没有影响，但是固体颗粒的大小对测量结果影响很大，光学测量方法不适合浓相测量而且光学探头需要经常擦拭；核磁共振法属于非接触测量方式，适于测量腐蚀性和易聚合物质而且精度高，但结构复杂、成本高，并且经济性差；电容法具有安全可靠，成本低，采用非侵入式测量，易于安装，牢固耐用，响应速度快等优点，适合于工业上在线应用，能进行定量分析，但是存在着敏感场不均匀的问题；电容层析成像技术是一种非侵入式、快速测量的技术，能够在线显示输送管道中的固体浓度分布，但也同样具有自身的缺点，即测量场是一软场，测量结果受被测量介质的影响。第三类是基于软测量技术的测量方法。

现有的管道在线检测装置，如：2001年蔡小舒在申请专利管道煤粉在线监测装置（专利申请号01126941.3）中通过光学法对煤粉管的运行状况进行诊断，存在器件使用寿命短、较易被腐蚀和磨损的缺点；2005年郝莉莉在申请专利管道粉体在线监测装置（专利申请号200520065408.3）中将粉体传感器用于管道气力输送的粉体浓度检测，属于接触式测量，传感器容易被损坏，且对流场有一定的影响；2008年刘石等人利用电容层析成像测量旋流浓集的稀疏气固两相流的颗粒浓度（专利申请号200810240476.7），较好的解决了稀疏相的多相流检测。

多相流流型的不同，不但影响其流动特性、传热性能，而且影响系统运行的可靠性和效率。多相流流型的辨识对生产过程的监控、故障诊断等具有重要意义。流型的自动辨识有着重要的工业应用价值和学术价值。但是多相流流动是一个复杂的系统，各相间存在随机可变的相界面，致使流型的种类多种多样，并且导致流型在流体流动过程中的变化带有随机性。流型不仅受到各项介质自身特性的影响，而且受工业系统工况（包括压力、各分相流量、各分相含率、管道的几何形状、壁面特性以及安装方式等）的影响，因此流型的在线自动辨识十分困难。目前，流型识别方法有目测法、高速摄影法、射线衰减法、电容层析成像法（ElectricalCapacitanceTomography，简记ECT），以及基于差压/压力、空隙率波动信号的信号分析技术等方法。但是现有的这些方法由于难以获取真正反映流型的管截面相分布信息，流型辨识准确率往往不够高，实际应用也十分有限。

ECT技术用于多相流流型的辨识主要通过以下途径：首先利用ECT传感器获取多相流介质分布的电容信息，再通过图像重建得到两相流的介质分布图像，通过对重建图像的进一步处理，得到两相流的流型信息。但是由于ECT传感器所能获取的信息量有限，导致ECT图像重建是一个欠定的病态方程的求解过程，虽经国内外学者的多年努力，ECT图像重建问题仍未很好解决，所得图像还较模糊，同时由于图像重建过程复杂，运算量大，实时性还较差，因此ECT流型识别的在线应用受到限制。

现有的流型辨识算法，如：2002年彭黎辉等人在发明专利基于主成分分析和神经元网络的两相流相浓度测量方法（申请号02153486.1）中引入主成分分析方法处理归一化后的电容测量值，避免了传统图像重建算法带来的误差，但是由于输出神经元的数目有限，成像分辨率不高；2003年黄志尧等人在发明专利基于电容层析成像系统油气两相流测量方法及装置（专利申请号200310108142.1）采用反投影算法重建出油气两相流介质分布图像，实时显示管道内流型，采用模糊识别进行流型的在线自动辨识，但是实现速度慢，对不同流型判别准确率不同；2010年杨道业在发明专利气固两相流在线标定电容层析成像系统及在线标定方法（专利申请号201010146260.1）中通过增加电容采样传感器来获得被测介质介电常数，成像系统硬件结构复杂，测量误差大。

如何对螺旋输送管道送料过程中粉体流型进行检测一直是工业上的难题，在螺旋输送过程中要充分考虑到螺旋轴的存在对粉体流型测量产生的影响，而且螺旋输送管道内粉体运动情况十分复杂。如何利用上述技术来准确、可靠的检测螺旋输送管道中粉体的流型是一个需要深入研究的课题，目前，还没有见到螺旋输送管道中物料流型检测的相关报道。

发明内容

本发明针对目前螺旋输送管道内粉体流型检测装置的缺乏，以及上述现有技术的不足，提供一种灵敏场均匀、抗杂散电容能力强的螺旋输送管内粉体流型检测装置及压缩感知流型辨识方法，获取多相流介质分布的电容信息，对电容信息进行处理，在上位机中根据实测电容值基于压缩感知理论判别螺旋输送管道中粉体的流型，能够克服传统算法需计算灵敏度矩阵的局限性。

本发明的螺旋输送管内粉体流型检测装置采用的技术方案是：包括检测传感器、信号采集及处理单元和上位机；所述检测传感器由前端屏蔽电极阵列、检测电极阵列、末端屏蔽电极阵列、圆柱绝缘管道和屏蔽罩组成；前端屏蔽电极阵列、检测电极阵列和末端屏蔽电极阵列粘贴于圆柱绝缘管道上，检测电极阵列通过同轴电缆与信号采集及处理单元连接，屏蔽罩装置在所述圆柱绝缘管道的外壁上，前端屏蔽电极阵列、检测电极阵列以及末端屏蔽电极阵列包裹在所述屏蔽罩内；前端屏蔽电极阵列、末端屏蔽电极阵列和屏蔽罩皆由同轴电缆连接以实现电气接地；信号采集及处理单元用于控制检测电极阵列各个极板的状态，测量电极对间的电容，通过通用异步串口与上位机通讯；上位机用于启动或停止数据的测量，获取电容值，并对数据进行处理和分析，显示流型辨识的结果。

所述圆柱绝缘管道的两端带有法兰，圆柱绝缘管道通过法兰与支撑板连接，屏蔽罩的两端带有翻边，翻边上带有通孔，圆柱绝缘管道外壁的对应位置开有螺纹孔，通过螺纹将屏蔽罩安装到圆柱绝缘管上。圆柱绝缘管道的外壁粘贴有检测电极阵列，检测管道内粉体信息；所述检测电极阵列的前方、于螺旋管外壁上安装有前端屏蔽电极阵列，所述检测电极阵列的后方、于螺旋管外壁上安装有末端屏蔽电极阵列，以减小边缘效应。

所述圆柱绝缘管道采用有机玻璃作为制作材料，达到既可以绝缘，又便于观察管内粉体流型的目的。

所述前端屏蔽电极阵列粘贴于圆柱绝缘管道的外壁，由结构完全相同的八根螺旋极片组成，八根螺旋极片按相同方向从圆柱绝缘管道外部的一端旋向圆柱绝缘管道外部的另一端，旋转角度为90°，螺旋电极的张角是40°，螺旋电极间的间隔角是5°，螺旋极片轴向位置处于圆柱绝缘管中心部位，采用1mm厚的铜箔。

所述检测电极阵列紧随前端屏蔽电极阵列粘贴于圆柱绝缘管道的外壁，与前端屏蔽电极阵列的轴向距离是0.15倍的圆柱绝缘管道外径，由结构完全相同的八根螺旋极片组成，所有电极按相同方向从圆柱绝缘管道外部的一端旋向圆柱绝缘管道外部的另一端，旋转角度为360°，螺旋电极的张角是40°，螺旋电极间的间隔角是5°，螺旋极片轴向位置处于圆柱绝缘管中心部位，采用1mm厚的铜箔。

所述末端屏蔽电极阵列紧随检测电极阵列粘贴于圆柱绝缘管道的外壁，与检测电极阵列的轴向距离是0.15倍的绝缘管道外径，由结构完全相同的八根螺旋极片组成，按相同方向从圆柱绝缘管道外部的一端旋向圆柱绝缘管道外部的另一端，旋转角度为90°，螺旋电极的张角是40°，螺旋电极间的间隔角是5°，螺旋极片轴向位置处于圆柱绝缘管中心部位，采用1mm厚的铜箔。

在前端屏蔽电极阵列、测量电极阵列和末端屏蔽电极阵列的外部安装有屏蔽罩，前端屏蔽电极阵列、末端屏蔽电极阵列与屏蔽罩通过同轴电缆电气连接，同时接地。所述屏蔽罩用以避开外界电磁场的干扰，也起到防止屏蔽层外空间的物质介电常数的变化影响传感器的输出电容值。

所述信号采集及处理单元设置有电源模块，电平转换模块，电极切换模块，电容转换模块，单片机控制单元。

所述电源模块给电极切换模块，单片机控制单元，电容转换模块以及电平转换模块提供所需电源。

所述电容转换模块，采用高度集成化的通用电容检测芯片，基于电荷放大原理，通过测量极板上的激励信号所感应出的电荷量而得到所测电容值，对被测电容只进行一次充放电，即可完成对电容的测量，所得测量结果是直流的稳定信号，不存在脉动成分，大大提高了基于该电路的数据采集系统的数据采集速度，使得该电路具有很强的抗杂散电容的性能。

所述测量电极阵列通过电极切换模块使得检测电极阵列中的一个极板处于激励状态，另一个处于检测状态，其他六个极板处于接地状态，通过电容测量反映管道内物料的信息，将信号传输到电容转换模块上。所述测量电极阵列共用一套数据采集电路。

所述单片机控制单元是整个测量系统的核心，给电极切换模块提供控制信号，并将模拟电压信号转换为数字电压信号，通过通用异步串口与上位机通讯。

所述电平转换模块采用电平转换芯片来实现TTL电平到RS232C电平的转换。

所述上位机配置有RS232标准串行接口COM，在上位机中编写人机界面，采用基于正交匹配跟踪的压缩感知算法对数据进行处理和分析，显示流型辨识的结果。

本发明的螺旋输送管内粉体压缩感知流型辨识方法采用的技术方案是：利用不同物料具有不同的介电常数，当管道内物料浓度发生变化时，将引起管道内等效介电常数的改变，从而使测量电极阵列间的电容发生变化，通过测量电极对1-2、1-3、…、7-8等总共28个电极对间的电容，经信号采集及处理单元转换成数字电压信号，数字信号通过串口通讯传到上位机，上位机对获得信号进行处理以判别粉体的流型。

本发明还公开了的基于正交匹配跟踪的压缩感知粉体流型辨识方法，是采用上述螺旋输送管内粉体流型检测装置，由上位机启动数据测量，信号采集及处理单元控制检测电极阵列各个极板的状态，测量电极对间的电容，通过通用异步串口与上位机通讯；上位机获取电容值，并对数据进行处理和分析，显示流型辨识的结果；其中数据处理和分析的方法是基于压缩感知理论，其具体步骤特征是：

（1）常见的螺旋输送管内粉体流型有如下几种：空管、1/6层流、1/3层流、1/2层流、2/3层流、满管，对每种流型选取100组电容测量值，把不同流型相对应的100组电容测量值即总共600组值作为样本集E_28×600

$E_{28\×600}=\left[\begin{array}{cccc}{c}_{\mathrm{1,1}}& c_{\mathrm{1,2}}& \mathrm{\Λ}& C_{\mathrm{1,600}}\\ c_{\mathrm{2,1}}& c_{\mathrm{2,2}}& \mathrm{\Λ}& c_{\mathrm{2,600}}\\ M& M& O& M\\ c_{\mathrm{28,1}}& c_{\mathrm{28,2}}& \mathrm{\Λ}& c_{\mathrm{28,600}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

（2）将样本集E_28×600归一化，得到测试样本矩阵集X₀，归一化公式如下：

$\mathrm{\λ}=\frac{{c-c}_{\min }}{c_{\max }-c_{\min }}---\left(2\right)$

其中：c为检测电极阵列获得的相应流型的测量电容数据，c_min为空管时电容，c_max为满管时电容，λ为归一化的电容值；

则测试样本矩阵集X₀

$X_0=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1,1}}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1,2}}& \mathrm{\Λ}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1,600}}\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{2,1}}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{2,2}}& \mathrm{\Λ}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{2,600}}\\ M& M& O& M\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{28,1}}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{28,2}}& \mathrm{\Λ}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{28,600}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

（3）在归一化基础上，把高斯白噪声添加到测试样本矩阵集X₀中得到训练样本集X

$X=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1,1}}^{\′}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1,2}}^{\′}& \mathrm{\Λ}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1,600}}^{\′}\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{2,1}}^{\′}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{2,2}}^{\′}& \mathrm{\Λ}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{2,600}}^{\′}\\ M& M& O& M\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{28,1}}^{\′}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{28,2}}^{\′}& \mathrm{\Λ}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{28,600}}^{\′}\end{array}\right]---\left(4\right)$

（4）把待测流型的测量电容信号归一化，作为测试样本x₀；

（5）用满足约束等距性的测量矩阵Φ_M×28——高斯随机矩阵对测试样本x₀进行编码测量，得到观测值y_M×1，具体过程如下所示：

y_M×1＝Φ_M×28x₀（5）

由于测试样本x₀本身不具有稀疏性，选择用典型流型的训练样本集X作为稀疏变换域，对测试样本x₀进行稀疏表示

x₀＝Xs₀（6）

把（6）式代入（5）式，可得

y_M×1＝Φ_M×28Xs₀（7）

令 $\widetilde{\mathrm{\Φ}}={\mathrm{\Φ}}_{M\×28}X,$ 可得

$y_{M\×1}={\widetilde{\mathrm{\Φ}}}_{s_0}---\left(8\right)$

其中，s₀＝[0,0,...,0,α₁,α₂,...,α_i,0,0,...,0]只在测量电容信号x₀对应流型相应位置的系数可能为非零值，其余位置均为零；这样，测量电容信号就可以在过完备表示基下进行稀疏表示；称为传感矩阵，所得观测值y_M×1的维数远远小于x₀的维数；

（6）利用OMP算法（正交匹配跟踪算法）由y_M×1值重构x₀的稀疏表示s₀，其步骤如下：把传感矩阵测量向量y_M×1、稀疏度K作为输入，把x₀的K稀疏表示s₀、y_M×1的重构误差r作为输出，具体步骤如下：

初始化：余量r⁰＝y_M×1，重构信号s⁰＝φ，索引集Γ⁰＝φ，迭代次数n＝1；

步骤1：计算余量r^n-1和传感矩阵每一列的内积

步骤2：找出|gⁿ[i]|中最大值对应元素的位置k；

步骤3：更新索引集Γⁿ＝Γ^n-1∪{k}及原子集合

步骤4：利用最小二乘法求得信号x的稀疏表示及余量 $r^n=y_{M\×1}-{\widetilde{\mathrm{\Φ}}}_{{\mathrm{\Γ}}^n}{s}^n;$

步骤5：迭代次数n＝n+1，若n＝K，输出sⁿ、rⁿ；否则，返回步骤1。

（7）根据s₀中非零值所在位置对应于训练样本集X中的哪类流型，判断测试样本x₀所属流型。

本装置具有如下优点：

螺旋检测电极阵列能很好地改善灵敏场的均匀程度，各极片沿轴向螺旋一周，粉体沿螺旋输送轴进行轴向运动时，粉体也连续地沿轴向流经传感器，对某一极片对电容的贡献份额近似相当于极片位置不动，而介质保持半径不变绕中心旋转一圈，所在各位置的贡献份额平均，从而螺旋极片传感器能具有更为平均的灵敏场。

由于本发明结构中的检测电极阵列、前端屏蔽电极阵列、末端屏蔽电极阵列以及屏蔽罩的在结构上的特殊设计，很好地克服了边缘效应的影响。

检测电极阵列共用一套数据采集电路，不仅降低了数据采集系统的总体造价，而且避免了各并行支路电路性能的离散性给系统带来的影响，提高了系统的可靠性。

提出一种基于正交匹配跟踪的压缩感知流型辨识方法，克服了传统流型辨识算法需计算灵敏度矩阵的局限性，能准确、有效地进行流型的识别，计算量小。

附图说明

图1是本发明的螺旋输送管内粉体流型检测系统示意图；

图2是本发明的螺旋输送绝缘管道以及检测传感器装配图；

图3是本发明的屏蔽罩装配图；

图4是本发明的螺旋式电容传感器立体示意图；

图5是本发明的螺旋输送管以及螺旋式电容传感器截面示意图；

图6是本发明的单个螺旋电极立体示意图；

图7是本发明的信号采集及处理单元结构框图；

图8是压缩感知算法的流程图；

图9是OMP算法（正交匹配跟踪算法）的流程图。

图中，11，屏蔽罩；111，翻边；121，前端屏蔽电极阵列；122，检测电极阵列；123，末端屏蔽电极阵列；13，绝缘管道；131，法兰；132，电机；133，支撑板；134，进料口；135，出料口；14，螺旋叶片；15，螺旋轴；16，螺纹；2，信号采集及处理单元；3，上位机。

具体实施方式

下文结合附图及实施例对本发明的螺旋输送管内粉体流型检测装置及压缩感知流型辨识方法加以说明。

如图1、图2、图3所示，本发明的螺旋输送管内粉体流型检测装置由水平式螺旋输送器、前端屏蔽电极阵列121、检测电极阵列122、末端屏蔽电极阵列123、屏蔽罩11、信号采集及处理单元2和上位机3组成。

各部分位置及连接关系是：所述水平式螺旋输送器包括圆柱绝缘管道13，圆柱绝缘管道13内部安装有螺旋轴15，螺旋轴15外围包裹有螺旋叶片14。圆柱绝缘管道13的两端带有法兰131，圆柱绝缘管道13通过法兰131与支撑板133连接，其中一块支撑板133上还安装有电机132，用以驱动螺旋轴15转动。在螺旋轴15右端的圆柱绝缘管道13上方开有进料口134，在螺旋轴15左端的圆柱绝缘管道13下方开有出料口135。屏蔽罩11的两端带有翻边111，翻边111上带有通孔，绝缘管道外壁的对应位置开有螺纹孔，通过螺纹16将屏蔽罩11安装到圆柱绝缘管道13上。绝缘管道13的外壁粘贴有检测电极阵列122，检测管道内粉体信息。所述检测电极阵列122的前方、于螺旋管外壁上安装有前端屏蔽电极阵列121，所述检测电极阵列122的后方、于螺旋管外壁上安装有末端屏蔽电极阵列123，以减小边缘效应。屏蔽罩11装置在所述圆柱绝缘管道13的外壁上，前端屏蔽电极阵列121、检测电极阵列122以及末端屏蔽电极阵列123包裹在所述屏蔽罩11内。前端屏蔽电极121、末端屏蔽电极123和屏蔽罩11皆由同轴电缆连接以实现电气接地。检测电极阵列122通过同轴电缆与信号采集及处理单元2连接，信号采集及处理单元2控制检测电极122的测量状态，获取管道粉体的具体情况，通过通用异步串口把测量信息传给上位机3，上位机3对数据进行处理和分析，显示流型识别的结果。

本实施例中，螺旋轴15螺距长度为40mm，螺旋轴15长度为500mm，螺旋叶片14厚度为3mm，螺旋轴15及螺旋叶片14的材质为不锈钢。所述圆柱绝缘管道13的内径为40mm，外径为50mm，采用有机玻璃作为制作材料，达到既可以绝缘，又便于观察管内流体流型的目的，圆柱绝缘管道13长度为500mm。

如图4、图5、图6所示，在圆柱绝缘管道13外壁粘贴有前端屏蔽电极阵列121，由结构完全相同的八根螺旋极片组成，其轴向长度为0.3倍的圆柱绝缘管道13外径，螺距为圆柱绝缘管道13外径的1.25倍，按相同方向从圆柱绝缘管道13外部的一端旋向绝缘管道外部的另一端，旋转角度为90°，螺旋电极的张角是40°，螺旋电极间的间隔角是5°，螺旋极片轴向位置处于圆柱绝缘管道13中心部位，采用1mm厚的铜箔。

在圆柱绝缘管道13外壁粘贴有检测电极阵列122，其紧随前端屏蔽电极阵列121，与前端屏蔽电极阵列121的轴向距离是0.15倍的圆柱绝缘管道13外径，检测电极阵列122由结构完全相同的八根螺旋极片组成，所有电极按相同方向从圆柱绝缘管道13外部的一端旋向圆柱绝缘管道13外部的另一端，旋转角度为360°，螺旋电极的张角是40°，螺旋电极间的间隔角是5°，螺旋极片轴向位置处于圆柱绝缘管道13中心部位，检测电极的轴向长度为管道外径的1.25倍，螺距为圆柱绝缘管道13外径的1.25倍，检测电极采用1mm厚的铜箔。

在圆柱绝缘管道13外壁粘贴有末端屏蔽电极阵列123，其紧随检测电极阵列122，与检测电极阵列122的轴向距离是0.15倍的圆柱绝缘管道13外径，轴向长度为0.3倍的圆柱绝缘管道13外径，螺距为圆柱绝缘管道13外径的1.25倍，按相同方向从圆柱绝缘管道13外部的一端旋向绝缘管道外部的另一端，旋转角度为90°，螺旋电极的张角是40°，螺旋电极间的间隔角是5°，螺旋极片轴向位置处于圆柱绝缘管道13中心部位，采用1mm厚的铜箔。

在前端屏蔽电极阵列121、测量电极阵列122和末端屏蔽电极阵列123的外部安装有屏蔽罩11，屏蔽罩11用以避开外界电磁场的干扰，也起到防止屏蔽层外空间的物质介电常数的变化影响传感器的输出电容值，屏蔽罩11的轴向长度是圆柱绝缘管道13外径的2.5倍，屏蔽罩11的外径为60mm，采用1mm厚的铜箔。前端屏蔽电极121、末端屏蔽电极123与屏蔽罩11电气连接，同时接地。

每个检测极板通过同轴电缆与信号采集及处理单元2连接，测量电极阵列122通过信号采集及处理单元2中的电极切换模块控制各电极处于激励、接地以及测量状态，测量管道内物料的信息。

如图7所示，所述信号采集及处理单元2由以下几部分组成：电源模块、电极切换模块、单片机控制单元、电容转换模块、电平转换模块。所述电源模块给电极切换模块、单片机控制单元、电平转换模块、电容转换模块提供所需电源。

所述单片机控制单元是整个测量系统的核心，给电极切换模块提供控制信号，将测得的模拟电压信号转换成数字电压信号，通过通用异步串口与上位机通讯。单片机控制单元使用台湾凌阳科技有限公司生产的16位SPCE061A单片机作为控制核心，其内部集成有ADC、DAC等电路，有两个16位通用的并行I/O口（A口和B口），有8路可复用10位ADC通道，其中7路通道与IOA0～IOA6复用，提供了一个全双工标准接口，用于完成SPCE061A单片机与外设之间的串行通信，具有高速度、功耗低等特点。

所述电源模块，由稳压电源给单片机控制单元、电极切换模块中的激励切换部分和检测切换部分、电平转换模块以及电容转换模块提供5v的电压，并经过1117稳压芯片降压至2.5v最终分压至2.25v给电容转换模块提供参考电压，经过LM2575倍压至15v给电极切换模块中的接地切换部分提供15v电压。

所述电极切换模块，包括激励切换部分、检测切换部分和接地切换部分，采用了八选一多路模拟开关MAX338实现各极板接激励源、接检测的切换，8个极板需要2片MAX338来控制，检测端和激励端各用1片MAX338。由单片机输出数据控制模拟开关的导通与否，实现未选中为激励极板和检测极板的极板全部接地，8个极板采用2片DG201。8个极板经过同轴电缆连至激励切换部分的模拟信号输入、检测切换部分的模拟信号输入和接地切换部分的模拟信号输出。SPCE061A单片机的IOA2～IOA7连接至2片MAX338的地址输入，IOA8～IOA15连至2片DG201的开关逻辑控制，2片DG201的所有模拟输入端子接地。测量电极阵列共用一套数据采集电路。

所述信号测量及处理模块选用通用微小电容读取芯片MS3110，它是一个基于电荷放大原理的电容测量电路，通过对MS3110内部各寄存器的编程实现对电容的测量，把MS3110的CS2IN引脚连至激励切换部分的输出，把MS3110的CSCOM引脚连至检测切换部分的输出，MS3110的所得值是直流信号，MS3110的输出连至SPCE061A单片机的IOA0，本数据采集系统速度快，抗杂散电容能力强。

单片机测量过程如下：在一个完整的测量过程中，极板1首先被选择为源电极，即激励电极，给极板1加激励，分别以极板2、3、…、8为检测电极，测量极板对1-2、1-3、…、1-8间的电容值；然后选择极板2为激励电极，极板1接地，测量极板对2-3、2-4、…、2-8的电容值；依此类推，直至测量完极板对7-8的电容值。可以得到28个独立的测量电容值。

电平转换模块采用MAXIM公司的MAX232C电平转换芯片来实现TTL电平到RS232C电平的转换，传输速率为120kb/s，MAX232C电平转换芯片的TXIN引脚连至SPCE061A单片机的IOB10，RXOUT引脚连至SPCE061A单片机的IOB7，并将采集到的数据通过串口传输至上位机3进行显示和保存。

上位机3采用联想扬天T4980D，20英寸显示器，CPU为酷睿i53470，CPU频率为3.2GHz，可启动或停止数据的测量，并对数据进行处理和分析，显示流型识别的结果。

由于水平螺旋输送器的特殊设计，粉体在螺旋输送管内沿螺杆作直线运动，把螺旋输送管道中粉体流型分为如下几种：空管、1/6层流、1/3层流、1/2层流、2/3层流、满管。

本发明的螺旋输送管内粉体压缩感知流型辨识方法特征是：一种基于OMP算法（正交匹配跟踪算法）的压缩感知流型辨识方法，由于测量电容信号本身不具有稀疏性，因此必须对其进行正交变换，从而得到稀疏表示式。本方法选择用典型流型的训练样本集作为稀疏变换域，如图8所示，其具体步骤如下：

（1）选取与不同流型相对应的100组电容测量值共600组数据作为样本集E_28×600

$E_{28\×600}=\left[\begin{array}{cccc}{c}_{\mathrm{1,1}}& c_{\mathrm{1,2}}& \mathrm{\Λ}& C_{\mathrm{1,600}}\\ c_{\mathrm{2,1}}& c_{\mathrm{2,2}}& \mathrm{\Λ}& c_{\mathrm{2,600}}\\ M& M& O& M\\ c_{\mathrm{28,1}}& c_{\mathrm{28,2}}& \mathrm{\Λ}& c_{\mathrm{28,600}}\end{array}\right]---\left(9\right)$

（2）将样本集E_28×600归一化，得到测试样本矩阵集X₀，归一化公式如下：

$\mathrm{\λ}=\frac{{c-c}_{\min }}{c_{\max }-c_{\min }}---\left(10\right)$

其中：c为检测电极阵列获得的相应流型的测量电容数据，c_min为螺旋输送管空管时电容，c_max为螺旋输送管满管时电容，λ为归一化的电容值。

则测试样本矩阵集X₀

$X_0=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1,1}}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1,2}}& \mathrm{\Λ}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1,600}}\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{2,1}}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{2,2}}& \mathrm{\Λ}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{2,600}}\\ M& M& O& M\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{28,1}}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{28,2}}& \mathrm{\Λ}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{28,600}}\end{array}\right]---\left(11\right)$

（3）在归一化基础上，把高斯白噪声添加到测试样本矩阵集X₀得到训练样本集X

$X=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1,1}}^{\′}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1,2}}^{\′}& \mathrm{\Λ}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1,600}}^{\′}\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{2,1}}^{\′}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{2,2}}^{\′}& \mathrm{\Λ}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{2,600}}^{\′}\\ M& M& O& M\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{28,1}}^{\′}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{28,2}}^{\′}& \mathrm{\Λ}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{28,600}}^{\′}\end{array}\right]---\left(12\right)$

由于训练样本集X的列数远远大于行数，因此列与列之间是非相关的，则训练样本集X为测量电容信号的过完备表示基。

（4）把待测流型的测量电容信号归一化，作为测试样本x₀；

（5）用满足约束等距性的测量矩阵Φ_M×28——高斯随机矩阵对测试样本x₀进行编码测量，得到观测值y_M×1。具体过程如下所示：

y_M×1＝Φ_M×28x₀（13）

由于测试样本x₀本身不具有稀疏性，选择用典型流型的训练样本集X作为稀疏变换域，对测试样本x₀进行稀疏表示

x₀＝Xs₀（14）

把（14）式代入（13）式，可得

y_M×1＝Φ_M×28Xs₀（15）

令 $\widetilde{\mathrm{\Φ}}={\mathrm{\Φ}}_{M\×28}X,$ 可得

$y_{M\×1}={\widetilde{\mathrm{\Φ}}}_{s_0}---\left(16\right)$

其中，s₀＝[0,0,...,0,α₁,α₂,...,α_i,0,0,...,0]只在测量电容信号x₀对应流型相应位置的系数可能为非零值，其余位置均为零；这样，测量电容信号就可以在过完备表示基下进行稀疏表示；称为传感矩阵，所得观测值y_M×1的维数远远小于x₀的维数；

（6）利用OMP算法（正交匹配跟踪算法）由y_M×1值重构x₀的稀疏表示s₀，如图9所示，步骤如下：输入为传感矩阵测量向量y_M×1，稀疏度K；输出为x₀的K稀疏表示s₀，y_M×1的重构误差r；

初始化：余量r⁰＝y_M×1，重构信号s⁰＝φ，索引集Γ⁰＝φ，迭代次数n＝1；

步骤1：计算余量r^n-1和传感矩阵每一列的内积

步骤2：找出|gⁿ[i]|中最大值对应元素的位置k；

步骤3：更新索引集Γⁿ＝Γ^n-1∪{k}及原子集合

步骤4：利用最小二乘法求得信号x的稀疏表示及余量 $r^n=y_{M\×1}-{\widetilde{\mathrm{\Φ}}}_{{\mathrm{\Γ}}^n}{s}^n;$

步骤5：迭代次数n＝n+1，若n＝K，输出sⁿ、rⁿ；否则，返回步骤1。

（7）根据s₀中非零值所在位置对应于训练样本集X中的哪类流型，判断测试样本x₀所属流型。

Claims (7)

1.一种螺旋输送管内粉体流型检测装置，包括检测传感器、信号采集及处理单元(2)和上位机(3)；其特征在于：所述检测传感器由前端屏蔽电极阵列(121)、检测电极阵列(122)、末端屏蔽电极阵列(123)、圆柱绝缘管道(13)和屏蔽罩(11)组成；所述圆柱绝缘管道(13)的两端带有法兰(131)，圆柱绝缘管道(13)通过法兰(131)与支撑板(133)连接，屏蔽罩(11)的两端带有翻边(111)，翻边(111)上带有通孔，圆柱绝缘管道(13)外壁的对应位置开有螺纹孔，通过螺纹(16)将屏蔽罩安装到圆柱绝缘管道(13)上；圆柱绝缘管道(13)的外壁粘贴有检测电极阵列(122)，检测管道内粉体信息；所述检测电极阵列(122)的前方、于圆柱绝缘管道(13)外壁上安装有前端屏蔽电极阵列(121)，所述检测电极阵列(122)的后方、于圆柱绝缘管道(13)外壁上安装有末端屏蔽电极阵列(123)，以减小边缘效应；检测电极阵列(122)通过同轴电缆与信号采集及处理单元(2)连接，屏蔽罩(11)装置在所述圆柱绝缘管道(13)的外壁上，前端屏蔽电极阵列(121)、检测电极阵列(122)以及末端屏蔽电极阵列(123)包裹在所述屏蔽罩(11)内；前端屏蔽电极阵列(121)、末端屏蔽电极阵列(123)和屏蔽罩(11)皆由同轴电缆连接以实现电气接地；信号采集及处理单元(2)用于控制检测电极阵列各个极板的状态，测量电极对间的电容，通过通用异步串口与上位机(3)通讯；上位机(3)用于启动或停止数据的测量，获取电容值，并对数据进行处理和分析，显示流型辨识的结果；

所述前端屏蔽电极阵列(121)由八个结构相同的螺旋极片组成，其轴向长度为圆柱绝缘管道(13)外径的0.3倍，其螺距为圆柱绝缘管道(13)外径的1.25倍，按相同方向从圆柱绝缘管道(13)外部的一端旋向圆柱绝缘管道(13)外部的另一端，旋转角度为90°，螺旋电极的张角是40°，螺旋电极间的间隔角是5°，螺旋极片轴向位置处于绝缘管中心部位，采用1mm厚的铜箔；

所述检测电极阵列(122)，紧随前端屏蔽电极阵列(121)，与前端屏蔽电极阵列(121)的轴向距离是0.15倍的圆柱绝缘管道(13)外径，由八个结构相同的螺旋极片组成，所有电极按相同方向从绝缘管道外部的一端旋向圆柱绝缘管道(13)外部的另一端，旋转角度为360°，螺旋电极的张角是40°，螺旋电极间的间隔角是5°，螺旋极片轴向位置处于绝缘管中心部位，检测电极轴向长度为圆柱绝缘管道(13)外径的1.25倍，其螺距为圆柱绝缘管道(13)外径的1.25倍，采用1mm厚的铜箔。

2.根据权利要求1所述的螺旋输送管内粉体流型检测装置，其特征在于所述末端屏蔽电极阵列(123)紧随检测电极阵列(122)，与检测电极阵列(122)的轴向距离是0.15倍的圆柱绝缘管道(13)外径，由八个结构相同的螺旋极片组成，所有电极按相同方向从圆柱绝缘管道(13)外部的一端旋向圆柱绝缘管道(13)外部的另一端，旋转角度为90°，螺旋电极的张角是40°，螺旋电极间的间隔角是5°，末端屏蔽电极轴向长度为0.3倍的绝缘管道外径，螺距为圆柱绝缘管道(13)外径的1.25倍，采用1mm厚的铜箔。

3.根据权利要求1所述的螺旋输送管内粉体流型检测装置，其特征在于所述圆柱绝缘管道(13)采用有机玻璃作为制作材料，其内径为40mm，外径为50mm。

4.根据权利要求1所述的螺旋输送管内粉体流型检测装置，其特征在于所述屏蔽罩(11)轴向长度是圆柱绝缘管道(13)外径的2.5倍，屏蔽罩(11)的外径为60mm，采用1mm厚的铜箔。

5.根据权利要求1所述的螺旋输送管内粉体流型检测装置，其特征在于所述信号采集及处理单元(2)由电源模块、电极切换模块、单片机控制单元、信号测量及处理模块、电平转换模块组成，所述信号测量及处理模块选用通用微小电容读取芯片。

6.一种基于权利要求1所述螺旋输送管内粉体流型检测装置的压缩感知流型辨识方法，其特征是：采用权利要求1所述螺旋输送管内粉体流型检测装置，由上位机启动数据测量，信号采集及处理单元控制检测电极阵列各个极板的状态，测量电极对间的电容，通过通用异步串口与上位机通讯；上位机获取电容值，并对数据进行处理和分析，显示流型辨识的结果；其中数据处理和分析的方法是基于压缩感知理论，其步骤如下：

(1)常见的螺旋输送管内粉体流型有如下几种：空管、1/6层流、1/3层流、1/2层流、2/3层流、满管，对每种流型选取100组电容测量值，把不同流型相对应的100组电容测量值即总共600组值作为样本集E_28×600

(2)将样本集E_28×600归一化，得到测试样本矩阵集X₀，归一化公式如下：

其中：c为检测电极阵列获得的相应流型的测量电容数据，c_min为空管时电容，c_max为满管时电容，λ为归一化的电容值；

则测试样本矩阵集X₀

(3)在归一化基础上，把高斯白噪声添加到测试样本矩阵集X₀中得到训练样本集X

(4)把待测流型的测量电容信号归一化，作为测试样本x₀；

(5)用满足约束等距性的测量矩阵Φ_M×28——高斯随机矩阵对测试样本x₀进行编码测量，得到观测值y_M×1，具体过程如下所示：

y_M×1＝Φ_M×28x₀(5)

由于测试样本x₀本身不具有稀疏性，选择用典型流型的训练样本集X作为稀疏变换域，对测试样本x₀进行稀疏表示

x₀＝Xs₀(6)

把(6)式代入(5)式，可得

y_M×1＝Φ_M×28Xs₀(7)

令可得

其中，s₀＝[0,0,...,0,α₁,α₂,...,α_i,0,0,...,0]只在测量电容信号x₀对应流型相应位置的系数可能为非零值，其余位置均为零；这样，测量电容信号就可以在过完备表示基下进行稀疏表示；称为传感矩阵，所得观测值y_M×1的维数远远小于x₀的维数；

(6)利用OMP算法(正交匹配跟踪算法)由y_M×1值重构x₀的稀疏表示s₀；

(7)根据s₀中非零值所在位置对应于训练样本集X中的哪类流型，判断测试样本x₀所属流型。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(6)利用正交匹配跟踪算法由y_M×1值重构x₀的稀疏表示s₀，其步骤如下：把传感矩阵测量向量y_M×1、稀疏度K作为输入，把x₀的K稀疏表示s₀、y_M×1的重构误差r作为输出，具体步骤如下：

初始化：余量r⁰＝y_M×1，重构信号s⁰＝φ，索引集Γ⁰＝φ，迭代次数n＝1；

步骤1：计算余量r^n-1和传感矩阵每一列的内积

步骤2：找出|gⁿ[i]|中最大值对应元素的位置k；

步骤3：更新索引集Γⁿ＝Γ^n-1∪{k}及原子集合

步骤4：利用最小二乘法求得信号x的稀疏表示及余量

步骤5：迭代次数n＝n+1，若n＝K，输出sⁿ、rⁿ；否则，返回步骤1。