CN104316779A - 阵列式环形静电传感器、气力输送粉体测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阵列式环形静电传感器、气力输送粉体测量装置及方法，所述阵列式环形静电传感器，包括金属管状主体，所述金属管状主体的内周面上顺次并排绕设有至少一组第一金属电极和至少一组第二金属电极，所述第一金属电极及所述第二金属电极为环状，且第一金属电极的轴向宽度小于所述第二金属电极的轴向宽度。本发明还涉及基于所述传感器的气力输送粉体测量装置及方法。本发明的方法可以在不干扰粉体流动的情况下对其主要运动参数进行实时监测，可测范围宽、传感器寿命长、安装维护方便，可广泛用于含有气力输送粉体的工业生产过程中。

Description

阵列式环形静电传感器、气力输送粉体测量装置及方法

技术领域

本发明涉及工业气力输送粉体测试技术领域，特别涉及一种阵列式环形静电传感器、气力输送粉体测量装置及方法。

背景技术

气力输送粉体广泛存在于火力发电、冶金、食品加工、水泥和化工等行业中。粉体运动参数的准确连续在线测量对保证生产安全和提高生产效率具有重要的意义。粉体在气流中运动的高度复杂性和工业生产现场的恶劣条件使得基于电容、光学、电磁波、放射、热传导和声学等技术的测量方法无法在工业环境中长时间、可靠的、稳定的运行。

静电技术由于其工作性能稳定、造价低廉、结构简单和安装维护容易等特点，具有广阔的工业应用前景。已有的静电式气力输送粉体测量方法通常使用棒状、弧状和环状电极作为信号感应元件。棒状电极由于侵入流体而引起的磨损、干扰粉体流动和安全等方面的问题限制了其在工业中的应用。相对于弧形电极，环形电极在敏感度、测量范围、可靠性和稳定性等方面具有优势。但是，由于粉体运动的复杂性，传统的单个或者双环形电极系统在工业应用时经常出现测量错误导致仪表失效，可靠性不高。

为了克服现有气力输送粉体流动参数测量方法存在的不足，本发明提出一种全新的基于环形静电传感器阵列的气力输送粉体测量方法。本发明所包含的环形静电传感器阵列与先进的嵌入式电路和优化的多路信号相关及多数据融合算法相结合，可以实现对粉体瞬时速度和流量的连续在线测量。本发明具有测量范围宽、测量准确度高、结构简单、安装方便、工作可靠性高和极低维护需求等优点，适用于气力输送设备内粉体流动参数的日常监测，并可以为在线调整生产参数和优化生产工艺提供可靠的科学依据。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的目的在于提供一种阵列式环形静电传感器、气力输送粉体测量装置及方法。

第一方面，本发明涉及一种阵列式环形静电传感器，包括金属管状主体，所述金属管状主体的内周面上顺次并排绕设有至少一组第一金属电极和至少一组第二金属电极，所述第一金属电极及所述第二金属电极为环状，且第一金属电极的轴向宽度小于所述第二金属电极的轴向宽度。

第二方面，本发明涉及一种基于阵列式环形静电传感器的气力输送粉体测量装置，包括：

多个前述的阵列式环形静电传感器，用于获取粉体流动引起的静电信号；

嵌入式信号处理模块，用于接收处理阵列式环形静电传感器获取的静电信号，以获得静电数字信号，并根据所述静电数字信号获得所述粉体的流动速度信息和流量信息；所述处理为将静电信号经过电流/电压转换、放大和滤波环节后进行模拟/数字信号转换；

多数据融合模块，用于获取多组粉体流动速度信息和流量信息，并对多组流动速度信息和流量信息进行筛选和加权平均，并根据所述粉体流动速度和流量的历史测量数据进行置信判断，消除系统和测量误差，再通过数据滑动平均处理获得粉体流动速度和流量的融合结果；

中心分析模块，用于接收所述多数据融合模块获得的融合结果，对所述融合结果进行综合分析、实时显示和记录数据，实时配置所述嵌入式信号处理模块的工作参数。

第三方面，本发明还涉及一种基于阵列式环形静电传感器的气力输送粉体测量方法，主要包括如下步骤：

步骤1、多个前述的阵列式环形静电传感器，获取粉体流动引起的静电信号；

步骤2、嵌入式信号处理模块接收阵列式环形静电传感器获取的静电信号，以获得静电数字信号，并根据所述静电数字信号获得所述粉体的流动速度信息和流量信息；所述处理为将静电信号经过电流/电压转换、放大和滤波环节后进行模拟/数字信号转换；

步骤3、多数据融合模块接收所述嵌入式信号处理模块获得的粉体流动速度和流量信息，并对多组流动速度信息和流量信息进行筛选和加权平均，并根据所述粉体流动速度和流量的历史测量数据进行置信判断，消除系统和测量误差，再通过数据滑动平均处理获得粉体流动速度和流量的融合结果；

步骤4，所述多数据融合模块获得的数据被所述中心分析模块接收，所述中心分析模块对数据进行综合分析、实时显示和记录数据，实时配置所述嵌入式信号处理模块的工作参数；所述中心分析模块获得的测量数据被监控系统模块接收，进而能够实现粉体流动情况的实时监视或调节控制。

本发明具有如下的有益效果：

本发明的装置能够实时监测工业生产中粉体在气力输送设备中的速度和流量信息；

本发明通过环形静电传感器阵列、嵌入式信号处理模块和中心分析模块等实现，其中环形静电传感器阵列测量带电粉体的波动信息，嵌入式信号处理模块对测量信号进行调理并进行多路信号相关运算和多数据融合，从而得出粉体的速度和流量等参数，测量结果通过现场总线传送到中心分析模块进行显示、记录，并实现与监控系统的通讯；

本发明的方法可以在不干扰粉体流动的情况下对其主要运动参数进行实时监测，可测范围宽、传感器寿命长、安装维护方便，可广泛用于含有气力输送粉体的工业生产中；

本发明的测量装置可以准确、连续在线监测粉体在整个气力输送设备截面的速度和流量；

本发明采用多个传感器探头即可实现多个分散气力输送设备中粉体流动参数的对比测量，尤其适用于需要平衡粉体在多个气力输送设备中流动参数的工况，具有实施简单、投资少、安全可靠等优势。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1是本发明实施例提供的气力输送粉体测量装置的结构；

图2为本发明实施例提供的阵列式环形静电传感器的结构示意图；

图3为图2所示传感器及安装法兰的A-A剖面示意图。

附图标记说明：第一金属电极1、金属管状主体2、第二金属电极3、屏蔽电缆4、多数据融合模块5、现场总线6、中心分析模块7、监控系统模块8、嵌入式信号处理模块9、金属接线柱10、电极绝缘层11、接线柱绝缘层12、金属屏蔽罩13、法兰14。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

实施例1

图2为本发明实施例提供的阵列式环形静电传感器的结构示意图；图3为图2所示传感器及安装法兰的A-A剖面示意图。由图2和图3可知：

本实施例提供的阵列式环形静电传感器，包括金属管状主体2，所述金属管状主体2的内周面上顺次并排绕设有至少一组第一金属电极1和至少一组第二金属电极3，所述第一金属电极1及所述第二金属电极3为环状，且第一金属电极1的轴向宽度小于所述第二金属电极3的轴向宽度。所述第二金属电极用于粉体流量测量，第一金属电极用于粉体流速测量，并起到辅助流量测量的作用。所述第一金属电极轴向敏感区域窄，利于精确测量粉体流动速度，所述第二金属电极轴向敏感区域大，利于精确测量粉体浓度。

作为优选地，所述金属管状主体2的内周面上顺次并排等间距绕设有至少3个所述第一金属电极1，获得多路信号用于数据融合。

作为优选地，相邻所述第一金属1电极之间的距离为10-50mm，以实现不同流速条件下对粉体速度的准确测量。

作为优选地，所述金属管状主体2的内周面上设有至少1个所述第二金属电极3，以满足传感器安装的空间限制。

作为优选地，所述金属管状主体的内周面上顺次并排等间距绕设有至少2个所述第二金属电极，相邻电极之间的轴向间距为10-50mm，以避免所述第二金属电极敏感场之间的相互干扰，保证粉体浓度的测量精度。

作为优选地，所述第一金属电极1及所述第二金属电极3的径向厚度为1-10mm，以保证电极的测量敏感度和耐压强度；所述第一金属电极1的轴向宽度为2-10mm，以实现粉体流速的准确测量；所述第二金属电极3的轴向宽度为10-100mm，以保证足够的敏感空间和合适的空间滤波效应；所述厚度为径向厚度，所述径向为垂直于流体运动方向；所述宽度为轴向宽度，所述轴向为平行于流体运动方向。

作为优选地，所述第一金属电极1和所述第二金属电极3与金属管状主体2之间有绝缘层，以保证第一金属电极1和所述第二金属电极3与其他部件的电气隔离属性；所述金属管状主体2与金属屏蔽罩13接地构成对所述第一金属电极和所述第二金属电极的屏蔽空间，以避免外界信号的干扰。

作为优选地，相邻的所述一组第一金属电极1和所述一组第二金属电极3之间的距离为20-150mm，以保证第一金属电极1和所述第二金属电极3之间的敏感区域无重合部分。

作为优选地，所述管状主体2的两端均固定连接有法兰14，以实现与气力输送设备的连接和满足工业仪表安装规范。

作为优选地，所述阵列式环形静电传感器所包含的电极阵列由第一金属电极1和第二金属电极3组成，其中电极阵列由3个等间距排列的轴向宽度为5毫米的第一金属电极1和1个轴向宽度为20mm的第二金属电极3组成，其径向厚度均为5mm；第二金属电极3与相邻第一金属电极1的距离为25mm。所述阵列式环形静电传感器的管状主体与其中的电极阵列，构成传感器探头，静电信号通过与第一金属电极1和一个第二金属电极3直接相连的金属接线柱10引出。第一金属电极1和1个第二金属电极3与传感器探头之间通过电极绝缘层11进行电气绝缘。金属接线柱10与传感器探头之间通过接线柱绝缘层12进行电气绝缘，并通过金属屏蔽罩13屏蔽外界电磁干扰；传感器探头的金属部分和嵌入式数字信号处理模块互相连通。

实施例2

本实施例提供一种基于阵列式环形静电传感器的气力输送粉体测量装置。图1为本发明实施例提供的气力输送粉体测量装置的结构示意图。由图1可知，本实施例涉及的基于阵列式环形静电传感器的气力输送粉体测量装置，包括阵列式环形静电传感器、嵌入式信号处理模块、多数据融合模块和中心分析模块：

多个前述的阵列式环形静电传感器，用于获取粉体流动引起的静电信号；

嵌入式信号处理模块，用于接收处理阵列式环形静电传感器获取的静电信号，以获得静电数字信号，并根据所述静电数字信号获得所述粉体的流动速度信息和流量信息；所述处理为将静电信号经过电流/电压转换(静电信号经过电阻转换为电压信号)、放大和滤波环节后进行模拟/数字信号转换；同时使用嵌入式微处理器处理得出粉体流动速度和流量信息；

多数据融合模块，用于获取多组粉体流动速度信息和流量信息，并对多组流动速度信息和流量信息进行筛选和加权平均，并根据所述粉体流动速度和流量的历史测量数据进行置信判断，使用卡尔曼滤波法消除系统和测量误差，再通过滑动平均处理获得粉体流动速度和流量的融合结果；

中心分析模块，用于接收所述多数据融合模块获得的融合结果，对所述融合结果进行综合分析、实时显示和记录数据，实时配置所述嵌入式信号处理模块的工作参数。

其中，所述阵列式环形静电传感器的金属管状主体与其中的电极阵列，构成传感器探头，所述传感器探头嵌入气力输送设备；嵌入式信号处理模块9与传感器探头通过屏蔽电缆4相连接，并通过多数据融合模块5输出粉体流动数据；中心分析模块7通过现场总线6接收粉体流动数据，并对数据进行处理，同时根据现场工况对嵌入式信号处理模块9进行实时的优化配置；监控系统模块8接收中心分析模块7发送的粉体流动实时数据，实现测量。

阵列式环形静电传感器通过法兰14与气力输送管道进行连接，其内径与所嵌入的气力输送管道内径一致，主体为金属材料；阵列式环形静电传感器所包含的环形金属电极阵列内外径尺寸相同，并沿粉体运动的垂直方向平行排列；金属电极阵列与传感器探头的其它部分通过绝缘材料实现电气隔离，同时采用金属屏蔽罩13隔离外界电磁干扰；其输出信号由与其直接相连的金属接线柱10引出，并通过屏蔽电缆连接到嵌入式信号处理模块9；优选地，所述阵列式环形静电传感器的金属部分和嵌入式数字信号处理模块9互相连通。

实施例3

本实施例提供一种基于环形静电传感器的气力输送粉体测量方法，主要包括如下步骤：

步骤1、多个前述的阵列式环形静电传感器，用于获取粉体流动引起的静电信号；

步骤2、嵌入式信号处理模块接收阵列式环形静电传感器获取的静电信号，以获得静电数字信号，并根据所述静电数字信号获得所述粉体的流动速度信息和流量信息；所述处理为将静电信号经过电流/电压转换(静电信号经过电阻转换为电压信号)、放大和滤波环节后进行模拟/数字信号转换；同时使用嵌入式微处理器处理得出粉体流动速度和流量信息；

步骤3、多数据融合模块接收所述嵌入式信号处理模块获得的粉体流动速度和流量信息，并对多组流动速度信息和流量信息进行筛选和加权平均，并根据所述粉体流动速度和流量的历史测量数据进行置信判断，使用卡尔曼滤波法消除系统和测量误差，再通过滑动平均处理获得粉体流动速度和流量的融合结果；

步骤4，所述多数据融合模块获得的数据被所述中心分析模块接收，所述中心分析模块对数据进行综合分析、实时显示和记录数据，实时配置所述嵌入式信号处理模块的工作参数；所述中心分析模块获得的测量数据被监控系统模块接收，进而能够实现粉体流动情况的实时监视或调节控制。

具体而言，嵌入式信号处理模块9接收屏蔽电缆4导入的静电信号，经过电流/电压转换、放大和滤波环节后进行模拟/数字信号转换；

使用嵌入式微处理器通过信号互相关算法得到粉体流动速度，通过静电信号的均方根值计算出粉体流量信息；

多数据融合模块5通过对嵌入式信号处理模块9输出的粉体流动速度和流量的多个计算值进行置信分布判断、可信度筛选、加权平均、卡尔曼滤波等处理获得粉体流动速度和流量的融合结果；

在使用标准CAN总线通讯协议的情况下，中心分析模块7可以接收1至255个传感器探头的测量结果，实现对所有测量结果进行综合分析、实时显示和数据记录；所述综合分析包括进行超限判断、平滑处理、异常值剔除分析。所述中心分析模块7通过CAN总线通讯协议将工作参数传送至嵌入式信号处理模块9，实时配置与各个传感器探头相连接的嵌入式信号处理模块9的工作参数，并将测量数据传输到生产现场的监控系统模块8,能够实现粉体流动情况的实时监视或调节控制；

中心分析模块7与嵌入式信号处理模块9和监控系统模块8之间的通讯可以由硬接线、Ethernet，OPC，Modbus，CAN，TCP/RTU，RS485等多种通讯协议实现。

本发明的装置能够实时监测工业生产中粉体在气力输送设备中的速度和流量信息，本发明通过环形静电传感器阵列、嵌入式信号处理模块和中心分析模块等实现，其中环形静电传感器阵列测量带电粉体的波动信息，嵌入式信号处理模块对测量信号进行调理并进行多路信号相关运算和多数据融合，从而得出粉体的速度和流量等参数，测量结果通过现场总线传送到中心分析模块进行显示、记录，并实现与集控室的通讯。本发明的方法可以在不干扰粉体流动的情况下对其主要运动参数进行实时监测，可测范围宽、传感器寿命长、安装维护方便，可广泛用于含有气力输送粉体的工业生产中。本发明若采用多个传感器探头即可实现多个分散气力输送设备中粉体流动参数的对比测量，尤其适用于需要平衡粉体在多个气力输送设备中流动参数的工况，具有实施简单、投资少、安全可靠等优势。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种阵列式环形静电传感器，包括金属管状主体，所述金属管状主体的内周面上顺次并排绕设有至少一组第一金属电极和至少一组第二金属电极，其特征在于，所述第一金属电极及所述第二金属电极为环状，且第一金属电极的轴向宽度小于所述第二金属电极的轴向宽度。

2.根据权利要求1所述的阵列式环形静电传感器，其特征在于，所述金属管状主体的内周面上顺次并排等间距绕设有至少3个所述第一金属电极，获得多路信号用于数据融合。

3.根据权利要求2所述的阵列式环形静电传感器，其特征在于，相邻所述第一金属电极之间的轴向间距为10-50mm。

4.根据权利要求1所述的阵列式环形静电传感器，其特征在于，所述金属管状主体的内周面上设有至少1个所述第二金属电极。

5.根据权利要求1所述的阵列式环形静电传感器，其特征在于，当所述金属管状主体的内周面上顺次并排等间距绕设有至少2个所述第二金属电极时，相邻电极之间的轴向间距为10-50mm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的阵列式环形静电传感器，其特征在于，所述第一金属电极及所述第二金属电极的径向厚度为1-10mm；所述第一金属电极的轴向宽度为2-10mm；所述第二金属电极的轴向宽度为10-100mm。

7.根据权利要求1-5任一项所述的阵列式环形静电传感器，其特征在于，所述第一金属电极和所述第二金属电极与金属管状主体之间有绝缘层；所述金属管状主体与金属屏蔽罩接地构成对所述第一金属电极和所述第二金属电极的屏蔽空间。

8.根据权利要求1-5任一项所述的阵列式环形静电传感器，其特征在于，相邻的所述第一金属电极和所述第二金属电极之间的距离为20-150mm。

9.一种基于阵列式环形静电传感器的气力输送粉体测量装置，其特征在于，包括：

多个权利要求1-8任一项所述的阵列式环形静电传感器，用于获取粉体流动引起的静电信号；

嵌入式信号处理模块，用于接收处理阵列式环形静电传感器获取的静电信号，以获得静电数字信号，并根据所述静电数字信号获得所述粉体的流动速度信息和流量信息；所述处理为将静电信号经过电流/电压转换、放大和滤波环节后进行模拟/数字信号转换；

多数据融合模块，用于获取多组粉体流动速度信息和流量信息，并对多组流动速度信息和流量信息进行筛选和加权平均，并根据所述粉体流动速度和流量的历史测量数据进行置信判断，消除系统和测量误差，再通过数据滑动平均处理获得粉体流动速度和流量的融合结果；

中心分析模块，用于接收所述多数据融合模块获得的融合结果，对所述融合结果进行综合分析、实时显示和记录数据，实时配置所述嵌入式信号处理模块的工作参数。

10.一种基于阵列式环形静电传感器的气力输送粉体测量方法，其特征在于，主要包括如下步骤：

步骤1、多个权利要求1-8任一项所述的阵列式环形静电传感器获取粉体流动引起的静电信号；

步骤2、嵌入式信号处理模块接收阵列式环形静电传感器获取的静电信号，以获得静电数字信号，并根据所述静电数字信号获得所述粉体的流动速度信息和流量信息；所述处理为将静电信号经过电流/电压转换、放大和滤波环节后进行模拟/数字信号转换；

步骤3、多数据融合模块接收所述嵌入式信号处理模块获得的粉体流动速度和流量信息，并对多组流动速度信息和流量信息进行筛选和加权平均，并根据所述粉体流动速度和流量的历史测量数据进行置信判断，消除系统和测量误差，再通过数据滑动平均处理获得粉体流动速度和流量的融合结果；

步骤4，所述多数据融合模块获得的数据被所述中心分析模块接收，所述中心分析模块对数据进行综合分析、实时显示和记录数据，实时配置所述嵌入式信号处理模块的工作参数；所述中心分析模块获得的测量数据被监控系统模块接收，进而能够实现粉体流动情况的实时监视或调节控制。