CN105973775B - 一种双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置,包括双层电极阵列传感器、数据采集和控制系统和图像重建计算机，所述双层电极阵列传感器设置在螺旋输送管的外部、靠近出料口的位置，由低介电常数的专用圆形管构成，在专用圆形管外壁粘贴电极阵列，在专用圆形管内壁内嵌电极阵列，在内外电极阵列的两端分别设置两个环状屏蔽电极。双层电极的布置方式利用专用圆形管隔离相邻电极，取代了原有的相邻电极间的间距，隔离更可靠，排列更加紧凑，从而充分利用了螺旋输送管的周长，可以布置更多或者更大电极，进而获得更多的测量数据进行电容层析成像，或者检测的电容更加灵敏可靠，提高了重建图像质量和分辨率。测量时将圆形管直接套装在被测管道外，检测方便。
Description
技术领域
本发明属于物料输送检测装置技术领域，具体是一种双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置，可应用于食品、化工、农业等行业。
背景技术
螺旋输送对粉体以及颗粒物料的输送有较好的可控制性和稳定性，广泛应用于农用物料、工业矿物、化工、食品加工原料成品等运输、配料和包装生产过程中。要实现螺旋输送的定量加料，粉体的浓度是特别重要的决定因素，而粉体浓度检测一直是螺旋定量加料测控系统的难点。
粉体浓度检测方法主要有三种：第一类是采用分离法，将多相流体的各相分离，测量各相含量；第二类是基于超声波技术、光谱技术、核磁共振技术、电容法、静电法、过程层析成像技术等新型无损检测技术；第三类是基于软测量技术的测量方法。根据不同的检测方法，有些学者已研制出相应的粉体参数检测装置。
现有的粉体参数检测装置，如2011年刘石等人利用介电系数变化测量电极提供的粉体介电系数变化信号，修正分步测量电极的数据，从而对粉粒体空间分布做出更为准确重建(授权公告号：CN102156225B)，该装置测量属于接触式测量,测量电极容易被损坏,且对流场有一定的影响。2012年杨道业等人在申请专利双阵列式电容传感器及其气固两相流检测方法(授权公告号：CN102156225B)中利用双阵列式电容传感器相邻极板灵敏度不均匀的特点，从而重建管道内部两个截面的相浓度分布。但其得到的只是管道截面内局部的浓度，无法获取管道截面内完整的浓度分布。2013年崔自强等人在申请专利具有双层旋转电极的电容层析成像传感器(授权公告号：CN103454318B)中将激励电极与检测电极分别附于两旋转管壁上，可从任意角度测量电容值，存在主要问题和不足有：电极引线多，又需要不断旋转运动，导致结构复杂可靠性差，对与装置台架固定连接的管道内物料的检测适用性差；从任意角度测量电容值,存在测量次数多，无用数据较多，导致数据计算处理量大，处理复杂、实时性差。发明人2014年在专利螺旋输送管内出料段粉体浓度分布检测装置与检测方法(申请公布号：CNIO4316441A)中，提出了一种在管道内布置电容层析成像电极的检测装置，利用图像重建获得了输送管内粉体浓度，由于12电极的电容层析成像检测装置提供的测量数据非常有限，导致通过电容层析成像法提供的重建图像分辨率较低、测量精度不高，同时12个电极直接布置在被测管道内同一圆柱面上，安装时对输送管道结构造成一定破坏，且对流场产生一定的影响，以及需要对每个被测管道加工制作专用电极阵列，测量成本高时间长等不足。
发明内容
为解决螺旋输送管内粉体浓度检测难题，克服上述技术中存在的不足，本发明提供一种双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
本发明所述的双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置，包括双层电极阵列传感器、数据采集和控制系统和图像重建计算机，所述双层电极阵列传感器设置在螺旋输送管的外部、靠近出料口的位置，包括两个环状屏蔽电极、屏蔽罩、低介电常数的专用圆形管；在专用圆形管的外壁和内壁分别设置数个在圆周上均布的电极，分别构成外层电极阵列和内层电极阵列，内层电极阵列和外层电极阵列的电极相间排列；在内外层电极阵列的两端分别设置两个正对着的环状屏蔽电极，屏蔽罩设置在外层电极阵列外部；
所述数据采集和控制系统包括电源模块、极板通道选择模块、电容/电压(C/V)转换模块、单片机控制单元，电源模块用于给C/V转换模块、极板通道选择模块、单片机控制单元提供电源；极板通道选择模块与外层电极阵列和内层电极阵列连接，用于控制电极阵列中每一个电极的状态，测量电容值并将电容信号传输到C/V转换模块上；C/V转换模块用于将极板间的电容值转化为电压值；单片机控制单元通过异步串口与图像重建计算机相连，用于控制极板通道选择模块，并将测得的模拟电压信号转换为数字电压信号传输至图像重建计算机；
图像重建计算机根据测量的电压值进行图像重建，得到螺旋输送管内粉体分布图像，再进一步地根据螺旋输送管内粉体分布图像计算出粉体浓度。
优选地，所述专用圆形管采用介电常数小于1.5的材料制成。
优选地，所述内层电极阵列和外层电极阵列的电极数量均为12个。
优选地，所述的图像重建计算机，配置有RS232标准串行接口COM，通过串行接口与单片机连接。
优选地，所述内层电极阵列和外层电极阵列的电极采用内嵌和外粘贴固定。
优选地，所述内层电极阵列和外层电极阵列的电极的长度为螺旋输送轴的一个螺距长，屏蔽罩的长度为螺旋输送轴的一个半螺距长，屏蔽罩与专用圆形管的外壁相距5毫米。
优选地，内层电极阵列和外层电极阵列的电极的宽度分别为专用圆形管内壁和外壁周长的二十四分之一。
优选地，环状屏蔽电极的宽度为内层电极阵列的电极宽度的二分之一，与内层电极阵列和外层电极阵列的两端的宽为环状屏蔽电极宽度的六分之一。
优选地，所述内层电极阵列、外层电极阵列、环状屏蔽电极、屏蔽罩均采用2㎜厚的铜箔制成。
本发明由专用圆形管组成，在专用圆形管的内壁和外壁分别设置电极阵列，测量时将圆管直接套装在被测管道外，检测方便。内外层电极阵列的两端分别设置两个环状屏蔽电极。内外层电极阵列的电极相间排列，以圆周均布方式排列，相互填补彼此的空缺。由于圆管的低介电常数材料引起的相应的电容值非常小，从而物料的输送变化引起的相应的电容变化值相对就比较大，以及专用圆形管管壁非常薄，可忽略圆管对成像的影响，这种双层电极的布置方式利用专用圆形管隔离相邻电极，取代了原有的相邻电极间的间距，隔离更可靠，排列更加紧凑，从而充分利用了螺旋输送管的周长，可以布置更多或者更大电极，进而获得更多的测量数据进行电容层析成像，或者检测的电容更加灵敏可靠，提高了重建图像质量和分辨率。两个环状屏蔽电极均位于电极阵列的两端，且正对着，以减小边缘效应对检测的影响。屏蔽罩固定在低介电常数的圆形管外。屏蔽罩有利于隔绝外部电场对管道内电场的影响，提高电容测量的精度。以每层12电极的电极阵列为例，用所述的双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置可以获得276个有效的测量数据进行电容层析成像图像重建，远大于原有的单层固定式12电极检测装置获得的66个有效的测量数据。制成的双层电极阵列传感器可移可拆，安装快捷，且属于非侵入式检测，不影响原有的管道设备，以及管道内物料的输送。
所述数据采集和控制系统包括电源模块、极板通道选择模块、电容/电压(C/V)转换模块、单片机控制单元。采用一般的固定电极的电容层析成像方法获得各个极板间的电容值。电源模块用于给C/V转换模块、极板通道选择模块、单片机控制单元提供电源；极板通道选择模块与测量电极阵列连接，用于控制电极阵列中每一个电极的状态，测量电容值并将电容信号传输到C/V转换模块上；C/V转换模块用于将极板间的微小电容值转化为电压值；单片机控制单元通过异步串口与图像重建计算机相连，用于控制极板通道选择模块，并将测得的模拟电压信号转换为数字电压信号传输至图像重建计算机。
所述的图像重建计算机，配置有RS232标准串行接口COM，通过串行接口接收单片机发送的一些列测量电压值。进一步地根据一系列测量的电压值进行图像重建，得到螺旋输送管内粉体分布图像。再进一步地根据螺旋输送管内粉体分布图像计算出粉体浓度。
本发明所述的双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置具有如下优点：
(1)比较原有的以牺牲电极宽度为代价的增加电极个数布置方式，双层电极的布置方式充分利用了螺旋输送管的周长，从而可以布置更多或者更大电极，进而获得更多的测量数据进行电容层析成像，或者检测的电容更加灵敏可靠，进而提高了重建图像质量和分辨率。
(2)采用内嵌和外粘贴固定电极阵列的形式，电极不容易被损坏，与旋转电极检测装置相比，实时性好，且测量和安装不影响待测设备，更不会对物料输送造成影响。
(3)与原有的电容层析成像设备的移动性差，拆卸麻烦相比，双层电极阵列的传感器可移可拆，安装快捷，检测方便，可制成独立的检测传感器。
附图说明
图1是本发明的双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置。
图2是本发明的螺旋输送管以及双层电极阵列传感器的部分剖面图。
图3是本发明的双层电极阵列传感器剖面图。
图4是本发明的双层电极阵列传感器两层电极阵列展开图。
图中：
1—图像重建计算机，2—数据采集和控制系统，3—双层电极阵列传感器，4—出料口，5—螺旋输送管，6—进料口，7—螺旋输送轴，30—内层电极阵列，31—外层电极阵列，32—环状屏蔽电极，33—屏蔽罩，34—专用圆形管，3001～3012—专用圆形管内壁上的电极，3101～3112—专用圆形管外壁上的电极。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1、图2所示，本发明的双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置，包括双层电极阵列传感器3，数据采集控制系统2和图像重建计算机1。双层电极阵列传感器3套装在被测螺旋输送管5上。在螺旋输送管5的一端有进料口6，另一端有出料口4。同时，在螺旋输送管5的内部安装有螺旋输送轴7。双层电极阵列传感器3通过电缆与数据采集控制系统2相连接。数据采集控制系统2通过电缆与图像重建计算机1相连接。
如图3、图4所示，所述的双层电极阵列传感器3包括两个环状屏蔽电极32、屏蔽罩33、专用圆形管34。所述专用圆形管34采用介电常数小于1.5的材料制成；专用圆形管34的外壁上外粘贴固定数个在圆周上均布的电极，专用圆形管34的内壁上内嵌固定数个在圆周上均布的电极，分别构成外层电极阵列31和内层电极阵列30。内层电极阵列和外层电极阵列的电极相间排列，如图3、图4所示；专用圆形管34内壁上的内层电极阵列30包括12个电极，即电极3001至3012。专用圆形管34外壁上的外层电极阵列31包括12个电极，即电极3101至3112。电极3001至3012和电极3101至3112的长度为螺旋输送轴7的一个螺距长。电极3001至3012和电极、3101至3112的宽度分别为专用圆形管34内壁和外壁周长的二十四分之一。电极3001至3012和电极3101至3112以圆周均布方式排列，相互填补彼此的空缺。在内层电极阵列30和外层电极阵列31的两端分别安装有两个环状屏蔽电极32，环状屏蔽电极位于电极阵列的两端且正对着设置，环状屏蔽电极32的宽度为电极3001宽度的二分之一，与内层电极阵列30和外层电极阵列31的两端的宽为环状屏蔽电极32宽度的六分之一。在专用圆形管34的外壁固定有屏蔽罩33。屏蔽罩33的长度为螺旋输送轴7的一个半螺距长。与专用圆形管34的外壁相距5毫米。
所述内层电极阵列30、外层电极阵列31、环状屏蔽电极32、屏蔽罩33均采用2㎜厚的铜箔制成。
所述数据采集和控制系统2包括单片机控制单元、极板通道选择模块、C/V转换模块、电源模块。单片机控制单元是整个测量系统的核心，采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，通过通用异步串口与图像重建计算机1通讯。极板通道选择模块与所述检测电极阵列连接，包括激励切换部分、检测切换部分和接地切换部分，采用三片八选一多路模拟开关MAX338和6片DG201制成。C/V转换模块，采用高度集成化的通用微小电容检测芯片MS3110，将极板间的微小电容值转化为相应的电压值，对被测电容只进行一次充放电，即可完成对电容的测量。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的输出值是直流信号。电源模块，由稳压电源给单片机控制单元、极板通道选择模块、C/V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C/V转换模块提供参考电压,经过LM2575倍压至15v给极板通道选择模块的接地切换部分提供15v电压。
所述的图像重建计算机1，采用联想扬天T498O，配置有RS232标准串行接口COM，通过串行接口接收单片机发送的一些列测量电压值。根据测量的电压值进行图像重建，得到螺旋输送管内粉体分布图像，再进一步地根据螺旋输送管内粉体分布图像计算出粉体浓度。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置，其特征在于，包括双层电极阵列传感器(3)、数据采集和控制系统(2)和图像重建计算机(1)，所述双层电极阵列传感器(3)设置在螺旋输送管(5)的外部、靠近出料口(4)的位置，包括两个环状屏蔽电极(32)、屏蔽罩(33)、低介电常数专用圆形管(34)；专用圆形管(34)的外壁上和内壁上分别设置数个在圆周上均布的电极，分别构成外层电极阵列(31)和内层电极阵列(30)，内层电极阵列(30)和外层电极阵列(31)的电极相间排列；在外层电极阵列(31)和内层电极阵列(30)的两端分别设置两个正对着的环状屏蔽电极(32)，屏蔽罩(33)设置在外层电极阵列(31)外部；
所述数据采集和控制系统(2)包括电源模块、极板通道选择模块、电容/电压(C/V)转换模块、单片机控制单元，电源模块用于给C/V转换模块、极板通道选择模块、单片机控制单元提供电源；极板通道选择模块与内外层电极阵列连接，用于控制电极阵列中每一个电极的状态，测量电容值并将电容信号传输到C/V转换模块上；C/V转换模块用于将极板间的电容值转化为电压值；单片机控制单元通过异步串口与图像重建计算机(1)相连，用于控制极板通道选择模块，并将测得的模拟电压信号转换为数字电压信号传输至图像重建计算机(1)；
图像重建计算机(1)根据测量的电压值进行图像重建，得到螺旋输送管(5)内粉体分布图像，再进一步地根据螺旋输送管(5)内粉体分布图像计算出粉体浓度。
2.根据权利要求1所述的双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置，其特征在于，所述低介电常数专用圆形管采用介电常数小于1.5的材料制成。
3.根据权利要求1所述的双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置，其特征在于，所述内层电极阵列(30)和外层电极阵列(31)的电极数量均为12个。
4.根据权利要求1所述的双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置，其特征在于，所述的图像重建计算机(1)，配置有RS232标准串行接口COM，通过串行接口与单片机连接。
5.根据权利要求1所述的双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置，其特征在于，所述内层电极阵列(30)和外层电极阵列(31)的电极分别采用内嵌、外粘贴固定。
6.根据权利要求1所述的双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置，其特征在于，所述内层电极阵列(30)和外层电极阵列(31)的电极的长度为螺旋输送轴(7)的一个螺距长，屏蔽罩(33)的长度为螺旋输送轴(7)的一个半螺距长，屏蔽罩(33)与低介电常数专用圆形管(34)的外壁相距5毫米。
7.根据权利要求3所述的双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置，其特征在于，内层电极阵列(30)和外层电极阵列(31)的电极的宽度分别为专用圆形管(34)内壁和外壁周长的二十四分之一。
8.根据权利要求3所述的双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置，其特征在于，环状屏蔽电极(32)的宽度为内层电极阵列(30)的电极宽度的二分之一，与内层电极阵列(30)和外层电极阵列(31)的两端的宽为环状屏蔽电极(32)宽度的六分之一。
9.根据权利要求3所述的双层电极阵列的螺旋输送管内粉体浓度检测装置，其特征在于，所述内层电极阵列(30)、外层电极阵列(31)、环状屏蔽电极(32)、屏蔽罩(33)均采用2㎜厚的铜箔制成。
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| 基于内部阵列电极的电容层析成像系统;孙犇渊等;《传感技术学报》;20130630;第26卷(第6期);第820-824页 * |
| 增加ECT系统投影数据的方法研究;夏晶晶等;《信息技术》;20130630;第42卷(第3期);第89-90,150页 * |
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