CN106018872A - 一种基于阵列式静电传感器的速度场层析成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阵列式静电传感器的速度场层析成像方法，具体按照以下步骤实施：步骤1：建立阵列式静电传感器的三维仿真模型，获取动态灵敏场S和比例因子矩阵K；步骤2：阵列式静电传感器从管道的不同角度检测管道内带电颗粒流动所产生的静电信号；步骤3：调理电路将静电信号转换为‑5V‑+5V的交流电压信号，然后经数据采集卡传输到计算机进行处理；步骤4：获取速度频率场P；步骤5：根据速度频率场P和比例因子K得到速度场V。本发明一种基于阵列式静电传感器的速度场层析成像方法，同现有的静电传感器测速方法相比，计算效率更高，速度更快，精度更高。

Description

一种基于阵列式静电传感器的速度场层析成像方法

技术领域

本发明属于气固两相流测量技术领域，具体涉及一种基于阵列式静电传感器的速度场层析成像方法。

背景技术

气固两相流动过程中固体颗粒速度的大小是气固两相流的重要特征参数，其无论是实现流动过程的在线监测，还是建立气固两相流动的数学模型都具有重要意义。目前，基于不同的测量原理，人们已经研究和开发了多种实现气固两相流中固相颗粒速度测量的方法，如多普勒法，示踪法，相关法和空间滤波法等。多普勒测速以Doppler频移定理作为固体速度测量的基础，可以使用激光、微波或者超声波作为能源，具有传感器形式多样，测量精度较高的优点，但是对于恶劣工业环境下的复杂气固两相流动，存在安装复杂，受测量工况影响较大，且成本较高的缺点；示踪法的测量原理是在两相流中的任一相加入示踪物，根据从下游示踪物的采样或检测的时间来确定混合物的流速，此方法的原理简单，其一般要求加入放射性物质，具有不需要校准的优点而且装置安装方便，但即使放射源采用具有较短半衰期的放射性同位素，也会导致严重的污染问题，且成本较高；相关法利用上下游随机信号的相似性实现速度测量，具有测量范围宽，适应性强的优点，只需选择合适的传感器便可以实现对不同对象的测量，但测量时要求流动稳定，固相弥散度尽可能均匀，并且计算量较大，不适于速度场的获取；空间滤波法作为一种光学测速方法是上个世纪六十年代由Ator教授提出的，目前已延伸到其他传感器空间滤波效应上，其利用传感器的空间频率响应特性实现速度参数的测量，具有适用范围广，使用灵活的突出优点，但是其测量精度容易受到流型，粒径等因素的影响。

在气固两相流中，固体颗粒在气体携带下流动，流动过程中由于颗粒与颗粒之间，颗粒与管道之间的接触摩擦，颗粒与气体之间的相对滑移以都可能使颗粒产生自然荷电现象，从而使运动的颗粒形成了静电噪声信号。静电噪声信号包含了大量的颗粒流动参数信息，对其加以适当的信息处理方法，即可获得两相流流动参数(速度、浓度、流量等)。静电传感器能够有效地捕捉到这些静电噪声信号，其具有结构简单，灵敏度高，适应各种工业环境等多种优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于阵列式静电传感器的速度场层析成像方法，解决了现有的静电传感器测速精度低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于阵列式静电传感器的速度场层析成像方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：建立阵列式静电传感器的三维仿真模型，获取动态灵敏场S和比例因子矩阵K；

步骤2：阵列式静电传感器从管道的不同角度检测管道内带电颗粒流动所产生的静电信号；

步骤3：调理电路将静电信号转换为-5V-+5V的交流电压信号，然后经数据采集卡传输到计算机进行处理；

步骤4：获取速度频率场P；

步骤5：根据速度频率场P和比例因子K得到速度场V。

本发明的特点还在于：

步骤1具体为：

动态灵敏场S的获取

建立阵列式静电传感器三维仿真模型，将阵列式静电传感器检测区域的截面划分为M个像素单元，并依次计算阵列式静电传感器各电极对每个像素单元1m/s时的动态灵敏度D_ij，然后对D_ij进行FFT变化，电极的序号i＝1,2,3…H，H为电极的个数，像素单元的序号j＝1,2,3…M，依次获取第i个电极对第j个像素单元的峰值频率f_ij，最终建立阵列式静电传感器的动态灵敏场S：

$S=\left[\begin{array}{ccccc}{f}_{11}& ...& f_{1j}& ...& f_{1M}\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ f_{i1}& ...& f_{ij}& ...& f_{iM}\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ f_{H1}& ...& f_{Hj}& ...& f_{HM}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，S是H×M矩阵；

比例因子K的获取

三维仿真模型中，设定所有像素单元存在单位电荷，计算当所有像素单元上的电荷以单位速度1m/s运动时每个电极上的动态灵敏度D_i，i＝1,2,3…H，然后对D_i进行FFT变换，从而获取不同电极上的峰值频率fu_i，用矩阵FU表示各个电极峰值频率fu_i的集合，FU为H×1矩阵，比例因子K为：

K＝S^T*FU (2)

K为M×1的矩阵；S^T为矩阵S的转置。

步骤4速度频率场P的获取方法为：

计算机对采集到的阵列式静电传感器每个电极上的静电信号进行功率谱分析，根据每个电极的功率谱分析结果计算每个电极的等效峰值频率F_i：

$F_i=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{in}{f}_{in}}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{in}}---\left(3\right)$

其中，p表示功率谱分析中的幅值，f表示功率谱分析中的频率，i＝1,2,3…H，H为电极的个数，n＝1,2,3…N，n表示功率谱分析中的频率的序号，N表示总的频率数；

采用LBP算法计算截面的速度频率场P：

P＝S^T*F (4)

P是M×1的矩阵，M为截面划分的像素单元数，S^T为动态灵敏场S的转置，F是F_i的集合，是H×1矩阵。

步骤5中速度场V为：

V＝P/K (5)

V是M×1矩阵，每个元素代表一个像素单元的速度。

本发明的有益效果是：本发明一种基于阵列式静电传感器的速度场层析成像方法，将静电传感器的空间滤波特性与层析成像技术相结合，充分利用静电传感器空间滤波测速的简单，可靠，灵活，低成本，高适用性等优点，结合已有的层析成像技术将测量对象进行像素单元细分，通过建立不同像素单元的空间滤波灵敏度(动态灵敏场)，从而克服现有静电传感器空间滤波测速受管内颗粒分布影响较大的缺点，同时发挥层析成像技术快速直观的优点实现整个流动截面速度场参数的在线测量。本发明同现有的静电传感器测速方法相比，计算效率更高，速度更快，精度更高。

附图说明

图1是本发明中采用的阵列式静电传感器的俯视图；

图2是本发明中基于阵列式静电传感器的气固两相流测量系统图；

图3是本发明中信号调理电路的电路图。

图中，1.计算机，2.法兰，3.绝缘管道，4.电极，5.接地电极，6.外屏蔽层，7.同轴屏蔽电缆，8.信号调理电路，9.数据采集卡。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施本发明的基于阵列式静电传感器的速度场层析成像方法时的阵列式静电传感器的形式多样，可以将电极4布置在绝缘管道3外表面实现非接触式测量，也可以将电极4镶嵌在管道内壁，即通过在金属管道内壁开槽铺垫绝缘层将电极4嵌入的方式，使得电极4与管道内壁平齐，实现非接触式测量。实现速度场层析成像时均为阵列式静电传感器获取静电信号后，经信号调理电路8和数据采集卡9进入计算机1，在计算机1内计算得到速度场V，并通过1以图形的形式直观的显示。

本发明中具体实施时采用的阵列式静电传感器的结构如图1、基于阵列式静电传感器的气固两相流测量系统图如图2所示，包括在圆形绝缘管道3中通过法兰2安装阵列式矩阵铜制电极4，电极4的两侧均设置有环状接地电极5，电极4的外部设置有外屏蔽层6，将阵列电极4和接地电极5通过同轴屏蔽电缆7与信号调理电路8连接，信号调理电路8如图3所示，其中，图3(a)为静电传感器的电压源等效电路图，其中R_t和C分别代表电压放大电路的等效输入电阻和电容，其中等效电阻R_t由静电传感器的绝缘电阻和放大器的输入电阻两部分组成；等效电容由静电传感器的对地电容、电缆的等效电容和运算发大器的输入电容组成；图3(b)是电压跟随放大电路，信号调理电路8依次与数据采集卡9、计算机1连接，阵列式静电传感器将绝缘管道3内带电颗粒的流动信息捕获后，经同轴屏蔽电缆7传送到信号调理电路8，经电压跟随和放大后转换为-5-+5V的电压信号送数据采集卡9，经过A/D转换后送入计算机1，计算机1利用采集到的静电信号完成速度场信息的反演计算。

本发明基于阵列式静电传感器的速度场层析成像方法，具体步骤为：

步骤1：建立阵列式静电传感器的三维仿真模型，获取动态灵敏场S和比例因子矩阵K，具体为：

动态灵敏场S的获取

将阵列式静电传感器检测区域的截面划分为M个像素单元，并依次计算阵列式静电传感器各电极4对每个像素单元1m/s时的动态灵敏度D_ij，然后对D_ij进行FFT变化，电极4的序号i＝1,2,3…H，H为电极4的个数，像素单元的序号j＝1,2,3…M，依次获取第i个电极4对第j个像素单元的峰值频率f_ij，最终建立阵列式静电传感器的动态灵敏场S：

$S=\left[\begin{array}{ccccc}{f}_{11}& ...& f_{1j}& ...& f_{1M}\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ f_{i1}& ...& f_{ij}& ...& f_{iM}\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ f_{H1}& ...& f_{Hj}& ...& f_{HM}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，S是H×M矩阵；

比例因子K的获取

三维仿真模型中，设定所有像素单元存在单位电荷，计算当所有像素单元上的电荷以单位速度1m/s运动时每个电极上的动态灵敏度D_i，i＝1,2,3…H，然后对D_i进行FFT变换，从而获取不同电极上的峰值频率fu_i，用矩阵FU表示各个电极峰值频率fu_i的集合，FU为H×1矩阵，比例因子K为：

K＝S^T*FU (2)

K为M×1的矩阵；S^T为矩阵S的转置。

步骤2：阵列式静电传感器从管道3的不同角度检测管道3内带电颗粒流动所产生的静电信号；

步骤3：调理电路8将静电信号转换为-5V-+5V的交流电压信号，然后经数据采集卡9传输到计算机1进行处理；

步骤4：获取速度频率场P，具体为：

计算机1对采集到的阵列式静电传感器每个电极4上的静电信号进行功率谱分析，根据每个电极4的功率谱分析结果计算每个电极4的等效峰值频率F_i：

$F_i=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{in}{f}_{in}}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{in}}---\left(3\right)$

其中，p表示功率谱分析中的幅值，f表示功率谱分析中的频率，i＝1,2,3…H，H为电极4的个数，n＝1,2,3…N，n表示功率谱分析中的频率的序号，N表示总的频率数；

采用LBP算法计算截面的速度频率场P：

P＝S^T*F (4)

P是M×1的矩阵，M为截面划分的像素单元数，S^T为动态灵敏场S的转置，F是F_i的集合，是H×1矩阵。

步骤5：根据速度频率场P和比例因子K得到速度场V：

V＝P/K (5)

V是M×1矩阵，每个元素代表一个像素单元的速度。

本发明一种基于阵列式静电传感器的速度场层析成像方法，将静电传感器的空间滤波特性与层析成像技术相结合，充分利用静电传感器空间滤波测速的简单，可靠，灵活，低成本，高适用性等优点，结合已有的层析成像技术将测量对象进行像素单元细分，通过建立不同像素单元的空间滤波灵敏度(动态灵敏场)，从而克服现有静电传感器空间滤波测速受管内颗粒分布影响较大的缺点，同时发挥层析成像技术快速直观的优点实现整个流动截面速度场参数的在线测量。本发明同现有的静电传感器测速方法相比，具有计算效率更高，速度更快，精度更高的优点，为实现实时在线测量速度场参数提供了全新的手段。

Claims (4)

1.一种基于阵列式静电传感器的速度场层析成像方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：建立阵列式静电传感器的三维仿真模型，获取动态灵敏场S和比例因子矩阵K；

步骤2：阵列式静电传感器从管道(3)的不同角度检测管道(3)内带电颗粒流动所产生的静电信号；

步骤3：调理电路(8)将静电信号转换为-5V-+5V的交流电压信号，然后经数据采集卡(9)传输到计算机(1)进行处理；

步骤4：获取速度频率场P；

步骤5：根据速度频率场P和比例因子K得到速度场V。

2.根据权利要求1所述的一种基于阵列式静电传感器的速度场层析成像方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

动态灵敏场S的获取

建立阵列式静电传感器的三维仿真模型，将阵列式静电传感器检测区域的截面划分为M个像素单元，并依次计算阵列式静电传感器各电极(4)对每个像素单元1m/s时的动态灵敏度D_ij，然后对D_ij进行FFT变化，电极(4)的序号i＝1,2,3…H，H为电极(4)的个数，像素单元的序号j＝1,2,3…M，依次获取第i个电极(4)对第j个像素单元的峰值频率f_ij，最终建立阵列式静电传感器的动态灵敏场S：

$S=\left[\begin{array}{ccccc}{f}_{11}& ...& f_{1j}& ...& f_{1M}\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ f_{i1}& ...& f_{ij}& ...& f_{iM}\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ f_{H1}& ...& f_{Hj}& ...& f_{HM}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，S是H×M矩阵；

比例因子K的获取

三维仿真模型中，设定所有像素单元存在单位电荷，计算当所有像素单元上的电荷以单位速度1m/s运动时每个电极上的动态灵敏度D_i，i＝1,2,3…H，然后对D_i进行FFT变换，从而获取不同电极上的峰值频率fu_i，用矩阵FU表示各个电极峰值频率fu_i的集合，FU为H×1矩阵，比例因子K为：

K＝S^T*FU (2)

K为M×1的矩阵；S^T为矩阵S的转置。

3.根据权利要求1所述的一种基于阵列式静电传感器的速度场层析成像方法，其特征在于，所述步骤4速度频率场P的获取方法为：

计算机(1)对采集到的阵列式静电传感器每个电极(4)上的静电信号进行功率谱分析，根据每个电极(4)的功率谱分析结果计算每个电极(4)的等效峰值频率F_i：

$F_i=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{p}_{in}{f}_{in}}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{p}_{in}}---\left(3\right)$

其中，p表示功率谱分析中的幅值，f表示功率谱分析中的频率，i＝1,2,3…H，H为电极(4)的个数，n＝1,2,3…N，n表示功率谱分析中的频率的序号，N表示总的频率数；

采用LBP算法计算截面的速度频率场P：

P＝S^T*F (4)

P是M×1的矩阵，M为截面划分的像素单元数，S^T为动态灵敏场S的转置，F是F_i的集合，是H×1矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种基于阵列式静电传感器的速度场层析成像方法，其特征在于，所述步骤5中速度场V为：

V＝P/K (5)

V是M×1矩阵，每个元素代表一个像素单元的速度。