CN106093187A - 一种柱塞流输送颗粒回落量的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱塞流输送颗粒回落量的检测方法及装置，通过非侵入式拾取管道内颗粒摩擦碰撞管壁所产生的声波信号及静电信号来检测柱塞流输送颗粒回落量。本发明的回落量检测是一种非侵入式检测方法，检测装置简单、安全、环保，可适用于工业过程的在线实时检测，解决了目前对于柱塞流输送颗粒回落量难以准确测定的难题。

Description

一种柱塞流输送颗粒回落量的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及柱塞流输送参数检测装置和方法，尤其涉及一种柱塞流输送颗粒回落量的检测方法及装置。

背景技术

气力输送是在密闭管道内利用气流的能量沿气流方向输送颗粒物料的一种输送方式，主要应用于化工、冶金、制药、热力发电等行业输送颗粒物料，其随着固体质量流量、表观气速、颗粒粒径和密度、管径等参数的变化，在管道中呈现不同的流型。对于竖直管而言，当气速足够大时，管道内的颗粒均匀悬浮，此时的流型为悬浮流。随着气速的降低，颗粒分散的均匀性被打破，管道内出颗粒聚团，形成环合流和聚团流。当气速进一步降低时，管道内出现湍动流化输送、气栓流、气泡流、流态化输送和柱塞流等不同流型。

在柱塞流中，颗粒是以被气体隔断的颗粒柱塞的形式向上运动的。然而，在某些情况下，颗粒柱塞后端的颗粒会出现回落现象，并进入下一段颗粒柱塞继续向上运动，这是由于颗粒间的粘性力小于颗粒的重力导致的。颗粒的回落会导致柱塞流的不稳定，甚至破坏柱塞流状态，对某些有特定要求的工艺产生较大影响。因此，需要实时测量柱塞流输送管路中颗粒的回落量，以便根据回落量的大小调整气力输送中的气相流量或固相流量，保持输送的稳定性。

Aijie Yan等人(Chemical Engineering Journal，化学工程杂志，2005，109：97-106)对颗粒回落量的检测方法为在输送颗粒管道中插入一颗粒捕集弯管，当气体夹带颗粒输送时被弯管捕集并输送到与弯管相连的取样装置，分析计算一段时间内的颗粒量，作为颗粒回落量。由于该方法为侵入式的检测方法，对输送过程的稳定性会造成影响、破坏柱塞流场，导致检测结果误差较大。

目前，关于柱塞流输送颗粒回落量的测量方法鲜有文献报道，已知检测方法弊端较多，检测误差较大。因此，发展一种可以快速、实时检测柱塞流颗粒回落量的方法，对于柱塞流研究和工业应用有着重大意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现在工业中由于柱塞流气力输送过程中输送颗粒的回落量难以准确测定的问题，通过非侵入式的检测手段，提供一种快速、稳定、实时的柱塞流颗粒回落量检测方法及装置。

柱塞流输送颗粒回落量的检测方法包含以下步骤：

(1)在管道外壁设置至少两组静电感应电极组，每组静电感应电极组包括至少一个静电感应电极，同组的静电感应电极布置于管道的同一圆截面上，相邻两组静电感应电极组之间的距离为L；在管道的外壁设有至少一组声波传感器组，用于接收管道内的声波信号，每组声波传感器组包括至少一个声波传感器，同组的声波传感器布置于管道的同一圆截面上；(2)对采集的声波信号进行预处理，去除噪声，得到声能量E；

(3)对采集的静电信号进行互相关分析，分别得到柱塞速度ν_plug及颗粒轴向速度ν_p,t；

(4)根据上述参数，由下式计算得到柱塞流输送颗粒的回落量M_cycle，

$M_{cycle}=\frac{\mathrm{\η}\[k_1+(k_1+{\mathrm{\μK}}_w)v_{plug}/v_{p,t}\]{(v_{plug}+v_{p,t})}^2}{E/t}$

式中，η为比例系数，k₁为声能转换系数，μ为壁面摩擦系数，K_w为应力转变系数，t为声发射信号的采样时间。

所述步骤(2)中，处理噪音的方法选用平滑模拟、微分法、多元散射校正、正交信号校正、傅里叶变换、小波变换、净分析信号中的一种或多种。

采集到的声波信号中包括了许多噪声，因此，消除噪声是十分关键及必要的。本发明的检测方法中的预处理方法中，平滑可以提高分析信号的信噪比，最常用的方法是移动式平均平滑法和Savizky-Golay多项式平滑。微分可以消除基线漂移、强化谱带特征、克服谱带重叠，是最常用的谱预处理方法，一阶微分可以去除同波长无关的漂移，二阶微分可以取出同波长线性相关的漂移。傅里叶变换能够实现谱域函数与时域函数之间的转换，其实质是把原声谱分解成许多不同频率的正弦波的叠加和，它可以用来对声谱进行平滑去噪、数据压缩以及信息的提取。小波变换能将信号根据频率的不同分解成多种尺度成分，并对大小不同的尺度成分采取相应粗细的取样步长，从而能够聚焦于信号中的任何部分。净分析信号算法的基本思想与正交信号校正基本相同，都是通过正交投影除去声谱阵中与待测组分无关的信息。

所述步骤(4)中，比例系数η随物系种类、工艺参数的改变而不同，通过具体实验标定计算获得，即在给定物系、工艺参数条件下，通过测定已知回落颗粒量的声能量确定该系数，并建立该系数的预测模型。

比例系数标定实验可使用侵入式回落量检测方式实现，即在输送颗粒管道内插入一颗粒捕集弯管，当气体夹带颗粒输送时被弯管捕集并输送到与弯管相连的取样装置，分析计算一段时间内的颗粒量，作为颗粒回落量M_cycle；同时将测得的声波信号及静电信号进行处理，得到声能量E及颗粒速度ν_p,t和柱塞流速度ν_plug，测量多组数据根据下式计算比例系数η、k₁、(k₁+μK_w)。

$E=\mathrm{\η}\[k_1+(k_1+{\mathrm{\μK}}_w)\frac{v_{plug}}{v_{p,t}}\]{(v_{p,t}+v_{plug})}^2{M}_{cycle}$

一种柱塞流输送颗粒回落量的检测装置，包括至少两组静电感应电极组，至少一组声波传感器组、信号放大装置、信号采集装置、信号处理装置、输出显示装置；静电感应电极组和声波传感器组均设置于管道外壁上；声波传感器组和信号放大装置相连，将声波信号转换为电信号输送到信号放大装置，信号放大装置和信号采集装置相连将放大后的信号传输到信号处理装置；静电感应电极组和信号采集装置相连，将静电信号传输到信号采集装置，信号采集装置与信号处理装置相连将采集到的信号进行分析，信号处理装置与输出显示装置相连将分析结果显示出来。

柱塞流输送颗粒回落量的控制方案为：首先设定柱塞流输送颗粒回落量的控制目标值，该值一般为破坏柱塞流状态的临界值；其次得到柱塞流输送颗粒回落量的测量值；再次，比较测量值和控制目标值，决定调整方向，若测量值低于控制目标值，说明颗粒回落量对柱塞流影响尚可接受，无需调整方案，若测量值高于目标控制值，则应加大输送气量或减少颗粒量，以降低颗粒回落量；最后，向控制装置输出控制信号，调节相应参数使柱塞流输送颗粒回落量低于控制目标值。

所述每组静电感应电极组包括1～8个静电感应电极，静电感应电极的形状为弧形状或环形状。

所述静电感应电极组至少为两组，相邻静电感应电极组的距离L为10～100mm。

所述每组声波传感器组包括1～10个声波传感器，沿管道的同一圆截面均匀分布。

所述每组声波传感器使用的采样频率范围在20Hz～200MH。

多传感器信息融合技术可以大幅提高信息的可信度和可探测性，增强系统的容错能力和自适应性，改进检测性能，提高空间分辨率，增加目标特征矢量的维数，从而提高整个检测系统的性能。本发明的技术方案中设置了声波传感器阵列，采用贝叶斯参数估算法或加权融合对多个声波传感器接收到的声波信号进行信息融合，可提高测量精度。

本发明中，静电检测电极和声波传感器均是非侵入式的。管道内输送颗粒在轴向上存在速度分布。为了减少测量误差，静电检测电极和声波传感器应尽可能接近。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明采用的声波和静电检测是非侵入式检测方法，检测过程中不会对管道内流体造成影响，检测装置简单、安全、环保，可适用于工业过程的在线实时检测；采用声波传感器及静电检测电极阵列，通过多传感器、多电极的数据融合可以有效消除局部信号差异，降低检测误差；基于声波和静电检测的柱塞流颗粒回落量技术与现有技术相比，更为灵敏，检测精度更高，避免了在检测过程中出现破坏柱塞流型的情况。

附图说明

图1是本发明的检测装置示意图；

图2是实施例1静电检测信号图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例的检测装置包括输送管道1、静电感应电极组2、声波传感器组3、信号放大装置4、信号采集装置5、信号处理装置6、输出显示装置7；静电感应电极2均设置于管壁上，声波传感器3设置于管道外壁与静电感应电极2处于同一高度；声波传感器3与信号放大装置4相连，将声波信号转换为电信号输送到信号放大装置，信号放大装置和信号采集装置5相连将放大后的信号传输到信号处理装置6；静电感应电极2和信号采集装置5相连，将静电信号传输到信号采集装置，信号采集装置与信号处理装置6相连将采集到的信号进行分析，信号处理装置与输出显示装置7相连将分析结果显示出来。

本实施例所用物料颗粒为筛分的聚丙烯粒料，平均粒径1500μm，密度900kg/m³。表观气速为5.5m/s，固体流率为0.010kg/s。采集柱塞流输送颗粒过程中的声波信号和静电信号。对采集的原始声波信号，采用5点移动平均对其进行预处理，得到声波信号能量是1.243×10⁵V²/s；如图2所示，利用静电信号的互相关分析方法得到柱塞和颗粒的速度，分别是v_plug＝1.117m/s，v_p,t＝-0.500m/s。模型参数分别为k₁＝0.1，μ＝0.3，K_w＝0.271，η为拟合值等于2.830×10^-4。根据回落量计算公式

$M_{cycle}=\frac{\mathrm{\η}\[k_1+(k_1+{\mathrm{\μK}}_w)v_{plug}/v_{p,t}\]{(v_{plug}+v_{p,t})}^2}{E/t}$

可计算得到固体回流的流率为0.00467kg/s，实际值为0.00468kg/s，相对误差为-0.33％。该结果表明，本发明提供的检测方法和检测装置可以用于柱塞流输送颗粒回落量的检测，且具有很好的精度。

实施例2

本实施例所用物料颗粒同实施例1，实验装置为在图1声波传感器组3处设置了4个声波探头，沿管道圆截面均匀分布。表观气速为4.0m/s，固体流率为0.010kg/s。采集柱塞流输送颗粒过程中的声波信号和静电信号。对采集的原始声波信号，采用5点移动平均对其进行预处理，得到声波信号能量是3.504×10⁵V²/s；利用静电信号的互相关分析方法得到柱塞和颗粒的速度，分别是v_plug＝2.075m/s，v_p,t＝-1.378m/s。模型参数分别为k₁＝0.1，μ＝0.3，K_w＝0.271，η为拟合值等于2.830×10^-4。根据回落量计算公式

$M_{cycle}=\frac{\mathrm{\η}\[k_1+(k_1+{\mathrm{\μK}}_w)v_{plug}/v_{p,t}\]{(v_{plug}+v_{p,t})}^2}{E/t}$

可计算得到固体回流的流率为0.01777kg/s，实际值为0.01817kg/s，相对误差为2.24％。该结果表明，本发明提供的检测方法和检测装置可以用于柱塞流输送颗粒回落量的检测，且具有很好的精度。

Claims (7)

1.一种柱塞流输送颗粒回落量的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在管道外壁设置至少两组静电感应电极组，每组静电感应电极组包括至少一个静电感应电极，同组的静电感应电极布置于管道的同一圆截面上，相邻两组静电感应电极组之间的距离为L；在管道的外壁设有至少一组声波传感器组，用于接收管道内的声波信号，每组声波传感器组包括至少一个声波传感器，同组的声波传感器布置于管道的同一圆截面上；

(2)对采集的声波信号进行预处理，去除噪声，得到声能量E；

(3)对采集的静电信号进行互相关分析，分别得到柱塞速度ν_plug及颗粒轴向速度ν_p,t；

(4)根据上述参数，由下式计算得到柱塞流输送颗粒的回落量M_cycle，

$M_{cycle}=\frac{\mathrm{\η}\[k_1+(k_1+{\mathrm{\μK}}_w){\mathrm{\ν}}_{plug}/{\mathrm{\ν}}_{p,t}\]{({\mathrm{\ν}}_{plug}+{\mathrm{\ν}}_{p,t})}^2}{E/t}$

式中，η为比例系数，k₁为声能转换系数，μ为壁面摩擦系数，K_w为应力转变系数，t为声发射信号的采样时间。

2.根据权利要求1所述的柱塞流输送颗粒回落量的声发射检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中，处理噪音的方法选用平滑模拟、微分法、多元散射校正、正交信号校正、傅里叶变换、小波变换、净分析信号中的一种或多种。

3.一种如权利要求1所述的柱塞流输送颗粒回落量的检测装置，其特征在于：包括至少两组静电感应电极组，至少一组声波传感器组、信号放大装置、信号采集装置、信号处理装置、输出显示装置；静电感应电极组和声波传感器组均设置于管道外壁上；声波传感器组和信号放大装置相连，将声波信号转换为电信号输送到信号放大装置，信号放大装置和信号采集装置相连将放大后的信号传输到信号处理装置；静电感应电极组和信号采集装置相连，将静电信号传输到信号采集装置，信号采集装置与信号处理装置相连将采集到的信号进行分析，信号处理装置与输出显示装置相连将分析结果显示出来。

4.根据权利要求3所述的柱塞流输送颗粒回落量的检测装置，其特征在于：每组静电感应电极组包括1～8个静电感应电极，静电感应电极的形状为弧形状或环形状。

5.根据权利要求3所述的柱塞流输送颗粒回落量的检测装置，其特征在于：所述静电感应电极组至少为两组，相邻静电感应电极组的距离L为10～100mm。

6.根据权利要求3所述的柱塞流输送颗粒回落量的检测装置，其特征在于：所述每组声波传感器组包括1～10个声波传感器，沿管道的同一圆截面均匀分布。

7.根据权利要求3所述的柱塞流输送颗粒回落量的检测装置，其特征在于：所述每组声波传感器使用的采样频率范围在20Hz～200MH。