CN107218975A - 基于螺旋式电容‑圆环式静电传感器的气固两相流检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于螺旋式电容‑圆环式静电传感器的气固两相流检测装置及方法，属于多相流检测领域。本发明结合了螺旋式电容传感器与圆环式静电传感器，通过螺旋式电容传感器的电容获得管内固相浓度，通过圆环式静电传感器检测管道中的颗粒与管道壁面以及颗粒之间的碰撞、摩擦、分离产生的静电噪声，采用互相关法快速获取固相流动速度；根据浓度与速度获取质量流量，实现对气固两相流的多参数测量。本发明是电容法与静电法的融合，发挥螺旋式电容传感器和圆环式静电传感器分别在浓度测量和速度测量方面的优势，简化了电极结构，提高了浓度、速度以及质量流量的检测精度和采样效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对管道中气固两相流的多参数检测方法，属于多相流检测的技术领域。
背景技术
用于气固两相流检测的方法很多，如电容层析成像法、高速成像、微波法、静电法等。
电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT)技术是上世纪80年代发展起来的一种多相流检测技术，通过电容传感器获得管道截面上介质的介电常数分布从而获得介质的分布图像，具有成本低廉、响应速度快、非侵入性、适用范围广、安全性好的优点，在石油管道的气/油两相流和油/水两相流，气力输送的气/固两相流等方面具有广泛的应用。
从ECT重建的图像中可以提取固相浓度，采用双截面电容传感器则可从浓度序列中提取速度。但由于其自身理论尚不够完善，比如软场效应、非线性误差等问题，使得成像精度不够高。另外，由于ECT图像重建算法复杂，难以做到实时成像，可靠性差，仅适合于科学研究，不太适用于工业过程参数的检测。
电极电容传感器结构简单，不需要电极切换，采样速率高。采用螺旋电极结构可以有效改善流型对传感器特性的影响，在浓度测量上具有良好的线性度和稳定性。但是螺旋结构轴向长度大，不太适合用双截面结构相关获得速度，所以需要其他传感器配合实现速度的测量，以实现流量的测量。
静电法是基于流动固相颗粒荷电特性实现两相流参数检测的。在气力输送过程中，由于颗粒与管道壁面以及颗粒之间的碰撞、摩擦、分离，颗粒会携带大量的电荷。通过对颗粒流动过程中产生的静电噪声的检测，并结合适当的信号处理方法，可实现提取颗粒的浓度，甚至颗粒粒径的有效信息。静电法检测装置具有结构简单、成本低、灵敏度高的优点。但在检测气固两相流的浓度时，由于固相颗粒的许多物理特性(如颗粒形状、大小、分布、导电率、介电常数、化学组分、含水量等)以及流动条件(如管道尺寸、管壁的粗糙度等)都对相浓度的测量结果有较大影响，标定过程负载且没有通用性，所有目前还没有很好的解决办法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述背景技术中存在的缺陷和不足，本发明提出一种螺旋式电容-圆环式静电传感器的气固两相流检测的方法,主要实现对气固两相流流动过程中的颗粒相的浓度、速度及流量等参数的精准检测。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明首先提出一种输送管道中气固两相流检测装置，所述装置包括设置在管道上的圆环式静电传感器、螺旋式电容传感器，且在管道介质流动方向上所述圆环式静电传感器的安装位置位于螺旋式电容传感器的上游；其中，所述圆环式静电传感器包括2个依次设置的静电检测圆环，且2个静电检测圆环之间存在间隔L；所述螺旋式电容传感器包括1个螺旋式检测极板和1个螺旋式激励极板，且检测极板相对于激励极板沿管道轴向方向旋转180°设置；所述圆环式静电传感器用于测量管道内固相颗粒的平均流动速度，螺旋式电容传感器用于检测管道内固相的平均浓度。
进一步的，本发明的输送管道中气固两相流检测装置，还包括用于完全包裹住圆环式静电传感器、螺旋式电容传感器的屏蔽层。
进一步的，本发明的输送管道中气固两相流检测装置，所述间隔L由传感器所处实际测量环境中管道的内径以及管壁厚度、管道材料的介电常数决定。
进一步的，本发明的输送管道中气固两相流检测装置，螺旋式检测极板和螺旋式激励极板之间设置有保护电极。
另一方面，本发明还提出一种基于上述输送管道中气固两相流检测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤A，通过对颗粒流动过程中产生的静电噪声进行检测，先后分别从2个静电检测圆环处测得信号x(t)和y(t)，通过互相关算法计算出固相颗粒的流动速度V；
步骤B，在管道中，当有颗粒流过螺旋式电容传感器时，以气力输送颗粒料为测试对象，通过测量螺旋式电容传感器的2个螺旋电极间电容以获得螺旋式电容传感器内部固相平均浓度；
步骤C，根据螺旋式电容传感器获取的固相平均浓度以及通过圆环式静电传感器得到的固相速度V计算出固相的体积流量，从而可进一步算得固相质量流量。
进一步的，上述检测方法中，所述步骤A互相关算法是利用互相关法获取两组信号间的延迟时间τ，根据公式V＝L/τ，进一步计算得到颗粒速度V。
进一步的，上述检测方法中，所述步骤B通过有限元分析方法得到螺旋式电容传感器的输出电容和固相平均浓度之间的关系，从而由测出的螺旋电极间电容计算出固相平均浓度。
进一步的，上述检测方法中，在螺旋式激励极板上施加一定频率的周期性激励信号，在螺旋式检测极板上感应出的信号幅值与电容大小成正比，从而实现螺旋式电容传感器的输出电容的检测。
进一步的，上述检测方法中，质量流量的具体计算公式如下：
其中，M代表固相质量流量，V(x,y)代表根据2个静电检测圆环检测得到的固相颗粒的流动速度，g(x,y)代表螺旋式电容传感器获取的内部固相平均浓度，ρ代表固相密度，p代表传感器管道界面区域。
进一步的，上述检测方法中，螺旋式电容传感器的输出电容和固相平均浓度之间的关系为：固相平均浓度g＝(测量电容-空管电容)/(满管电容-空管电容)。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、简化了电极结构。本发明采用螺旋式电容电极和圆环式静电检测电极。螺旋式电容传感器实现固相浓度检测，圆环式静电传感器实现固相平均速度测量，再由固相浓度和速度获取固相的体积流量。与传统的ECT传感器相比，减少了电极数量，简化了电极结构，没有电极切换环节，使得传感器在制作工序上更加简单，提高了电容和静电传感器的采样频率，系统运行更加可靠，能够更加高效的实现管道中平均速度与浓度值的获取。
2、提高了采样效率。本发明涉及螺旋式电容传感器与圆环式静电传感器，检测过程中无需进行电极的切换，提高了系统的采样频率，使得参数检测更加高效，满足对高速流动的检测，如电厂二次风。
3、提高了浓度、速度以及质量流量的检测精度。本发明将电容法与静电法相结合，设计的螺旋极板式电容传感器有效解决输出电容对流型敏感的问题。由于电容传感器仅完成浓度测量，不增加传感器轴向长度情况下，可以增加螺旋电容电极轴向长度，从而提高了浓度检测的灵敏度；发挥静电传感器在速度测量上的灵敏度高、体积小的优势，摒弃了静电传感器在浓度提取上存在的不确定问题；质量流量是通过浓度与速度的乘积并进行积分得到的，浓度与速度的误差决定了质量流量的测量精度。
附图说明
图1是本发明中的传感器设置结构图，流体从左向右流动，A-A截面为螺旋式电容传感器的截面图。图中标号解释：1为螺旋式电容传感器的激励极板，2为螺旋式电容传感器的检测极板，3为螺旋式电容传感器的保护电极，4为圆环式静电传感器的2个静电检测环，5为传感器外围屏蔽罩，6为流动管道。
图2是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明主要是针对管道中气固两相流的多参数检测，包括浓度、速度以及质量流量的测量。本发明相比传统的ECT电容传感器和静电传感器，既避免了电容传感器在浓度测量中对流型敏感且灵敏度低的问题，又避免了静电传感器在浓度测量中受管道介质、颗粒特性影响的问题。
螺旋式电容传感器与圆环式静电传感器相融合的气固两相流检测方法由螺旋式电容传感器与圆环式静电传感器两部分组合，圆环式静电传感器位于传感器管道的上游。螺旋式电容传感器包括螺旋形激励极板1、螺旋形检测极板2，螺旋形保护电极3和屏蔽层5，其中激励极板1、检测极板2和保护电极3均沿管道圆周旋转180°。圆环式静电传感器包括2个静电检测电极环4，2个检测电极环间距离为L，间隔L由传感器所处实际测量环境中管道的内径以及管壁厚度、管道材料的介电常数决定。屏蔽层5则是用于完全包裹住激励极板1与检测极板2以及静电检测电极环4。
本发明为螺旋式电容传感器和圆环式静电传感器相结合的气固两相流检测方法，参考图2所示，具体的检测方法包括以下几个步骤：
步骤A，颗粒先通过静电传感器的过程中，颗粒与管道6壁面以及颗粒之间发生碰撞、摩擦、分离，产生电荷。通过对颗粒流动过程中产生或感应的静电进行检测，分别从上下游传感器测得信号x(t)和y(t)，通过互相关算法计算出固相颗粒的流动速度V。互相关算法是利用互相关法获取两组信号间的延迟时间τ，根据公式V＝L/τ，进一步计算得到颗粒速度V。
步骤B，固相颗粒通过螺旋式电容传感器，引起管内等效介电常数的变化，从而改变螺旋激励极板和螺旋检测极板间电容。通过有限元分析方法得到螺旋式式电容传感器的输出电容和固相平均浓度之间的关系，拟合出输出电容和固相平均浓度的关系函数。检测电路测量传感器电极间电容，根据螺旋式电容传感器颗粒浓度和电容间关系提取固相浓度g。
步骤C，根据圆环式静电传感器相关出的颗粒速度V和螺旋式电容传感器获取的浓度值g计算出体积流量值，在颗粒密度已知的情况下，可以计算出质量流量。质量流量的具体计算公式如下：
其中，M代表固相质量流量，V(x,y)代表根据2个静电检测圆环检测得到的固相颗粒的流动速度，g(x,y)代表螺旋式电容传感器获取的内部固相平均浓度，ρ代表固相密度，p代表传感器管道界面区域。
进一步的，上述检测方法中，螺旋式电容传感器的输出电容和固相平均浓度之间的关系为：固相平均浓度g＝(测量电容-空管电容)/(满管电容-空管电容)。
以下以煤粉和空气混合物输送为测试对象，对本发明提供的气固两相流检测方法及功效详细说明，为了简单清楚地目的，下文恰当的省略了公知技术的描述以免那些不必要的细节影响对本技术方案的描述。
如图1，当流体流过管道时，先经过圆环式静电传感器，再经过螺旋式电容传感器。本发明利用圆环式静电传感器的2个电极环测量固相颗粒的平均流动速度，利用螺旋式电容传感器检测管内固相的平均浓度，再根据浓度与速度算得固相质量流量。
当颗粒经过静电传感器时，颗粒在管道中与管道壁面以及颗粒之间的碰撞、摩擦、分离等产生静电，圆环式静电传感器上、下游两个静电检测环被动产生的静电，检测到的静电信号具有相关性，利用互相关算法获取固相颗粒在管道中的流速V。静电环间的间距L由采样速度、固相速度和测量精度共同决定。固相颗粒在经过2个静电环的时间差内，采样的点数应该足够大才能保证足够的测速精度。以电厂锅炉供粉为例，若粉体速度为15m/s的情况下，静电数据采集的速率为50kHz，为保证速度测量误差小于0.5％，采样点数应该不小于200点，则粉体经过上下游静电环的时间差为200/50000＝4毫秒，因此，两静电环间的间距L＝速度乘以时间＝15米/秒X4毫秒＝60毫米。
颗粒经过螺旋式电容传感器时，引起管内等效介电常数发生变化，从而引起2个螺旋电容电极间电容的变化。在螺旋式电容激励极板上施加一定频率的周期性激励信号，在螺旋式电容检测极板上感应出的信号幅值与电容大小成正比，从而实现电容传感器电容的检测。
最后，根据固相颗粒的浓度与流速计算质量流量。
通过以上介绍的具体检测方法，可以精确获取煤粉与空气混合物在管道中流动是的平均浓度，平均流速以及固相质量流量，可以实时了解管道中流体的流动情况，能够有效监测流体流动过程中的不稳定因素以及防堵塞等类似事件的发生。
本发明结合了螺旋式电容传感器与圆环式静电传感器，通过螺旋式电容传感器的电容获得管内固相浓度；通过静电传感器检测管道中的颗粒与管道壁面以及颗粒之间的碰撞、摩擦、分离产生的静电噪声，采用互相关法快速获取固相流动速度；根据浓度与速度获取质量流量，实现对气固两相流的多参数测量。电容传感器的螺旋电极结构有效改善普通2电极电容传感器对流型敏感的问题，静电传感器结构简单紧凑，适合于速度的测量。
本发明是电容法与静电法的融合，发挥螺旋式电容传感器和圆环式静电传感器分别在浓度测量和速度测量方面的优势。采用单截面电容传感器缩小了传感器结构尺寸的同时，有效提高电容传感器浓度检测的灵敏度，采用紧凑的圆环式静电传感器可以有效提高上下游电极间的相关性。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种输送管道中气固两相流检测装置，其特征在于：所述装置包括设置在管道上的圆环式静电传感器、螺旋式电容传感器，且在管道介质流动方向上所述圆环式静电传感器的安装位置位于螺旋式电容传感器的上游；其中，所述圆环式静电传感器包括2个依次设置的静电检测圆环，且2个静电检测圆环之间存在间隔L；所述螺旋式电容传感器包括1个螺旋式检测极板和1个螺旋式激励极板，且检测极板相对于激励极板沿管道轴向方向旋转180°设置；所述圆环式静电传感器用于测量管道内固相颗粒的平均流动速度，螺旋式电容传感器用于检测管道内固相的平均浓度。
2.根据权利要求1所述的输送管道中气固两相流检测装置，其特征在于：还包括用于完全包裹住圆环式静电传感器、螺旋式电容传感器的屏蔽层。
3.根据权利要求1所述的输送管道中气固两相流检测装置，其特征在于：所述间隔L由传感器所处实际测量环境中管道的内径以及管壁厚度、管道材料的介电常数决定。
4.根据权利要求1所述的输送管道中气固两相流检测装置，其特征在于：螺旋式检测极板和螺旋式激励极板之间设置有保护电极。
5.一种基于权利要求1至4任一所述的输送管道中气固两相流检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，通过对颗粒流动过程中产生的静电噪声进行检测，先后分别从2个静电检测圆环处测得信号x(t)和y(t)，通过互相关算法计算出固相颗粒的流动速度V；
步骤B，在管道中，当有颗粒流过螺旋式电容传感器时，以气力输送颗粒料为测试对象，通过测量螺旋式电容传感器的2个螺旋电极间电容以获得螺旋式电容传感器内部固相平均浓度；
步骤C，根据螺旋式电容传感器获取的固相平均浓度以及通过圆环式静电传感器得到的固相速度V计算出固相的体积流量，从而可进一步算得固相质量流量。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：所述步骤A互相关算法是利用互相关法获取两组信号间的延迟时间τ，根据公式V＝L/τ，进一步计算得到颗粒速度V。
7.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：所述步骤B通过有限元分析方法得到螺旋式电容传感器的输出电容和固相平均浓度之间的关系，从而由测出的螺旋电极间电容计算出固相平均浓度。
8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于：在螺旋式激励极板上施加一定频率的周期性激励信号，在螺旋式检测极板上感应出的信号幅值与电容大小成正比，从而实现螺旋式电容传感器的输出电容的检测。
9.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：质量流量的具体计算公式如下：
<mrow>
<mi>M</mi>
<mo>=</mo>
<mi>&rho;</mi>
<mover>
<mo>&Integral;</mo>
<mi>p</mi>
</mover>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>x</mi>
<mo>,</mo>
<mi>y</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>g</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>x</mi>
<mo>,</mo>
<mi>y</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>d</mi>
<mi>x</mi>
<mi>d</mi>
<mi>y</mi>
</mrow>
其中，M代表固相质量流量，V(x,y)代表根据2个静电检测圆环检测得到的固相颗粒的流动速度，g(x,y)代表螺旋式电容传感器获取的内部固相平均浓度，ρ代表固相密度，p代表传感器管道界面区域。
10.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于：螺旋式电容传感器的输出电容和固相平均浓度之间的关系为g＝(测量电容-空管电容)/(满管电容-空管电容)。
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