CN110376399A - 颗粒流动参数的测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颗粒流动参数的测量系统及测量方法，其中测量系统包括传感器装置、检测电路以及信号采集与处理模块，所述检测电路用于提取所述传感器装置输出的检测信号，所述信号采集与处理模块根据所述检测电路提取的信号得到颗粒流动参数，所述传感器装置包括检测套管、两个响应电极以及一个激励电极；所述检测套管具有内部检测通道；所述两个响应电极及一个激励电极沿所述检测套管轴向间隔布置在所述检测套管的内表面并与所述检测通道直接接触；在所述响应电极与激励电极之间设置有用于电隔离的隔离单元，所述隔离单元设置在响应电极与激励电极的间隔位置。本发明可防温度漂移，同时能提高速度测量的准确性和可靠性。

Description

颗粒流动参数的测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种颗粒流动参数的测量系统及测量方法。

背景技术

气固两相流体系广泛存在于能源、化工、食品及冶金等工业领域。随着现代工业的发展，对工业过程参数检测与控制的要求越来越高，气固两相流动参数的准确测量对工业过程控制及安全高效运行具有重要的现实意义。

对于气固两相流中固相颗粒流动参数(速度、浓度、质量流量)的电学测量方法主要包括静电法和电容法两种。静电法是利用气固两相流中颗粒的荷电现象发展而来的颗粒流动参数测量方法，通过在颗粒流动管道上布置静电传感器来获得颗粒的荷电信息，结合互相关信息处理等技术可进一步计算颗粒流动速度信息，但此方法要求颗粒必须带电，且不适用于颗粒绝对浓度的测量。电容法的基本原理是混合物浓度发生变化时其等效介电常数也会变化，从而导致电容传感器电容值发生变化，在颗粒流动管道布置电容传感器来获得其电容信息，进而可实现颗粒浓度测量。电容法结合互相关信号处理技术也可用于颗粒的速度测量，但要求浓度必须有一定的波动。此外，传统的电容传感器测量装置，其激励电极和响应电极是贴于有机玻璃管等绝缘材料制作而成的管道外侧，当温度发生变化时，材料的介电常数也会随之变化，从而引起温度漂移问题，影响颗粒浓度的准确测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提出一种防温度漂移的提高速度测量的准确性和可靠性的颗粒流动参数测量系统及颗粒流动参数测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种颗粒流动参数的测量系统，包括传感器装置、检测电路以及信号采集与处理模块，所述检测电路用于提取所述传感器装置输出的检测信号，所述信号采集与处理模块根据所述检测电路提取的信号得到颗粒流动参数，其特征在于：

所述传感器装置包括检测套管、两个响应电极以及一个激励电极；所述检测套管具有内部检测通道；所述两个响应电极及一个激励电极沿所述检测套管轴向间隔布置在所述检测套管的内表面并与所述检测通道直接接触；在所述响应电极与激励电极之间设置有用于电隔离的隔离单元，所述隔离单元设置在响应电极与激励电极的间隔位置；

所述检测电路为两个，分别与一个响应电极相连用于提取响应电极输出信号中的电容信号和静电信号。

所述隔离单元包括绝缘环及设置在绝缘环间的保护电极。保护电极接地，从而使激励和响应电极之间的电容不受绝缘环介电常数随温度变化的影响。

所述激励电极与检测套筒之间设置有隔离层。

所述信号采集与处理模块得到颗粒流动参数的方法是：

由静电信号做互相关计算得到的颗粒速度值为V₁，其相关系数为cc₁；由电容信号做互相关计算得到的颗粒速度值为V₂，其相关系数为cc₂；

设定一阀值cc_m，取值在0.4和0.6之间；根据相关系数cc₁和cc₂与阀值cc_m的关系，确定最终的颗粒速度值：

若cc_m＜cc₁≤1，0＜cc₂＜cc_m，则颗粒的速度值V为：V＝V₁；

若0＜cc₁＜cc_m，cc_m＜cc₂≤1，则颗粒的速度值V为：V＝V₂；

若cc_m＜cc₁≤1，cc_m＜cc₂≤1，则颗粒的速度值V为：

若0＜cc₁＜cc_m，0＜cc₂＜cc_m，则表明颗粒速度测量结果不可靠。

一种颗粒流动参数的测量方法，其特征在于，包括：

通过第一响应电极获取检测区域的第一检测信号，通过第二响应电极获取检测区域的第二检测信号；

提取第一响应电极的电容信号和静电信号，提取第二响应电极的电容信号和静电信号；

对提取的第一响应电极的静电信号和第二响应电极的静电信号做互相关计算得到颗粒速度值V₁；对提取的第一响应电极的电容信号和第二响应电极的电容信号做互相关计算得到颗粒速度值V₂；其相关系数为cc₁；其相关系数为cc₂；

确定最终的颗粒速度值V：

若cc_m＜cc₁≤1，0＜cc₂＜cc_m，则颗粒的速度值V为：V＝V₁；

若0＜cc₁＜cc_m，cc_m＜cc₂≤1，则颗粒的速度值V为：V＝V₂；

若cc_m＜cc₁≤1，cc_m＜cc₂≤1，则颗粒的速度值V为：

若0＜cc₁＜cc_m，0＜cc₂＜cc_m，则表明颗粒速度测量结果不可靠。

其中，cc_m为设定的阀值，取值在0.4和0.6之间；cc₁为静电信号做互相关计算的相关系数，cc₂与为电容信号做互相关计算的相关系数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出一种防温度漂移的测量系统及颗粒流动参数测量方法，响应电极和激励电极位于检测套管的内表面并与检测通道直接接触，没有内衬管的存在，可以防止由于温度变化引起的温度漂移问题。同时，由于保护电极的存在，提高了灵敏度。同时可获得两个静电信号和两个电容信号，结合互相关信号处理技术，可以获得由静电信号做互相关测得的颗粒速度和由电容信号做互相关测得的颗粒速度，最后通过比较相关系数，进行信息融合得到颗粒的速度值，速度测量结果可靠性提高；两个电容信号都可用于颗粒浓度测量，通过计算两个浓度的平均值得到更精确的浓度值；进而可以计算颗粒的质量流量。

附图说明

图1为颗粒流动参数测量系统图；

图2为传感器装置的结构示意图；

图3为I/V转换电路及带通滤波器和低通滤波器图；

其中：1、传感器装置；2、检测电路；3、信号采集与处理模块；4、外筒套管；5、导电螺钉；6、内筒套管；7、检测电极；71、激励电极；72、第一响应电极；73、第二响应电极；8、绝缘材料圆环；9、两个保护电极。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明：

图1为颗粒流动参数测量系统原理框图，包括传感器装置1、检测电路2、数字信号采集与处理模块3。

传感器装置1的结构，如图2所示，包括一个激励电极71和两个响应电极72，73，外筒套管4，导电螺钉5，内筒套管6，绝缘材料圆环8以及两个保护电极9。各部分通过挤压整合在一起。

绝缘材料圆环8以及两个保护电极9构成隔离保护单元，隔离单元设置在响应电极与激励电极的间隔位置。

检测电路2为两个，分别与一个响应电极相连用于提取响应电极输出信号中的容信号和静电信号。两个检测电路的信号输出均连接至数字信号采集与处理模块3，通过信号采集与处理模块3计算得到颗粒流动参数。

相比较传统的电容传感器测量装置，本传感器装置的电极直接与测量区域接触，没有内衬管的存在，可以防止由于温度变化引起的温度漂移问题。同时，由于保护电极的存在，提高了灵敏度。

图3为I/V转换电路及带通滤波器和低通滤波器图，分别用于电容信号和静电信号的提取，其中，10为带通滤波器输出端，11为低通滤波器输出端。包括DDS信号发生器，电阻R_f、R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇和R₈，电容C_f、C₁、C₂、C₃、C₄，信号放大器U₁、U₂、和U₃。

当气固两相流通过传感器的电极时，将一个高频交流电压V_s作用在激励电极上，作为电容信号的激励源，在响应电极上即可产生与激励电极和响应电极间电容成比例的电容信号C_x，该信号与颗粒的浓度成单调递增关系；另一方面，颗粒在运动过程中因颗粒之间以及颗粒与管道之间的碰撞和摩擦会带有一定量的电荷，根据静电感应原理响应电极可获得与颗粒荷电有关的静电信号。因此，响应电极同时获得电容信号和静电信号。

当气体输送固体颗粒通过传感器电极时，响应电极同时收集由颗粒携带的静电荷和激励电压Q_E和Q_C引起的电荷(Q)。根据叠加定理，

Q＝Q_E+Q_C (1)

假设颗粒所带有的等效电荷为Q，在激励电极上施加由DDS信号发生器产生的正弦信号V_s，根据流过响应电极的电流等于流过反馈电阻R_f和反馈电容C_f的电流之和可得：

其中q为等效电荷为Q在电极上感应出的电荷量，ω_q为静电信号的角频率。

检测电路用于实现电容信号和静电信号的转换和提取。在实际测量中，激励信号V_s采用的高频交流电压，通常在10⁶Hz数量级，感应电荷q的频率与传感器电极大小和输送颗粒速度有关，通常处于低频范围，一般在10～10²Hz数量级，因此可以采用一个低通滤波器和一个带通滤波器来实现以上两不同频带信号的提取，可以得到静电信号V_E1、V_E2，以及电容信号V_c1、V_c2。最后是数字信号采集与处理模块。

将获得的两个静电信号和两个电容信号，结合互相关信号处理技术，得到由静电信号做互相关测得的颗粒速度和由电容信号做互相关测得的颗粒速度。最后通过比较相关系数，进行信息融合得到颗粒的速度值。

对于以采样频率f采集到的两组信号序列x_i和y_i，(i＝1，2，3，...，N)，其互相关函数为：

n为偏移点数，其函数最大值对应的偏移点数记为M，则速度可以根据以下计算：

V＝L*f/M

其中，L为两个响应电极之间的距离。

相关系数的计算公式为：

其中，x_i和y_i(i＝1，2，3，...，N)是第一响应电极和第二响应电极的输出信号，N是采样点数，M是由相关函数确定的两信号的偏移点数，和表示x和y的平均值。相关系数的范围为0到1，其值越大表明上下游信号的相似度较高，则颗粒速度测量的可靠性越高。一般来说，只有当相关系数大于一定阀值(cc_m)时才能认为速度测量结果时可靠的，cc_m一般根据流动状态和传感器结构确定，可取值在0.4和0.6之间。

假设由静电信号做互相关测得的颗粒速度值为V₁，其相关系数为cc₁；由电容信号做互相关测得的颗粒速度值为V₂，其相关系数为cc₂。

1)若cc_m＜cc₁≤1，0＜cc₂＜cc_m，则颗粒的速度值为V＝V₁；

2)若0＜cc₁＜cc_m，cc_m＜cc₂≤1，则颗粒的速度值为V＝V₂；

3)若cc_m＜cc₁≤1，cc_m＜cc₂≤1，则颗粒的速度值为

4)若0＜cc₁＜cc_m，0＜cc₂＜cc_m，则表明颗粒速度测量结果不可靠。

电容信号用于颗粒的浓度测量时，对于已知的传感器测量装置来说，所测得的等效电容主要受颗粒浓度、气体和固体的类型这些因素的影响。在测量颗粒浓度之前需对浓度进行标定，颗粒的浓度β引起的电容变化量为ΔC_x，通过电容检测电路转换为电压信号V_c。该电压信号V_c与颗粒浓度的函数关系式可表示为：

V_c＝f(β)

其中，f(β)为测量系统对颗粒浓度的响应，取决于被测颗粒的浓度。通过将一定量的颗粒填充在传感器敏感区域内，得到一系列的测量点(V_c，β)，然后通过曲线拟合可得它们之间的函数关系。两个响应电极获得两个电容信号，通过上述标定过程，得到两个浓度标定结果，通过计算它们的平均值可以得到更加精确的浓度值。

在获得颗粒的速度和浓度后，可以计算气力输送传感器装置横截面上的颗粒的质量流量M：

M＝A·V·β

其中，A为传感器装置的横截面积。

Claims (8)

1.一种颗粒流动参数的测量系统，包括传感器装置、检测电路以及信号采集与处理模块，所述检测电路用于提取所述传感器装置输出的检测信号，所述信号采集与处理模块根据所述检测电路提取的信号得到颗粒流动参数，其特征在于：

所述传感器装置包括检测套管、两个响应电极以及一个激励电极；所述检测套管具有内部检测通道；所述两个响应电极及一个激励电极沿所述检测套管轴向间隔布置在所述检测套管的内表面并与所述检测通道直接接触；在所述响应电极与激励电极之间设置有用于电隔离的隔离单元，所述隔离单元设置在响应电极与激励电极的间隔位置；

所述检测电路为两个，分别与一个响应电极相连用于提取响应电极输出信号中的电容信号和静电信号。

2.根据权利要求1所述的颗粒流动参数的测量系统，其特征在于：所述隔离单元包括绝缘环及设置在绝缘环间的保护电极。

3.根据权利要求2所述的颗粒流动参数的测量系统，其特征在于：所述激励电极与检测套筒之间设置有隔离层。

4.根据权利要求1所述的颗粒流动参数的测量系统，其特征在于：所述激励电极为圆环形，所述响应电极为圆环形。

5.根据权利要求1所述的颗粒流动参数的测量系统，其特征在于：在所述激励电极上设置有激励信号引入端子，在所述响应电极上设置有引号引出端子。

6.根据权利要求1所述的颗粒流动参数的测量系统，其特征在于：所述信号引入端子为导电螺钉，所述信号导出端子为导电螺钉。

7.根据权利要求1-6任一所述的颗粒流动参数的测量系统，其特征在于：所述信号采集与处理模块得到颗粒流动参数的方法是：

由静电信号做互相关计算得到的颗粒速度值为V₁，其相关系数为cc₁；由电容信号做互相关计算得到的颗粒速度值为V₂，其相关系数为cc₂；

设定一阀值cc_m，取值在0.4和0.6之间；根据相关系数cc₁和cc₂与阀值cc_m的关系，确定最终的颗粒速度值：

若cc_m＜cc₁≤1，0＜cc₂＜cc_m，则颗粒的速度值V为：V＝V₁；

若0＜cc₁＜cc_m，cc_m＜cc₂≤1，则颗粒的速度值V为：V＝V₂；

若cc_m＜cc₁≤1，cc_m＜cc₂≤1，则颗粒的速度值V为：

若0＜cc₁＜cc_m，0＜cc₂＜cc_m，则表明颗粒速度测量结果不可靠。

8.一种基于权利要求1-7任一所述测量系统的颗粒流动参数的测量方法，其特征在于，包括：

通过第一响应电极获取检测区域的第一检测信号，通过第二响应电极获取检测区域的第二检测信号；

提取第一响应电极的电容信号和静电信号，提取第二响应电极的电容信号和静电信号；

对提取的第一响应电极的静电信号和第二响应电极的静电信号做互相关计算得到颗粒速度值V₁；对提取的第一响应电极的电容信号和第二响应电极的电容信号做互相关计算得到颗粒速度值V₂；其相关系数为cc₁；其相关系数为cc₂；

确定最终的颗粒速度值V：

若cc_m＜cc₁≤1，0＜cc₂＜cc_m，则颗粒的速度值V为：V＝V₁；

若0＜cc₁＜cc_m，cc_m＜cc₂≤1，则颗粒的速度值V为：V＝V₂；

若cc_m＜cc₁≤1，cc_m＜cc₂≤1，则颗粒的速度值V为：

若0＜cc₁＜cc_m，0＜cc₂＜cc_m，则表明颗粒速度测量结果不可靠。

其中，cc_m为设定的阀值，取值在0.4和0.6之间；cc₁为静电信号做互相关计算的相关系数，cc₂与为电容信号做互相关计算的相关系数。