CN111220242A - 一种测量物料沉积的检测终端及检测方法 - Google Patents
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- G01G3/12—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing
Abstract
本发明为一种测量物料沉积的检测终端及检测方法，所述检测终端包括电容天线、绝缘片及电容测量单元；所述电容天线输出的信号源入射功率与反射功率之比S11和管内沉积层厚度成正相关；所述绝缘片紧贴在双套管底部，绝缘片上固定电容天线，电容天线的接地端直接固定在管道底部，管道底部接地；电容天线的馈电端通过导线引出管壁连接电容测量单元内的芯片引脚，电容测量单元再通过SPI接口连接外部数据采集监测部分。该检测终端基于电容效应，并能检测出双套管单位面积上的沉积量，适用于长距离、大出力的管道。
Description
技术领域
本发明涉及物料沉积检测技术领域，具体涉及一种测量物料沉积的检测终端及检测方法。
背景技术
气力输送已然在电力、食品、采矿、冶金、化工及制药等工业领域广泛应用，特别是在火力发电厂内，应用双套管输送颗粒状物料时，可实现对物料的大出力，长距离输送。然而在输送过程中无法实时监测管道内物料沉积的状况，当物料沉积过于严重时，无法及时处理，严重时将导致系统完全瘫痪，危害设备安全。为保障输送设施的安全运行，方便有效的物料检测终端势在必然。
目前，市场上很少有监控气力输送中管道内物料沉积的结构，对于物料沉积量的检测大都采用人工手动检测的方法，也有远距离无线检测，如中国专利(专利号为201210277057.7) 提出了一种微尘沉积量的远程监控系统及检测方法，基于光电效应，在积尘槽的底部安装菲涅尔透镜，根据积尘对光强变化的影响转换成积尘重量。但其检测终端过于复杂，占用空间较大，基于光电效应只能监测少量的沉积量，无法应用于大出力，长距离输送的双套管结构。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种测量物料沉积的检测终端及检测方法。基于电容效应设计出检测终端，并能检测出双套管单位面积上的沉积量。
为解决背景技术中所存在的问题，本发明采用以下的技术方案是：提供一种测量物料沉积的检测终端，所述检测终端包括电容天线、绝缘片及电容测量单元；所述电容天线输出的信号源入射功率与反射功率之比S11和管内沉积层厚度成正相关；所述绝缘片紧贴在双套管底部，绝缘片上固定电容天线，电容天线的接地端直接固定在管道底部，管道底部接地；电容天线的馈电端通过导线引出管壁连接电容测量单元内的芯片引脚，电容测量单元再通过SPI 接口连接外部数据采集监测部分。
一种测量物料沉积的检测方法，其包括以下步骤：
1)选定电容天线使S11和管内沉积层厚度成正相关，当物料沉积在电容天线的表面上时，通过电容测量单元监测电容天线的充放电时间，获得相应电容的变化值；
2)使用AMS传感器公司制造的PCAP02芯片及其外围电路作为电容测量单元，电容天线的馈电端通过导线连接在PCAP02芯片的输入引脚上；通过电容测量单元实时获取沉积位置的沉积参数并记录当前沉积位置的编号，包括沉积位置当前的电容值，并根据电容与沉积质量的关系获得当前沉积质量，最后根据沉积质量与密度和体积的关系核算出当前管道内沉积层的厚度；
3)外部数据采集监测部分获取电容测量单元的数据信息，并对该数据信息进行进一步的处理，应用于现场环境，实现对管道内物料沉积的实时在线监测管理。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明基于电容效应设计出检测终端，当物料沉积在电容天线的表面上时，由于电容的增大(天线的介电常数增大，电容也应增大)，输出的信号源入射功率与反射功率之比S11也随之改变，并与沉积层厚度成正相关变化，进而计算出物料的沉积量。监测数据更为精准，相较于原有基于光电效应设计出检测终端，监测沉积量的范围更大。
2、电容天线为面阵型传感器，工作温度范围是-20℃至80℃，在9.5GHz至12.5GHz范围内基于渐变各向异性零折射率材料的电容天线都有很好性能，并且其具有容易制造、集成、宽频带、便携等优点，并且结构简单，占用空间小，易于安装。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的设计方案，下面结合附图及具体实施方案对本发明作进一步说明。
图1为本发明一种测量物料沉积的检测终端安装在现场后的系统结构示意图；
图2为本发明一种测量物料沉积的检测终端的结构示意图；
图3为本发明一种测量物料沉积的检测终端的电容天线的结构示意图；
图4为本发明一种测量物料沉积的检测终端的PCAP02芯片的结构示意图；
图4是PCAP02芯片的电路图，电容天线的馈电端通过导线接入PCAP02芯片内PC0-PC5 任一管脚，再插入SPI接口，将信息传递出去。这里信息是根据监测电容天线的放电时间时，获得相应的电容。工作原理就是当物料沉积在电容天线21的表面上时，由于电容的增大，电容天线21的谐振频率点也随之增加，这引起电容天线21的频率点的偏移，则输出的信号源入射功率与反射功率之比S11也随之改变，并且S11值与沉积层厚度成正相关变化，进而可计算出物料的沉积量。
图5(a)为本发明一种测量物料沉积的检测终端的电容测量单元的控制软件的数据输出界面图，
图5(b)为本发明一种测量物料沉积的检测终端的电容测量单元的控制软件的电容测量界面图，
图6为本发明一种测量物料沉积的检测终端及检测方法的沉积层厚度与电容天线的S11之间的关系图；
图7为本发明一种测量物料沉积的检测终端及检测方法的实施例2中模拟实验电容与物料颗粒沉积质量之间的关系图；
图8为本发明一种测量物料沉积的检测终端的一种实施例电容天线的结构示意图。
图中，1-管道、2-检测终端、3-有线通信模块、4-外部数据采集监测部分、21-电容天线、 22-绝缘片、23-PCAP02芯片，24-SPI接口。
具体实施方式：
下面通过附图及实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，但所述实施例仅为示例说明作用，并不以此作为对本发明保护范围的限定。
本发明一种测量物料沉积的检测终端(参见图2)包括电容天线21、绝缘片22及电容测量单元；所述电容天线输出的信号源入射功率与反射功率之比S11和管内沉积层厚度成正相关；所述绝缘片紧贴在双套管底部，绝缘片上固定放置电容天线，电容天线的接地端直接固定在管道底部，管道底部接地；电容天线的馈电端通过导线引出管壁连接电容测量单元内的芯片引脚，电容测量单元再通过SPI接口连接外部数据采集监测部分4；
所述电容测量单元包括PCAP02芯片23及其外围电路，电容天线21的馈电端通过导线连接在PCAP02芯片23的输入引脚上；所述外部数据采集监测部分通过SPI接口24、有线通信模块实现通讯，及时获取检测终端的相关数据。
所述绝缘片22与电容天线21大小相同，长度为14-16cm，宽度为10-12cm，绝缘片和电容天线均为薄片能自由完全与管道内壁相贴合，电容天线的接地端通过胶接的方式与管道底部相连，管道底部接地。电容天线21的馈电端穿过管道底部与外界相连，将沉积数据通过有线通信模块3传送至外部数据采集监测部分4进行汇总处理。电容天线和绝缘片很薄，且导线引出开孔很小，只允许导线出入即可，打孔引出后可在管壁外进行封口处理避免漏粉。
所述电容天线21为面阵型传感器，工作温度范围是-20℃至80℃，在9.5GHz至12.5GHz范围内基于渐变各向异性零折射率材料的电容天线21都有很好性能，并且其具有容易制造、集成、宽频带、便携等优点。
进一步，相邻两个检测终端的间距为2-4m。
进一步，所述绝缘片与电容天线大小相同，长度为14-16cm，宽度为10-12cm，厚度较薄，绝缘片厚度为0.1-1mm，超薄柔性塑料薄片，电容天线21的厚度为0.1-1mm，可自由弯曲，并通过胶与管壁粘接的方式与管道底部相连。
所述电容天线为弧形渐变天线，电容天线的外轮廓呈矩形，弧形渐变天线右侧弧形线呈外凸状并沿中心对称分布，弧线为直径20-30cm所在圆周的1/8，在外凸弧形线的交汇点处设置天线接地端；馈电端设在远离外凸弧形线的左侧边缘处。
所述双套管的直径为15-25cm。
所述检测终端2的功能是：(1)获取沉积位置信息，记录检测终端所在位置，并编号；(2) 获取沉积参数信息：包括沉积层厚度变化情况、电容变化情况。
一种测量物料沉积的检测方法，其包括以下步骤：
1)通过仿真软件CST MWS 2015模拟获取所选定的电容天线的S11的值，仿真软件CST MWS 2015用于对天线尺寸和介电层厚度进行可变扫描以找到合适的天线形状，并且S11值对介电层的厚度变化敏感，进而找出S11值和管内沉积层厚度成正相关的天线作为应用测试的电容天线；当物料沉积在电容天线的表面上时，通过电容测量单元监测电容天线的充放电时间，可以获得相应电容的变化值；
2)使用AMS传感器公司制造的PCAP02芯片及其外围电路作为电容测量单元，电容天线的馈电端通过导线连接在PCAP02芯片的输入引脚上；通过电容测量单元实时获取沉积位置的沉积参数并记录当前沉积位置的编号，包括沉积位置当前电容值，并根据电容与沉积质量的关系获得当前沉积质量，最后根据沉积质量与密度和体积的关系核算出当前管道内沉积层的厚度；
3)外部数据采集监测部分获取电容测量单元的数据信息，并对该数据信息进行进一步的处理，应用于现场环境，实现对管道内物料沉积的实时在线监测管理。
本发明的工作原理为：基于电容效应设计出检测终端，电容天线可相当于一个电容器，绝缘片的作用是为了防止天线正反两面短路，当物料沉积在电容天线21的表面上时，由于随着物料沉积的增大电容的增大，电容天线21的谐振频率点也随之增加，这引起电容天线21的频率点的偏移，则输出的信号源入射功率与反射功率之比S11也随之改变，并且S11值与沉积层厚度成正相关变化，进而计算出物料的沉积量。
本发明中检测终端2可进行多点设置，任意两个检测终端2间存在一定间距，根据实际情况的不同，可将相邻两个检测终端2的间距设置为2-4m。多个监测点的沉积数据可通过外部数据采集监测部分进行汇总处理。外部数据采集监测部分不作为本申请的保护点，可直接使用现有技术。
本发明中的物料为粉状物料，检测的灵敏度与沉积层的厚度有关，沉积厚度越大，测量的灵敏度越低，测量的范围跟电容天线的大小有关，可以根据实际需要设置电容天线的大小规格，以满足实际测量精度要求。本发明的检测终端能测量沉积层厚度在0-20cm的物料，可以满足双套管的测量需求。
实施例1
本实施例一种测量物料沉积的检测终端(参见图2)包括电容天线21与绝缘片22，并且绝缘片22与电容天线21大小相同，长度为16cm，宽度为12cm，可自由弯曲，并通过焊接的方式与管道底部相连，电容测量单元PCAP02芯片23及其外围电路，电容测量单元连接通过 SPI接口24与外部数据采集监测部分通讯。
所述电容天线21为弧形渐变天线，电容天线21的外轮廓呈矩形，主要采用铜质材料制成，正面电极(馈电端)连接导线一端，连接位置在弧形渐变天线左侧边缘处，并引出导线穿过管壁连接PCAP02芯片23内PC0-PC5任一管脚，PCAP02芯片23插入SPI接口24再通过有线通信模块3将沉积数据传送出去。背面电极(接地端)连接导线一端，连接位置在弧形渐变天线左侧边缘处虚线框内，并引出导线连接管壁，管壁再引出导线接地。弧形渐变天线右侧弧形线呈外凸状并沿中心对称分布，弧线为直径20-30cm所在圆周的1/8，右侧弧形线向天线对称轴凸出。
电容天线21可当作一个电容器，通过PCAP02芯片控制软件获得电容值，PCAP02芯片控制软件界面如图5(a)-(b)所示。
当监测电容天线21的充放电时间时，可以获得相应的电容。电容天线21的馈电端通过导线接入PCAP02芯片23内PC0-PC5任一管脚，再插入SPI接口24，将信息传递出去。检测终端测得当前的沉积厚度时，若检测到的沉积厚度超过双套管直径的3/4时，表明沉积现象严重，需要进行处理，如加强当地气管路内气压，进而吹散沉积处，避免管道内的沉积堵塞情况的发生。图6展示的是电容天线21的S11数值(S11表示回波损耗特性，代表反射回信号源的部分入射功率的性能，定义为入射功率与反射功率之比。)与沉积层厚度之间的关系，可以看出，随着沉积层厚度的增加，电容天线21的S11数值呈现上增趋势，表明电容天线21具有良好的灵敏度、S11值与沉积层厚度呈现正相关变化的规律，证明电容天线21可以满足沉积测量的要求。
实施例2
本实施例同实施例1结构相同，不同之处在于本实施例绝缘片22与电容天线21的宽度为 1cm，长度为2cm，放置于管径为2cm的直管段中。采用本实施例中的结构，物料(固相)所占总体积分数为0.12进行气力输送模拟实验，用于拟合电容与沉积质量之间的关系。
图7展示的是所测量的电容天线21电容与物料颗粒的沉积质量之间的关系，可以看出，电容值随着物料颗粒的沉积质量的增加而增加，电容和沉积质量的关系通过实验拟合得到 y＝23180x4+622293x3-66952x2+40373x+5*106，其中y表示电容，单位为pF，x表示沉积质量，单位为g。
当物料颗粒的沉积质量在0和0.6g之间时，电容值对物料颗粒的沉积非常敏感，并且电容波动范围大。但是，在0.6到1.0g的沉积范围内，电容的增加值变缓。这主要是因为当物料颗粒沉积物在天线表面达到一定厚度时，电容天线21电容将对物料颗粒沉积物的增加的敏感度下降。可根据此实验拟合出来的公式用于双套管物料沉积质量检测作为参考，给出电容与沉积质量的关系式，进而达到实时监测双套管物料沉积的目的。
实施例3
本实施例一种测量物料沉积的检测终端各部分结构同实施例1，不同之处在于绝缘片及电容天线的外轮廓形状采用圆形结构，如图8所示。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (8)
1.一种测量物料沉积的检测终端，其特征在于，所述检测终端包括电容天线、绝缘片及电容测量单元；所述电容天线输出的信号源入射功率与反射功率之比S11和管内沉积层厚度成正相关；所述绝缘片紧贴在双套管底部，绝缘片上固定电容天线，电容天线的接地端直接固定在管道底部，管道底部接地；电容天线的馈电端通过导线引出管壁连接电容测量单元内的芯片引脚，电容测量单元再通过SPI接口连接外部数据采集监测部分。
2.根据权利要求1所述的检测终端，其特征在于，所述绝缘片与电容天线大小相同，长度为14-16cm，宽度为10-12cm，绝缘片和电容天线均为薄片能自由完全与管道内壁相贴合，电容天线的接地端通过胶接的方式与管道底部相连，管道底部接地。
3.根据权利要求1所述的检测终端，其特征在于，电容天线导线引出管壁外进行封口处理。
4.根据权利要求1所述的检测终端，其特征在于，所述电容天线为面阵型传感器，工作温度范围是-20℃至80℃。
5.根据权利要求1所述的检测终端，其特征在于，相邻两个检测终端的间距为2-4m。
6.根据权利要求1所述的检测终端，其特征在于，所述双套管的直径为15-25cm。
7.根据权利要求1所述的检测终端，其特征在于，所述电容天线为弧形渐变天线，电容天线的外轮廓呈矩形，弧形渐变天线右侧弧形线呈外凸状并沿中心对称分布，弧线为直径20-30cm所在圆周的1/8，在外凸弧形线的交汇点处设置天线接地端；馈电端设在远离外凸弧形线的左侧边缘处。
8.一种测量物料沉积的检测方法，该方法采用权利要求1-7任一所述的检测终端，包括以下步骤：
1)选定电容天线使S11和管内沉积层厚度成正相关，当物料沉积在电容天线的表面上时，通过电容测量单元监测电容天线的充放电时间，获得相应电容的变化值；
2)使用AMS传感器公司制造的PCAP02芯片及其外围电路作为电容测量单元，电容天线的馈电端通过导线连接在PCAP02芯片的输入引脚上；通过电容测量单元实时获取沉积位置的沉积参数并记录当前沉积位置的编号，包括沉积位置当前的电容值，并根据电容与沉积质量的关系获得当前沉积质量，最后根据沉积质量与密度和体积的关系核算出当前管道内沉积层的厚度；
3)外部数据采集监测部分获取电容测量单元的数据信息，并对该数据信息进行进一步的处理，应用于现场环境，实现对管道内物料沉积的实时在线监测管理。
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