CN111398102B - 一种管道内气固两相流固体颗粒平均速度的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的管道内气固两相流固体颗粒平均速度的测量方法，具体按照以下步骤实施：根据静电传感器阵列尺寸计算静电传感器阵列的速度灵敏场；对电容传感器阵列进行空满管标定；利用电容传感器阵列获取的电容信号计算颗粒浓度分布矩阵；利用颗粒浓度分布矩阵对静电传感器阵列的速度灵敏场进行滤波，获取新速度灵敏场；对单位时间内获取的静电传感器阵列的静电信号进行功率谱分析，计算得到峰值频率向量；根据新速度灵敏场和峰值频率向量计算得到速度场；对0元素外所有元素求平均值得到管内颗粒的平均流速。本发明的管道内气固两相流固体颗粒平均速度的测量方法，解决了现有静电传感器测速受颗粒流动状态影响导致测量准确度和精度较低的问题。

Description

一种管道内气固两相流固体颗粒平均速度的测量方法
技术领域
本发明属于气固两相流测量方法技术领域，具体涉及一种管道内气固两 相流固体颗粒平均速度的测量方法。
背景技术
在管道气力输送过程中，管道内固体颗粒速度的大小是气力输送的重要 特征参数，实现该参数的在线测量对于监测其流动过程的安全稳定运行具有 重要意义。目前，受制于气力输送固体颗粒工况环境的多样性和恶劣性，能 够应用于工业现场的测量方法主要是基于静电传感器的相关法。在气力输送 过程中，固体颗粒在气体携带下流动，会发生颗粒与颗粒之间，颗粒与管道 之间的接触摩擦从而携带静电，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。
基于静电传感器的相关法在气力输送管道的上下游各安装多组静电传 感器，然后利用上下游静电传感器采集到的静电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，但测量时要求测量对象处于流动稳定，固体颗粒分布比较均 匀的工况，对于流动稳定差的密相气力输送则无法适应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种管道内气固两相流固体颗粒平均速度的测 量方法，解决了现有静电传感器测速受颗粒流动状态影响导致测量准确度和 精度较低的问题。
本发明所采用的技术方案是：一种管道内气固两相流固体颗粒平均速度 的测量方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、根据实际管道上安装的静电传感器阵列尺寸，利用matlab软件 计算静电传感器阵列的速度灵敏场S；
步骤2、对管道上安装的电容传感器阵列进行空满管标定；
步骤3、利用管道上安装的电容传感器阵列获取的电容信号计算颗粒浓 度分布矩阵N；
步骤4、利用颗粒浓度分布矩阵N对静电传感器阵列的速度灵敏场S进 行滤波，获取新速度灵敏场L；
步骤5、对单位时间内获取的静电传感器阵列的静电信号进行功率谱分 析，计算得到峰值频率向量E；
步骤6、根据新速度灵敏场L和峰值频率向量E计算得到速度场V；
步骤7：去除速度场V中的0元素，对其他所有元素求平均值得到管内 颗粒的平均流速
Figure BDA0002433097950000021
本发明的特点还在于，
步骤1中计算静电传感器阵列的速度灵敏场S得到：
Figure BDA0002433097950000022
式(1)中sji是速度灵敏场矩阵S中的元素，j＝1,2,3,…,p，代表静电传 感器阵列电极的序号，p是静电传感器阵列中电极的总数；i＝1,2,3,…,m，代 表速度灵敏场中元素的序号，m是速度灵敏场中元素的总数；FUj代表管道 内充满沿管道轴向以1m/s速度运动时，对单位时间内电极j上静电信号进行 功率谱计算后得到的峰值频率；fji是管道内元素i处有沿管道轴向以1m/s速 度运动的带电颗粒时，对电极j上静电信号进行功率谱计算后得到的峰值频 率。
步骤2具体为：
分别采集10秒钟电容传感器阵列中没有固体颗粒和充满固体颗粒时的 电容值，并且对其时间序列值进行均值处理后得到两组电容值；
没有固体颗粒时的电容值数组记为：ce1,ce2，…，cer；
充满固体颗粒时的电容值数组记为：cf1,cf2，…，cfr；r代表电容传感器 阵列获得的电容值总数，其按照式(2)计算获得：
Figure BDA0002433097950000031
式(2)中p代表电容传感器中电极的数目。
步骤3具体为：
步骤3.1、对单位时间内电容传感器阵列获取的多组电容信号分别进行 时间序列的均值计算，得到电容向量C，C＝[c1,c2,c3,…cr]；
步骤3.2、对电容向量C中每一个元素进行归一化处理得到归一化电容 向量NC，归一化计算方法如式(3)所示：
Figure BDA0002433097950000032
式(3)中cfi是管道内充满输送颗粒时的ci电容的电容值，cei是管道内 没有输送颗粒时ci的电容值，i＝1,2,3…,r；NC＝[nc1,nc2,nc3,…,ncr]；
步骤3.3、根据式(4)计算浓度分布矩阵N：
N＝G*NCT (4)
式(4)中G是电容传感器阵列的灵敏场，其为一个m×r矩阵，NCT是NC的转置矩阵，N是一个m×1矩阵，m是灵敏场中元素的个数。
步骤4中新速度灵敏场L的获取方法为：
首先将速度灵敏场矩阵S进行转置为ST，然后对浓度分布矩阵N和ST的每一列进行点乘运算，得到新速度灵敏场L的每一列元素
l:,j＝N·s:,j (5)
经过运算后得到m×p的新速度灵敏场L矩阵。
步骤5中峰值频率向量E的获取方法为：
对一秒钟内静电传感器阵列获取的静电信号分别进行welch功率谱分析， 得到其功率谱后，进行等效峰值频率的运算，计算公式如式(6)所示：
Figure BDA0002433097950000041
式(6)中，ej是峰值频率向量E中的元素，j＝1,2,3,…,p，代表电极的序 号；t表示welch功率谱分析中的幅值，f表示功率谱分析中的频率， k＝1,2,3…H，k表示功率谱分析中的频率的序号，H表示总的频率数。
步骤6中速度场V的获取方法为：V＝L*E，即对m×p矩阵L和p×1 向量E进行乘法运算，从而得到m×1的速度场向量。
步骤7中平均流速
Figure BDA0002433097950000042
为：
Figure BDA0002433097950000043
式(7)中vi是速度场V中的元素，i＝1,2,3,…,U，U代表速度场V中不 是0的元素总数。
本发明的有益效果是：本发明一种管道内气固两相流固体颗粒平均速度 的测量方法，将电容层析成像技术与静电传感器的空间滤波特性相结合，利 用电容层析成像技术获取的颗粒分布信息，为静电传感器的速度场测量提供 先验信息，从而消除颗粒分布对其空间滤波效应测速精度的影响。本发明同 现有的静电传感器测速方法相比，具有计算效率高，实时性强，既能够适应 流动状态不稳定的工况，同时相对现有的空间滤波测速方法具有更高的测量 精度和准确性。
附图说明
图1是本发明一种管道内气固两相流固体颗粒平均速度的测量方法基于 的现有系统构成图；
图2是煤粉输送测试实验中本发明方法与现有方法的测速结果对比图。
图中，1.电容传感器阵列，2.静电传感器阵列，3.输送管道，4.信号调理 和数据采集电路，5.计算机。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种管道内气固两相流固体颗粒平均速度的测量方法，如 图1所示，该方法基于的现有系统包括输送管道3，输送管道3里安装静电 传感器阵列2和电容传感器阵列1，静电传感器阵列2和电容传感器阵列1 通过信号调理和数据采集电路4连接至计算机5，具体步骤为：
1、首先根据实际管道上安装的静电传感器阵列的尺寸，利用matlab软 件编程计算速度灵敏场S，计算方法按照下式所示。
Figure BDA0002433097950000051
式中sji是速度灵敏场矩阵S中的元素，j＝1,2,3,…,p，代表静电传感器阵 列电极的序号，p是静电传感器阵列中电极的总数；i＝1,2,3,…,m，代表速度 场中元素的序号，m是速度灵敏场中元素的总数。FUj代表管道内充满沿管 道轴向以1m/s速度运动时，对单位时间内电极j上静电信号进行功率谱计算 后得到的峰值频率。fji是管道内元素i处有沿管道轴向以1m/s速度运动的带 电颗粒时，对电极j上静电信号进行功率谱计算后得到的峰值频率。
2、对电容传感器阵列进行空满管标定。分别采集10秒钟电容传感器阵 列中没有固体颗粒和充满固体颗粒时的电容值，并且对其时间序列值进行均 值处理后得到两组电容值。
没有固体颗粒时的电容值数组记为：ce1,ce2，…，cer；
充满固体颗粒时的电容值数组记为：cf1,cf2，…，cfr；r代表电容传感器 阵列可以获得的电容值总数，其可以按照下式计算获得。
Figure BDA0002433097950000061
式中p代表电容传感器中电极的数目。
3、对单位时间内电容传感器阵列获取的多组电容信号分别进行均值计 算，从而得到电容向量C，C＝[c1,c2,c3,…cr]。
然后对电容向量C中每一个元素进行归一化处理得到归一化电容向量 NC，例如对电容向量C的元素c1进行归一化处理，归一化计算方法如下式 所示，
Figure BDA0002433097950000062
式中i＝1,2,3…,r，NC＝[nc1,nc2,nc3,…,ncr]。
然后根据下式计算浓度分布矩阵N：
N＝G*NCT (4)
式中G是电容传感器阵列的灵敏场，其为一个m×r矩阵，NCT是NC 的转置矩阵，N是一个m×1矩阵，m是灵敏场中元素的个数。
4、利用步骤3获取的浓度分布矩阵N对静电传感器阵列的速度灵敏场 S进行滤波计算，从而获取新速度灵敏场L。具体实施如下所示：
将步骤1获取的矩阵S进行转置为ST，利用步骤3获取的浓度分布矩阵 N和ST的每一列进行点乘运算，从而得到新速度灵敏场L的每一列元素
l:,j＝N·s:,j (5)
经过运算后最终可以得到m×p的新速度灵敏场L矩阵,L＝[l:,1,l:,2,l:,3,…,l:,p]。
5、对一秒钟内静电传感器阵列获取的静电信号分别进行welch功率谱 分析，得到其功率谱后，进行等效峰值频率的运算，计算公式如下式所示：
Figure BDA0002433097950000071
其中，ej是峰值频率向量E中的元素，j＝1,2,3,…,p，代表电极的序号；t 表示welch功率谱分析中的幅值，f表示功率谱分析中的频率，k＝1,2,3…H， k表示功率谱分析中的频率的序号，H表示总的频率数。
6、利用步骤4和5获取的新速度灵敏场和峰值频率向量E，按照下式 计算速度场。
V＝L*E，即对m×p矩阵L和p×1向量E进行乘法运算，从而得到m ×1的速度场向量V。
7、计算管道内的固体颗粒平均速度
Figure BDA0002433097950000072
为：
Figure BDA0002433097950000073
式中vi是速度场V中的元素，i＝1,2,3,…,U，U代表速度场V中不是0 的元素总数。
结果分析
在气力输送的中试装置上进行煤粉输送的测试实验，结果如图2所示， 采用本发明提出的新测速方法较现有方法的测速结果更加接近参考速度，即 本专利提出的新方法较现有测量方法具有更高的精度。
本发明一种管道内气固两相流固体颗粒平均速度的测量方法，将电容层 析成像技术与静电传感器的空间滤波测速方法相结合，充分利用静电传感器 空间滤波测速能够适应各种流动状态优点，同时利用电容层析成像技术获取 的颗粒浓度分布信息，能够消除颗粒分布对静电传感器空间滤波测速产生的 影响。本发明同现有的静电传感器测速方法相比，具有计算效率高，实时性 强，既能够适应流动状态不稳定的工况，同时相对现有的空间滤波测速方法 具有更高的测量精度和准确性。

Claims (4)

1.一种管道内气固两相流固体颗粒平均速度的测量方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、根据实际管道上安装的静电传感器阵列尺寸，利用matlab软件计算静电传感器阵列的速度灵敏场S，得到：
Figure FDA0003718175500000011
式(1)中sji是速度灵敏场矩阵S中的元素，j＝1,2,3,…,p，代表静电传感器阵列电极的序号，p是静电传感器阵列中电极的总数；i＝1,2,3,…,m，代表速度灵敏场中元素的序号，m是速度灵敏场中元素的总数；FUj代表管道内充满沿管道轴向以1m/s速度运动时，对单位时间内电极j上静电信号进行功率谱计算后得到的峰值频率；fji是管道内元素i处有沿管道轴向以1m/s速度运动的带电颗粒时，对电极j上静电信号进行功率谱计算后得到的峰值频率；
步骤2、对管道上安装的电容传感器阵列进行空满管标定；具体为：
分别采集10秒钟电容传感器阵列中没有固体颗粒和充满固体颗粒时的电容值，并且对其时间序列值进行均值处理后得到两组电容值；
没有固体颗粒时的电容值数组记为：ce1,ce2，…，cer；
充满固体颗粒时的电容值数组记为：cf1,cf2，…，cfr；r代表电容传感器阵列获得的电容值总数，其按照式(2)计算获得：
Figure FDA0003718175500000012
式(2)中p代表电容传感器中电极的数目；
步骤3、利用管道上安装的电容传感器阵列获取的电容信号计算颗粒浓度分布矩阵N；具体为：
步骤3.1、对单位时间内电容传感器阵列获取的多组电容信号分别进行时间序列的均值计算，得到电容向量C，C＝[c1,c2,c3,…cr]；
步骤3.2、对电容向量C中每一个元素进行归一化处理得到归一化电容向量NC，归一化计算方法如式(3)所示：
Figure FDA0003718175500000021
式(3)中cfi是管道内充满输送颗粒时的ci电容的电容值，cei是管道内没有输送颗粒时ci的电容值，i＝1,2,3…,r；NC＝[nc1,nc2,nc3,…,ncr]；
步骤3.3、根据式(4)计算浓度分布矩阵N：
N＝G*NCT (4)
式(4)中G是电容传感器阵列的灵敏场，其为一个m×r矩阵，NCT是NC的转置矩阵，N是一个m×1矩阵，m是灵敏场中元素的个数；
步骤4、利用颗粒浓度分布矩阵N对静电传感器阵列的速度灵敏场S进行滤波，获取新速度灵敏场L，获取方法为：
首先将速度灵敏场矩阵S进行转置为ST，然后对浓度分布矩阵N和ST的每一列进行点乘运算，得到新速度灵敏场L的每一列元素
l:,j＝N·s:,j (5)
经过运算后得到m×p的新速度灵敏场L矩阵；
步骤5、对单位时间内获取的静电传感器阵列的静电信号进行功率谱分析，计算得到峰值频率向量E；
步骤6、根据新速度灵敏场L和峰值频率向量E计算得到速度场V；
步骤7：去除速度场V中的0元素，对其他所有元素求平均值得到管内颗粒的平均流速
Figure FDA0003718175500000031
2.如权利要求1所述的一种管道内气固两相流固体颗粒平均速度的测量方法，其特征在于，所述步骤5中峰值频率向量E的获取方法为：
对一秒钟内静电传感器阵列获取的静电信号分别进行welch功率谱分析，得到其功率谱后，进行等效峰值频率的运算，计算公式如式(6)所示：
Figure FDA0003718175500000032
式(6)中，ej是峰值频率向量E中的元素，j＝1,2,3,…,p，代表电极的序号；t表示welch功率谱分析中的幅值，f表示功率谱分析中的频率，k＝1,2,3…H，k表示功率谱分析中的频率的序号，H表示总的频率数。
3.如权利要求2所述的一种管道内气固两相流固体颗粒平均速度的测量方法，其特征在于，所述步骤6中速度场V的获取方法为：V＝L*E，即对m×p矩阵L和p×1向量E进行乘法运算，从而得到m×1的速度场向量。
4.如权利要求3所述的一种管道内气固两相流固体颗粒平均速度的测量方法，其特征在于，所述步骤7中平均流速
Figure FDA0003718175500000033
为：
Figure FDA0003718175500000034
式(7)中vi是速度场V中的元素，i＝1,2,3,…,U，U代表速度场V中不是0的元素总数。
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基于阵列式静电传感器的密相气力输送表观气速测量方法研究;高鹤明等;《仪器仪表学报》;20150430(第04期);第787-794页 *

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