CN111707590A - 一种双螺旋电容气固两相流测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双螺旋电容气固两相流测量装置及方法，属于多相流检测技术领域。本发明通过螺旋式电容传感器获取管道内的颗粒物浓度；根据两组螺旋式电容传感器的信号差，采用互相关法快速获取颗粒物的固相流动速度；根据颗粒物的流动速度与浓度计算得到质量流量；进而实现两相流流速、流量的测量；本发明的浓度测量，通过螺旋式电容传感器实现，与阵列式电容传感器相比，不需要在管壁布置多组电极，简化电容的电极结构，能够适用于管径较细的管路；本发明通过简化电容的电极结构，因此减少了电极间的干扰，避免测量时引入较大电容误差，同时提高了多相流中颗粒物浓度、流动速度及质量流量的检测效率。

Description

一种双螺旋电容气固两相流测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种双螺旋电容气固两相流测量装置及方法，属于多相流检测技术领域。

背景技术

在制药、电力、冶金、化工、食品加工、油气输运等工业领域的生产过程中，需要对气-固两相流的一些参数进行实时在线监测、计量等。精确的对两相流的流动过程进行流速、流量的监测，能够较大幅度扩展电容监测技术在工业领域的应用并提高工业生产效率。在气-固两相流的监测测量过程中固体颗粒物的流动速度、截面浓度以及质量流量等参数，是气-固两相流工业监测的重要组成部分。

现有技术中，申请号为201821874492.7，名称为《一种电容气固两相流测量装置》的中国专利，虽然能够测量出气-固两相流中固体颗粒物的流动速度、流动截面浓度以及质量流量等参数，但是该专利通过阵列电容传感器测量管道内颗粒物浓度，该方法采用依次激励多组电极对的方式，根据阵列电极对所测数据对电容数据做归一化计算，从而获得截面处颗粒物密度分布，进而获得截面颗粒物浓度分布图像。该方法缺点在于，计算颗粒物浓度需要对多组阵列电极电容数据做归一化计算，计算量较大，检测效率低；同时电容结构复杂，容易产生电极间的干扰，导致测量时引入较大电容误差。

发明内容

本发明旨在克服现有技术所存在的问题，提出一种双螺旋电容气固两相流测量装置及方法，本发明的浓度测量，通过螺旋式电容传感器实现，与阵列式电容传感器相比，不需要在管壁布置多组电极，简化电容的电极结构，能够适用于管径较细的管路；通过简化电容的电极结构，减少了电极间的干扰，提高了多相流中颗粒物浓度、流动速度及质量流量的检测效率。本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种双螺旋电容气固两相流测量装置，包括实验管，所述实验管上镶嵌有两组螺旋式电容传感器，两组所述螺旋式电容传感器之间间隔一定距离L，并且在两组螺旋式电容传感器之间、螺旋式电容传感器与多相流入口之间、螺旋式电容传感器与多相流出口之间均设置有实验管屏蔽电极，用于减少信号间相互干扰，所述螺旋式电容传感器用于检测某时刻实验管内的电容。

优选的，所述实验管由绝缘材料制成，包括第一实验管段与第二实验管段，所述螺旋式电容传感器包括靠近多相流入口的第一螺旋式电容传感器以及靠近多相流出口的第二螺旋式电容传感器。

优选的，所述第一螺旋式电容传感器镶嵌在第一实验管段上，包括第一螺旋电容激励电极、第一螺旋电容检测电极以及位于二者之间的用于减少信号间干扰的第一螺旋电容屏蔽电极，所述第一螺旋电容检测电极相对于第一螺旋电容激励电极沿第一实验管段轴向方向旋转180°。

优选的，所述第二螺旋式电容传感器第二螺旋电容激励电极、第二螺旋电容检测电极以及位于二者之间的用于减少信号间干扰的第二螺旋电容屏蔽电极，所述第二螺旋电容检测电极相对于第二螺旋电容激励电极沿第二实验管段轴向方向旋转180°。

优选的，所述实验管一端为多相流入口，另一端为多相流出口，所述第一螺旋电容屏蔽电极与第二螺旋电容屏蔽电极均呈螺旋状。

此外，本发明提供一种双螺旋电容气固两相流测量方法，采用上述双螺旋电容气固两相流测量装置，包括如下步骤：

步骤1：以气力输送颗粒料为测试对象，当有颗粒依次经过两组螺旋式电容传感器时，可分别获得两组螺旋式电容传感器电极对之间的电容值C1、C2。颗粒物浓度的电容值C取两组电容值C1、C2的平均值，计算得到电容值C；

C＝(C₁+C₂)/2 (1)

步骤2：根据浓度计算公式，得到截面处颗粒物浓度G：

G＝SC (2)

式中：S为不同颗粒物对应电容的浓度系数值，C为步骤一中计算所得电容值。

步骤3：通过对颗粒流动过程中的电容变化进行检测，先后分别从两组螺旋式电容传感器处测得信号x(t)和y(t)，得到信号的互相关函数R(τ)：

步骤4：通过互相关函数R(τ)即可得到其最大值所对应的延迟时间为tm，已知两组螺旋式电容传感器间隔L，通过下式计算得到颗粒物流动速度V；

V＝L/t_m (4)

步骤5：根据颗粒物浓度G、颗粒物流动速度V，以及已知的颗粒物密度ρ，管道截面面积A，计算出颗粒物的质量流量Qm：

Q_m＝ρVAG (5)

本发明具有如下优点：

(1)本发明通过螺旋式电容传感器获取管道内的颗粒物浓度；根据两组螺旋式电容传感器的信号差，采用互相关法快速获取颗粒物的固相流动速度；根据颗粒物的流动速度与浓度计算得到质量流量；进而实现两相流流速、流量的测量。

(2)本发明的浓度测量，通过螺旋式电容传感器实现，与阵列式电容传感器相比，不需要在管壁布置多组(8-12组)电极，简化电容的电极结构，能够适用于管径较细的管路。

(3)本发明通过简化电容的电极结构，因此减少了电极间的干扰，避免测量时引入较大电容误差，同时提高了多相流中颗粒物浓度、流动速度及质量流量的检测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明双螺旋电容气固两相流测量装置的结构示意图。

图2：本发明双螺旋电容气固两相流测量装置的断面图。

符号说明：

1、多相流入口；2、多相流出口；3、第一实验管段；4、实验管屏蔽电极；5、第一螺旋电容激励电极；6、第一螺旋电容检测电极；7、第一螺旋电容屏蔽电极；8、第二螺旋电容激励电极；9、第二螺旋电容检测电极；10、第二螺旋电容屏蔽电极；11、第二实验管段。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图1-2和实施例对本发明做进一步说明：

本发明提供一种双螺旋电容气固两相流测量装置，包括由绝缘材料制成的实验管，实验管一端为多相流入口1，另一端为多相流出口2，其中，实验管包括第一实验管段3与第二实验管段11，实验管上镶嵌有两组螺旋式电容传感器，两组螺旋式电容传感器之间间隔一定距离L，并且在两组螺旋式电容传感器之间、螺旋式电容传感器与多相流入口1之间、螺旋式电容传感器与多相流出口2之间均设置有实验管屏蔽电极4，用于减少信号间相互干扰，螺旋式电容传感器用于检测某时刻实验管内的电容。

具体的，靠近多相流入口1的螺旋式电容传感器为第一螺旋式电容传感器，靠近多相流出口2的螺旋式电容传感器为第二螺旋式电容传感器；第一螺旋式电容传感器镶嵌在第一实验管段3上，包括第一螺旋电容激励电极5、第一螺旋电容检测电极6以及位于二者之间的用于减少信号间干扰的第一螺旋电容屏蔽电极7，第一螺旋电容检测电极6相对于第一螺旋电容激励电极5沿第一实验管段3轴向方向旋转180°；第二螺旋式电容传感器第二螺旋电容激励电极8、第二螺旋电容检测电极9以及位于二者之间的用于减少信号间干扰的第二螺旋电容屏蔽电极10，第二螺旋电容检测电极9相对于第二螺旋电容激励电极8沿第二实验管段11轴向方向旋转180°；第一螺旋电容屏蔽电极7与第二螺旋电容屏蔽电极10均呈螺旋状。

需要说明的是，本发明两组螺旋式电容传感器之间的有效距离L、螺旋式电极的弯曲角度以及螺旋式电极的长度等，都需要根据实际测量管道设计，并非固定尺寸。

此外，本发明提供一种双螺旋电容气固两相流测量方法，采用上述双螺旋电容气固两相流测量装置，包括如下步骤：

步骤1：以气力输送颗粒料为测试对象，当有颗粒依次经过两组螺旋式电容传感器时，可分别获得两组螺旋式电容传感器电极对之间的电容值C1、C2。颗粒物浓度的电容值C取两组电容值C1、C2的平均值，计算得到电容值C；

C＝(C₁+C₂)/2 (1)

步骤2：根据浓度计算公式，得到截面处颗粒物浓度G：

G＝SC (2)

式中：S为不同颗粒物对应电容的浓度系数值，C为步骤一中计算所得电容值。

步骤3：通过对颗粒流动过程中的电容变化进行检测，先后分别从两组螺旋式电容传感器处测得信号x(t)和y(t)，得到信号的互相关函数R(τ)：

步骤4：通过互相关函数R(τ)即可得到其最大值所对应的延迟时间为tm，已知两组螺旋式电容传感器间隔L，通过下式计算得到颗粒物流动速度V；

V＝L/t_m (4)

步骤5：根据颗粒物浓度G、颗粒物流动速度V，以及已知的颗粒物密度ρ，管道截面面积A，计算出颗粒物的质量流量Qm：

Q_m＝ρVAG (5)

本发明具有如下优点：本发明通过螺旋式电容传感器获取管道内的颗粒物浓度；根据两组螺旋式电容传感器的信号差，采用互相关法快速获取颗粒物的固相流动速度；根据颗粒物的流动速度与浓度计算得到质量流量；进而实现两相流流速、流量的测量。本发明的浓度测量，通过螺旋式电容传感器实现，与阵列式电容传感器相比，不需要在管壁布置多组(8-12组)电极，简化电容的电极结构，能够适用于管径较细的管路。本发明通过简化电容的电极结构，因此减少了电极间的干扰，避免测量时引入较大电容误差，同时提高了多相流中颗粒物浓度、流动速度及质量流量的检测效率。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种双螺旋电容气固两相流测量装置，包括实验管。其特征在于，所述实验管上镶嵌有两组螺旋式电容传感器，两组所述螺旋式电容传感器之间间隔一定距离L，并且在两组螺旋式电容传感器之间、螺旋式电容传感器与多相流入口之间、螺旋式电容传感器与多相流出口之间均设置有实验管屏蔽电极，用于减少信号间相互干扰，所述螺旋式电容传感器用于检测某时刻实验管内的电容。所述实验管由绝缘材料制成，包括第一实验管段与第二实验管段，所述螺旋式电容传感器包括靠近多相流入口的第一螺旋式电容传感器以及靠近多相流出口的第二螺旋式电容传感器。

2.根据权利要求1所述的双螺旋电容气固两相流测量装置，其特征在于，所述第一螺旋式电容传感器镶嵌在第一实验管段上，包括第一螺旋电容激励电极、第一螺旋电容检测电极以及位于二者之间的用于减少信号间干扰的第一螺旋电容屏蔽电极。所述第一螺旋电容检测电极相对于第一螺旋电容激励电极沿第一实验管段轴向方向旋转180°。

3.根据权利要求1-2所述的双螺旋电容气固两相流测量装置，其特征在于，所述第二螺旋式电容传感器第二螺旋电容激励电极、第二螺旋电容检测电极以及位于二者之间的用于减少信号间干扰的第二螺旋电容屏蔽电极。所述第二螺旋电容检测电极相对于第二螺旋电容激励电极沿第二实验管段轴向方向旋转180°。

4.根据权利要求1-3所述的双螺旋电容气固两相流测量装置，其特征在于，所述实验管一端为多相流入口，另一端为多相流出口，所述第一螺旋电容屏蔽电极与第二螺旋电容屏蔽电极均呈螺旋状。

5.一种双螺旋电容气固两相流测量方法，采用权利要求1-4所述的双螺旋电容气固两相流测量装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：以气力输送颗粒料为测试对象，当有颗粒依次经过两组螺旋式电容传感器时，可分别获得两组螺旋式电容传感器电极对之间的电容值C1、C2。颗粒物浓度的电容值C取两组电容值C1、C2的平均值，计算得到电容值C；

C＝(C₁+C₂)/2 (1)

步骤2：根据浓度计算公式，得到截面处颗粒物浓度G：

G＝SC (2)

式中：S为不同颗粒物对应电容的浓度系数值，C为步骤一中计算所得电容值。

步骤3：通过对颗粒流动过程中的电容变化进行检测，先后分别从两组螺旋式电容传感器处测得信号x(t)和y(t)，得到信号的互相关函数R(τ)：

步骤4：通过互相关函数R(τ)即可得到其最大值所对应的延迟时间为tm，已知两组螺旋式电容传感器间隔L，通过下式计算得到颗粒物流动速度V；

V＝L/t_m (4)

步骤5：根据颗粒物浓度G、颗粒物流动速度V，以及已知的颗粒物密度ρ，管道截面面积A，计算出颗粒物的质量流量Qm：

Q_m＝ρVAG (5)

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