CN111781114A - 一种气固两相流的浓度和速度检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种气固两相流的浓度和速度的检测装置，在一个屏蔽罩上同时集成微波雷达传感器和2个弧形电极，采用微波雷达传感器测量粉料的浓度、采用互相关静电法测量粉料的速度，实现在输送管道的同一位置实时测量输送粉料的浓度和速度，从而获得更加精准的粉料质量流量，为粉料输送系统的调节和控制提供实时数据，且微波雷达传感器以及弧形电极全部为非侵入式安装，检测时不干扰粉料流动，且传感器无磨损问题，运行维护量少，可广泛用于电力、水泥、食品、化工等行业的气固两相流输送过程的实时监测。

Description

一种气固两相流的浓度和速度检测装置和检测方法

技术领域

本发明属于气固两相在线监测技术领域，尤其是一种气固两相流的浓度和速度的检测装置和方法。

背景技术

粉料的气力输送过程是一种复杂的气固两相流动过程，这一过程大量存在于各种工业生产流程。例如，燃煤热电厂一次风送粉，水泥的风力管道输送，食品厂面粉的气力输送、化工材料颗粒的输送等。粉料在气力输送时用户比较关心的两个流动参数就是气固两相流的浓度和速度。以燃煤电厂一次风送粉为例，磨煤机磨制的煤粉通过管道送达燃烧器喷入炉膛进行燃烧，而一台磨煤机一般同时分配给4根或者6根一次风粉管，由于各管道内的阻力不同，导致各个输粉管道内的煤粉浓度和速度不同，严重时浓度和速度偏差30％以上。而各个煤粉管道内煤粉浓度和速度的偏差，可能造成输粉管堵粉和断粉，锅炉燃烧中心火焰偏斜，从而产生诸多安全隐患。同时由于各个粉管风粉分配不均使锅炉燃烧效率下降，Nox的排放增加。因此，针对粉料或者颗粒浓度和速度的精确测量对生产过程控制、输送效率提高、产品质量保证、节能降耗以及流量计量都具有重要的意义。

目前，可用于粉料浓度和速度测量的技术很多，如激光、超声、静电、微波、核辐射、电容等。但是大多技术不够成熟，或者结构复杂、造价昂贵。而静电传感器由于结构相对简单，造价相对低廉，灵敏度高等优点，近年来获得了长足的发展。

静电传感器有两种形式，分为侵入式电极和非侵入式环型电极两种。其中侵入式电极一般采用金属探棒，插入被测管道内，虽然安装方便，但是由于磨损较大，电极需要定期更换。而环型电极则采用与用户管道内径相同的环型金属电极，电极嵌入传感器管道内，虽然无电极磨损问题，但当输送管径较大时(如燃煤电厂的一次风管直径通常为400mm以上)，传感器造价很高，而且在对现有管道加装传感器时，需要割掉一段原先输粉管道，然后再焊上带有环型电极的管道传感器，所以现场安装施工量很大。

静电法检测粉料的原理是由金属电极感应气力输粉管内粉体所带的电荷信号，一般通过对电极感应的电荷信号进行滤波、放大及变换，利用静电感应信号的均方根RMS与粉料浓度呈正相关性，通过标定获得标定曲线，从而推算出粉体浓度。

而速度的测量则是采用互相关原理来获得，即通过被测管道上下游(距离S)两个平行布置的环型静电感应电极取得的静电信号，对它们进行互相关系数峰值计算，从而获得上下游两个静电电极信号的渡越时间(T)，这个渡越时间代表粉料从上游运动到下游所用的时间，用距离(S)除以时间(T)可计算出粉料速度。

然而在实际应用中，由于被测输粉管道直径较大，而环型电极安装管道壁上，只有靠近电极部分的粉料才能被有效检测，而管道中心绝大部分的粉料在环型电极上感应出的电信号非常微弱，从而导致浓度测量的代表性误差。事实上，粉体流动速度对静电信号强度的影响较大，速度越高，静电传感器测得的静电信号强度越大，但是粉体速度与静电信号强度之间没有明确的数学关系，因此，由于粉料速度变化造成的测量误差很难消除；另外，粉料含水率是影响静电传感器浓度测量精度的重要因素，含水率越高，静电传感器测得静电信号强度越小，从而给浓度的测量带来较大误差。上述测量误差目前还没有很好的解决方案，因此由静电测量方法给出的浓度信号大多情况下只能作为一种浓度的趋势反映，绝对测量误差较大。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种气固两相流的浓度和速度检测装置，采用微波雷达传感器测量粉料的浓度、采用互相关静电法测量粉料的速度，实现在输送管道的同一位置实时测量输送粉料的浓度和速度，从而获得更加精准的粉料质量流量，为粉料输送系统的调节和控制提供实时数据，可广泛用于电力、水泥、食品、化工等行业的气固两相流输送过程的实时监测。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种气固两相流的浓度和速度检测装置，包括屏蔽罩，屏蔽罩通过管道焊接法兰固定安装在输送管道上；屏蔽罩内嵌有一对平行布置的弧形电极，所述弧形电极分别通过电气绝缘板与输送管道形成电气绝缘；两个弧形电极之间的屏蔽罩上贯穿安装有雷达安装管座，微波雷达传感器的雷达探头插入并固定在雷达安装管座中，且微波雷达传感器的雷达探头端面与输送管道内壁齐平；屏蔽罩的外表面一侧安装有电路安装盒，电路安装盒内安装有电极接线柱和电路板，所述电极接线柱与电路板相连，电极接线柱依次贯穿电路安装盒底部、屏蔽罩、电气绝缘板后与弧形电极电气相连，且电极接线柱的外表面通过绝缘材料与电路安装盒、屏蔽罩实现电气绝缘。

进一步的，本发明的气固两相流的浓度和速度检测装置，电路安装盒的外壳、电极接线柱、弧形电极均采用金属材料制成。

进一步的，本发明的气固两相流的浓度和速度检测装置，弧形电极的长度为输送管道周长的1/10～1/2，宽度为4～40mm。

进一步的，本发明的气固两相流的浓度和速度检测装置，弧形电极的内弧面半径与输送管道的内径相同。

进一步的，本发明的气固两相流的浓度和速度检测装置，两个弧形电极的形状相同，相互之间的距离为5～50cm。

进一步的，本发明的气固两相流的浓度和速度检测装置，微波雷达传感器为平面微带介质谐振多普勒雷达，或波导谐振多普勒雷达。

进一步的，本发明的气固两相流的浓度和速度检测装置，微波雷达传感器的工作频率为X波段，即8～12GHz，或K波段，即18～27GHz。

一种气固两相流的浓度和速度检测方法，包括以下步骤：

步骤1：经雷达探头端面向输送管道内发射微波信号，并接收经粉料反射的微波多普勒频移信号；

步骤2：对微波多普勒频移信号进行解析，计算得到粉料的浓度；

步骤3：两个弧形电极接收输送管道内的固体颗粒静电荷产生的信号，分别为：

X(t)＝S(t)+k₁(t)

Y(t)＝S(t-D)+k₂(t)

其中，X(t)、Y(t)分别表示上游弧形电极和下游弧形电极所接收的信号，S(t)是信源信号，即固体颗粒静电荷产生的信号，D是两个弧形电极接收到信号的时间差，即时延，k₁(t)和k₂(t)是两个弧形电极处的噪声；

步骤4：对弧形电机接收的信号X(t)、Y(t)进行互相关处理，计算得到粉料的速度。

进一步的，本发明的气固两相流的浓度和速度检测方法，步骤2具体包括：

步骤2-1：计算多普勒频移信号的自相关函数：

其中，k＝0,1,2,...,N-1，N为采样数据个数，j为过渡参数无实际意义，x()为多普勒频移信号函数；

步骤2-2：对上述自相关函数进行快速傅里叶变换，得到功率谱密度Pxx(k)：

步骤2-3：对功率谱密度进行频率积分，获得回波功率P：

其中，f_max为多普勒回波信号的最大频率，f_min为多普勒回波信号的最小频率；

步骤2-4：计算粉料浓度c：

其中，K由粉料的标定曲线获得。

进一步的，本发明的气固两相流的浓度和速度检测方法，步骤4具体包括：

步骤4-1：计算信号X(t)、Y(t)的互相关函数：

Rxy(t)＝E{X(t)Y(t-τ)}

τ为下游弧形电极的信号与上游弧形电极的信号相差的时间；

步骤4-2：求解互相关函数的峰值：

Rxy(t)＝E{X(t)Y(t-τ)}＝Rs(τ-D)

当t＝D时，互相关函数Rxy(t)达到最大值；

步骤4-3：计算互相关函数Rxy(t)最大值所对应的渡越时间τ值，τ即为时延值D；

步骤4-4：计算粉料速度V：

V＝S/D

其中，S为上下游弧形电极之间的间距。

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、本发明的气固两相流的浓度和速度检测装置对气固两相流中粉料的浓度和流速同时进行在线实时测量，而且是对管道中同一个位置粉料的浓度和速度进行同步测量，采集的信号具有较强的真实性和代表性。

2、本发明的气固两相流的浓度和速度检测装置中的微波雷达传感器以及弧形电极全部为非侵入式安装，检测时不干扰粉料流动，且传感器无磨损问题，运行维护量少。

3、本发明的气固两相流的浓度和速度检测装置中采用弧形电极结构与环形电极相比，制造成本低，安装方便，改造施工量小。

4、本发明的气固两相流的浓度和速度检测方法测量速度不受粉体物理性质(温度、压力、湿度、密度)的变化影响，不受粉体荷电量大小的影响，其互相关信号完全取自粉体自身流动噪声，计算获得的渡越时间反应了粉料的流动速度，测量精度较高。

5、本发明的气固两相流的浓度和速度检测方法利用微波多普勒频移信号中包含有物料颗粒的质量信息来测量粉料浓度，测量精度较高。

附图说明

图1是本发明的气固两相流的浓度和速度检测装置的结构示意图。

图2是图1的A向示意图。

图3是本发明的气固两相流的浓度和速度检测方法的流程图。

附图标记含义：1-输送管道，2-管道焊接法兰，3-屏蔽罩，4-电路安装盒，5-电极接线柱，6-微波雷达传感器，7-雷达探头，8-雷达安装管座，9-电气绝缘板，10-弧形电极，11-电气绝缘板，12-雷达探头端面。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

实施例1

一种气固两相流的浓度和速度检测装置，为便于安装和使用，在一个屏蔽罩3上同时集成微波雷达传感器6和2个弧形电极10，可以在输送管道1的同一个位置，实现输送粉料的浓度和速度实时测量，从而获得更加精准的粉料质量流量。

该检测装置包括屏蔽罩3，屏蔽罩3通过管道焊接法兰2固定安装在输送管道1上。

屏蔽罩3内嵌有一对平行布置的弧形电极10，两个弧形电极10的形状相同，顶视图呈长条形，弧形电极10的长度为输送管道1周长的1/10～1/2，宽度为4～40mm，相互之间的距离为5～50cm，且弧形电极10的内弧面半径与输送管道1的内径相同。所述弧形电极10分别通过电气绝缘板9与输送管道1形成电气绝缘。两个弧形电极10之间的屏蔽罩3上贯穿安装有雷达安装管座8，微波雷达传感器6的雷达探头7插入并固定在雷达安装管座8中，且微波雷达传感器6的雷达探头端面12与输送管道1内壁齐平，所述微波雷达传感器6采用平面微带介质谐振多普勒雷达，或波导谐振多普勒雷达。微波雷达传感器6的工作频率为X波段，即8～12GHz，或K波段，即18～27GHz。微波雷达传感器6的工作频率优选工业上常用的24.12Ghz。微波雷达传感器6由微波震荡源、功率分配器、发射天线、接收天线、混频器、检波器等电路组成。

屏蔽罩3的外表面一侧安装有电路安装盒4，电路安装盒4内安装有电极接线柱5和电路板，所述电极接线柱5与电路板相连，电极接线柱5依次贯穿电路安装盒4底部、屏蔽罩3、电气绝缘板9后与弧形电极10电气相连，且电极接线柱5的外表面通过绝缘材料与电路安装盒4、屏蔽罩3实现电气绝缘。

上述电路安装盒4的外壳、电极接线柱5、弧形电极10均采用金属材料制成。

所述装置还包括对微波雷达多普勒信号的分析处理单元，静电电极传感器信号的分析处理单元，采集、运算、存储、显示和信号传输单元。

实施例2

一种气固两相流的浓度和速度检测方法，包括以下步骤：

步骤1：在管道上安装微波雷达传感器，经雷达探头端面向输送管道内发射微波信号，并接收经粉料反射的微波多普勒频移信号。

根据多普勒效应，微波遇到管道内流动的粉料产生多普勒频移信号，多普勒频移信号包含了粉料对微波的散射强度，因此也就包含了颗粒的质量或者浓度信息。由于微波辐射信号基本覆盖大部分管道内部，多普勒频移信号的幅度大小是由发射天线直接辐射到的所有粉料颗粒共同作用的结果，因此检测的信号代表性较强。由于微波多普勒频移信号幅度与粉体运动速度、温度、压力以及带电情况等都没有直接关系，因此检测精度受外界影响较小。微波多普勒频移信号只对运动的粉料有信号输出，因此对于沉积在管道壁上的粉料不影响浓度的测量。通过对所测粉料在不同浓度的微波多普勒频移功率信号的标定，获得所测量粉料的标定曲线系数，从而可以计算出粉料的浓度。还可以在管道横截面上增加微波雷达传感器数量来提高检测的精度。

步骤2：根据研究理论发现，如果用微波照射粉料颗粒，微波的波长远大于粉料颗粒直径，则颗粒对微波将产生瑞利散射。颗粒在瑞利区的散射截面积与波长的四次方成反比，且正比于颗粒直径的六次方。对固体球形颗粒来说，颗粒半径同时也反应了颗粒质量的大小，也即散射截面积与颗粒质量有关。那么从理论上推测，通过测量颗粒对微波的散射能量，就可以得到颗粒的质量或浓度。

具体方法如下：对采集的微波多普勒频移信号进行解析，计算得到粉料的浓度：

步骤2-1：计算多普勒频移信号的自相关函数：

其中，k＝0,1,2,...,N-1，N为采样数据个数，j为过渡参数无实际意义，x()为多普勒频移信号函数；Rxx(k)为有限长时间序列的自相关函数的离散估计。

步骤2-2：对上述自相关函数进行快速傅里叶变换，得到功率谱密度Pxx(k)：

其中，Pxx(k)为功率谱估计。

步骤2-3：而粉料的浓度与多普勒回波信号功率相关，因此对功率谱密度进行频率积分，获得回波功率P：

其中，f_max为多普勒回波信号的最大频率，f_min为多普勒回波信号的最小频率。在气固两相流的背景下，多普勒回波信号的频率实际上是集中在某一个频带内的，可以采用实际测量的方法获得。或者另一种方法是根据功率谱密度来估计该回波信号带宽，其预估方法是：因为当固体颗粒在波束外不会有回波，在进入波束内的时刻和离开波束的时刻之间，回波的频率随着距离的连续变化也发生连续变化，而在这两个时刻回波信号的幅度和频率都会有突变，可以利用这两个时刻的突变来估计多普勒带宽。通过在功率谱累积积分曲线的最小值点和最大值点会得到一条直线，直线与积分曲线相交而将其分为两段，这两段上的点到直线的距离各有一个最大值，两个最大值对应的频率点就定为多普勒带宽的两个频率端点。

步骤2-4：流动粉料的浓度与回波功率的开方值呈正相关特性，根据特定粉料的标定曲线求出K系数，计算粉料浓度c：

其中，K由粉料的标定曲线获得。

步骤3：两个弧形电极接收输送管道内的固体颗粒静电荷产生的信号，分别为：

X(t)＝S(t)+k₁(t)

Y(t)＝S(t-D)+k₂(t)

其中，X(t)、Y(t)分别表示上游弧形电极和下游弧形电极所接收的信号，S(t)是信源信号，即固体颗粒静电荷产生的信号，D是两个弧形电极接收到信号的时间差，即时延，k₁(t)和k₂(t)是两个弧形电极处的噪声。根据噪声源的物理特性，可假设kl(t)，k2(t)是零均值、广义平稳的高斯白噪声，彼此统计独立，且与信源信号S(t)统计独立。

步骤4：对弧形电机接收的信号X(t)、Y(t)进行互相关处理，计算得到粉料的速度：

步骤4-1：实际测量中上下游弧形电极获取的信号波形相似，且下游弧形电极上的信号与上游弧形电极上的信号相差时间τ。根据所接收信号的统计特性，计算信号X(t)、Y(t)的互相关函数，并求解互相关函数的峰值：

Rxy(t)＝E{X(t)Y(t-τ)}＝Rs(τ-D)

上式表明接收信号X(t)和Y(t)的互相关函数Rxy(t)等于信源信号S(t)自相关函数，当t＝D时，互相关函数Rxy(t)达到最大值；

步骤4-2：计算互相关函数Rxy(t)最大值所对应的渡越时间τ值，τ即为时延值D；

步骤4-3：计算粉料速度V：

V＝S/D

其中，S为上下游弧形电极(10)之间的间距。

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，这些改进应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气固两相流的浓度和速度检测装置，其特征在于，包括屏蔽罩(3)，屏蔽罩(3)通过管道焊接法兰(2)固定安装在输送管道(1)上；

屏蔽罩(3)内嵌有一对平行布置的弧形电极(10)，所述弧形电极(10)分别通过电气绝缘板(9)与输送管道(1)形成电气绝缘；两个弧形电极(10)之间的屏蔽罩(3)上贯穿安装有雷达安装管座(8)，微波雷达传感器(6)的雷达探头(7)插入并固定在雷达安装管座(8)中，且微波雷达传感器(6)的雷达探头端面(12)与输送管道(1)内壁齐平；

屏蔽罩(3)的外表面一侧安装有电路安装盒(4)，电路安装盒(4)内安装有电极接线柱(5)和电路板，所述电极接线柱(5)与电路板相连，电极接线柱(5)依次贯穿电路安装盒(4)底部、屏蔽罩(3)、电气绝缘板(9)后与弧形电极(10)电气相连，且电极接线柱(5)的外表面通过绝缘材料与电路安装盒(4)、屏蔽罩(3)实现电气绝缘。

2.根据权利要求1所述的气固两相流的浓度和速度检测装置，其特征在于，电路安装盒(4)的外壳、电极接线柱(5)、弧形电极(10)均采用金属材料制成。

3.根据权利要求1所述的气固两相流的浓度和速度检测装置，其特征在于，弧形电极(10)的长度为输送管道(1)周长的1/10～1/2，宽度为4～40mm。

4.根据权利要求1或3所述的气固两相流的浓度和速度检测装置，其特征在于，弧形电极(10)的内弧面半径与输送管道(1)的内径相同。

5.根据权利要求1或3所述的气固两相流的浓度和速度检测装置，其特征在于，两个弧形电极(10)的形状相同，相互之间的距离为5～50cm。

6.根据权利要求1所述的气固两相流的浓度和速度检测装置，其特征在于，微波雷达传感器(6)为平面微带介质谐振多普勒雷达，或波导谐振多普勒雷达。

7.根据权利要求1或6所述的气固两相流的浓度和速度检测装置，其特征在于，微波雷达传感器(6)的工作频率为X波段，即8～12GHz，或K波段，即18～27GHz。

8.一种气固两相流的浓度和速度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：经雷达探头端面(12)向输送管道(1)内发射微波信号，并接收经粉料反射的微波多普勒频移信号；

步骤2：对微波多普勒频移信号进行解析，计算得到粉料的浓度；

步骤3：两个弧形电极(10)接收输送管道(1)内的固体颗粒静电荷产生的信号，分别为：

X(t)＝S(t)+k₁(t)

Y(t)＝S(t-D)+k₂(t)

其中，X(t)、Y(t)分别表示上游弧形电极和下游弧形电极所接收的信号，S(t)是信源信号，即固体颗粒静电荷产生的信号，D是两个弧形电极(10)接收到信号的时间差，即时延，k₁(t)和k₂(t)是两个弧形电极(10)处的噪声；

步骤4：对弧形电机接收的信号X(t)、Y(t)进行互相关处理，计算得到粉料的速度。

9.根据权利要求8所述的气固两相流的浓度和速度检测方法，其特征在于，步骤2具体包括：

步骤2-1：计算多普勒频移信号的自相关函数：

其中，k＝0,1,2,...,N-1，N为采样数据个数，j为过渡参数无实际意义，x()为多普勒频移信号函数；

步骤2-2：对上述自相关函数进行快速傅里叶变换，得到功率谱密度Pxx(k)：

步骤2-3：对功率谱密度进行频率积分，获得回波功率P：

其中，f_max为多普勒回波信号的最大频率，f_min为多普勒回波信号的最小频率；

步骤2-4：计算粉料浓度c：

其中，K由粉料的标定曲线获得。

10.根据权利要求8所述的气固两相流的浓度和速度检测方法，其特征在于，步骤4具体包括：

步骤4-1：计算信号X(t)、Y(t)的互相关函数：

Rxy(t)＝E{X(t)Y(t-τ)}

τ为下游弧形电极的信号与上游弧形电极的信号相差的时间；

步骤4-2：求解互相关函数的峰值：

Rxy(t)＝E{X(t)Y(t-τ)}＝Rs(τ-D)

当t＝D时，互相关函数Rxy(t)达到最大值；

步骤4-3：计算互相关函数Rxy(t)最大值所对应的渡越时间τ值，τ即为时延值D；

步骤4-4：计算粉料速度V：

V＝S/D

其中，S为上下游弧形电极(10)之间的间距。

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