CN201804020U - 颗粒速度的线性静电传感器阵列测量装置 - Google Patents

Abstract

一种气固两相流颗粒速度的线性静电传感器阵列测量装置，包括测量探头、前置电荷差分放大电路、数据采集卡及计算机，前置电荷差分放大电路的输入端分别与测量探头内的第一静电传感器阵列及第二静电传感器阵列，前置电荷差分放大电路的输出端与数据采集卡输入端连接，数据采集卡的输出端与计算机相连接并由计算机对数据采集卡的输出信号进行频谱分析并确定频谱上的峰值频率，进而计算获得气固两相流颗粒平均速度。测量探头包括绝缘测量管道，在绝缘测量管道上设有第一静电传感器阵列及第二静电传感器阵列，在绝缘测量管道、第一静电传感器阵列及第二静电传感器阵列的外部设有金属屏蔽罩。

Description

颗粒速度的线性静电传感器阵列测量装置

技术领域

本实用新型属于气固两相流测量技术领域，具体涉及一种气固两相流颗粒平均速度的线性静电传感器阵列测量装置。

背景技术

气固两相流系统广泛存在于能源、化工、电力及冶金等工业领域。颗粒速度是描述气固两相流动系统的一个重要参数，颗粒速度测量对于了解气固流动特性以及生产过程的计量、节能与控制具有重要意义。气固流动系统中颗粒与颗粒、颗粒与气体及颗粒与管壁的相互碰撞、摩擦及分离，导致颗粒产生荷电现象。近些年来，人们利用颗粒荷电研究开发了静电相关法颗粒速度测速仪，其在重复性、可靠性和低成本等方面均优于电容、光学等其他互相关测速装置。但静电相关法速度测量时，渡越时间统计误差与传感器输出信号频带宽度的三次方成反比，低速测量时，静电传感器输出信号频带范围较窄，因此导致低速测量相关速度测量渡越时间估计误差较大，速度测量准确度降低。由于静电传感器的敏感电极具有一定的几何形状和尺寸，用静电传感器的“敏感窗口“检测流体的流动状况时，敏感电极对静电流噪声将以特定空间权函数进行加权平均。基于单环静电传感器的空间滤波效应的颗粒速度测量方法具有结构简单、硬件成本低、适合于恶劣的工业现场环境等特点。但单个环状静电传感器输出信号频带范围较宽，降低了空间滤波器的空间选择性，在功率谱特性曲线上，表现为各点离散程度较大，波峰不明显，信噪比较低，影响了速度测量的准确性。

实用新型内容

为了克服现有静电相关法和单环静电感应空间滤波法速度测量的不足，本实用新型提出了一种颗粒速度的线性静电传感器阵列测量装置，本实用新型能够提高静电感应空间滤波器的选择性，降低速度信号中心频率测量的不确定性，提高了颗粒速度测量的准确性。

本实用新型采用如下技术方案：

一种颗粒速度的线性静电传感器阵列测量装置，包括：测量探头、前置电荷差分放大电路、数据采集卡及计算机，前置电荷差分放大电路的输出端与数据采集卡输入端连接，数据采集卡的输出端与计算机的输入端连接并由计算机对数据采集卡的输出信号进行频谱分析并确定频谱上的峰值频率，进而计算获得气固两相流颗粒平均速度，所述测量探头包括：绝缘测量管道，在绝缘测量管道上设有的第一静电传感器阵列及第二静电传感器阵列，在绝缘测量管道、第一静电传感器阵列及第二静电传感器阵列外部设有金属屏蔽罩。

所述第一静电传感器阵列至少包括第11环形静电传感器、第12环形静电传感器、第13环形静电传感器、第14环形静电传感器、第15环形静电传感器，并且第一静电传感器阵列中相邻的环形静电传感器之间的轴向间距p相等，第一静电传感器阵列中的各个环形静电传感器由第一静电传感器阵列导线连接，所述第二静电传感器阵列至少包括第21环形静电传感器、第22环形静电传感器、第23环形静电传感器、第24环形静电传感器、第25环形静电传感器，第二静电传感器阵列中的各个环形静电传感器由第二静电传感器阵列导线连接，第21环形静电传感器设在第11环形静电传感器与第12环形静电传感器之间且第21环形静电传感器至第11环形静电传感器之间的轴向距离等于第21环形静电传感器至第12环形静电传感器之间的轴向距离，第22环形静电传感器设在第12环形静电传感器与第13环形静电传感器之间且第22环形静电传感器至第12环形静电传感器之间的轴向距离等于第22环形静电传感器至第13环形静电传感器之间的轴向距离，第23环形静电传感器设在第13环形静电传感器与第14环形静电传感器之间且第23环形静电传感器至第13环形静电传感器之间的轴向距离等于第23环形静电传感器至第14环形静电传感器之间的轴向距离，第24环形静电传感器设在第14环形静电传感器与第15环形静电传感器之间且第24环形静电传感器至第14环形静电传感器之间的轴向距离等于第24环形静电传感器至第15环形静电传感器之间的轴向距离，第25环形静电传感器与第15环形静电传感器之间的距离为第一静电传感器阵列中相邻的环形静电传感器之间的轴向间距p的二分之一。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

1)相比于单环静电感应空间滤波器，本实用新型利用双静电传感器阵列结合差分放大电路，提高了静电感应空间滤波器的选择性，降低了速度信号中心频率测量的不确定性。

2)由于两个线性静电传感器阵列的位置相差电极间距的一半，带电颗粒经过两个线性静电传感器阵列时，产生相位差为π的两个输出信号，两信号差分消除了单个静电传感器阵列输出信号中直流成分导致中心频率偏斜问题，提高了颗粒速度测量的准确性。

3)线性静电传感器阵列在结构上对流体的流动状况无影响，属于非接触式测量方法，具有结构简单，信号处理方便，价格低廉灯等特点，适合于恶劣的工业气力输送和气固两相流系统中应用。

附图说明

图1是线性静电传感器阵列颗粒速度测量装置的示意图，其中，1-测量探头；2-前置电荷差分放大电路；3-数据采集卡；4-计算机。

图2是本实用新型线性静电传感器阵列探头结构简图，其中，5-第一静电传感器阵列；6-第二静电传感器阵列；7-第二静电传感器阵列导线；8-第一静电传感器阵列导线；9-金属屏蔽罩；10-绝缘测量管道。

图3是线性静电传感器阵列前置电荷差分放大电路图，其中，11-第一输入端；12-第二输入端；13-输出端。

图4是单环静电传感器输出信号的功率谱。

图5是线性静电传感器阵列输出信号的功率谱。

具体实施方式

一种颗粒速度的线性静电传感器阵列测量装置，包括：测量探头1、前置电荷差分放大电路2、数据采集卡3及计算机4，前置电荷差分放大电路2的输出端与数据采集卡3输入端连接，数据采集卡3的输出端与计算机4的输入端连接并由计算机4对数据采集卡的输出信号进行频谱分析并确定频谱上的峰值频率，进而计算获得气固两相流颗粒平均速度，所述测量探头1包括：绝缘测量管道10，在绝缘测量管道10上设有的第一静电传感器阵列5及第二静电传感器阵列6，在绝缘测量管道10、第一静电传感器阵列5及第二静电传感器阵列6外部设有金属屏蔽罩9。

所述第一静电传感器阵列5至少包括第11环形静电传感器、第12环形静电传感器、第13环形静电传感器、第14环形静电传感器、第15环形静电传感器，并且第一静电传感器阵列5中相邻的环形静电传感器之间的轴向间距p相等，第一静电传感器阵列5中的各个环形静电传感器由第一静电传感器阵列导线8连接，所述第二静电传感器阵列6至少包括第21环形静电传感器、第22环形静电传感器、第23环形静电传感器、第24环形静电传感器、第25环形静电传感器，第二静电传感器阵列6中的各个环形静电传感器由第二静电传感器阵列导线7连接，第21环形静电传感器设在第11环形静电传感器与第12环形静电传感器之间且第21环形静电传感器至第11环形静电传感器之间的轴向距离等于第21环形静电传感器至第12环形静电传感器之间的轴向距离，第22环形静电传感器设在第12环形静电传感器与第13环形静电传感器之间且第22环形静电传感器至第12环形静电传感器之间的轴向距离等于第22环形静电传感器至第13环形静电传感器之间的轴向距离，第23环形静电传感器设在第13环形静电传感器与第14环形静电传感器之间且第23环形静电传感器至第13环形静电传感器之间的轴向距离等于第23环形静电传感器至第14环形静电传感器之间的轴向距离，第24环形静电传感器设在第14环形静电传感器与第15环形静电传感器之间且第24环形静电传感器至第14环形静电传感器之间的轴向距离等于第24环形静电传感器至第15环形静电传感器之间的轴向距离，第25环形静电传感器与第15环形静电传感器之间的距离为第一静电传感器阵列5中相邻的环形静电传感器之间的轴向间距p的二分之一。

本实用新型是基于气固两相管流颗粒速度的线性静电传感器阵列测量方法来设计的测量装置：

1)两组具有相同结构和尺度的环状静电传感器阵列安装在绝缘管道外壁上，产生两组反映气固两相流流动信息的静电感应信号，两组信号分别接入前置电荷差分放大电路两端进行差分放大后，由数据采集电路送入计算机。

2)对采集到的差分静电信号e(n)进行傅立叶变换处理得到E_N(k)，然后再取其幅值的平方，并除以静电信号离散数据点数长度N，作为序列e(n)的功率谱P(k)的估计，则：

$P\left(k\right)=\frac{1}{N}{\left|E_N\left(k\right)\right|}^2---\left(1\right)$

其中，n为时域差分静电信号离散点，k为频域离散点。

3)根据步骤2)得到的功率谱特性函数的峰值位置确定尖峰频率值f₀，公式如下：

f₀＝K·F                (2)

其中，K为功率谱函数峰值对应位置的离散点数；F为功率谱分析的频率分辨率。

4)根据功率谱尖峰频率值f₀和线性静电传感器阵列电极间隔p，确定管道内气固两相流颗粒平均速度v，计算公式如下：

v＝k₀·p·f₀                    (3)

k₀为速度无量纲校正系数，由实验标定确定。在实际粉体颗粒输送条件下，利用相位多普勒测速仪(PDA)对线性静电传感器阵列测量系统进行对比标定。具体的标定过程如下：相位多普勒测速仪与线性静电传感器阵列系统同步测量，速度测量系统记录测量数据并保存，取与PDA同时间，同区间测量值的平均值与PDA测量值组成一个数据对，每次标定至少要获得15对数据。以线性静电传感器阵列速度测量系统测量的颗粒速度为横坐标(x)，PDA测得的颗粒速度为纵坐标(y)。将相关系数大于0.85的数据对定义为有效数据点，有效测点的数量m应在10个以上。运用一元线性回归，给出标定曲线，进而获得标定系数k0

$k_0=\frac{m\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j{y}_j-\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{y}_j}{m\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j^2-{\left(\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j\right)}^2}---\left(4\right)$

因此由式(3)可见：获得了线性静电传感器阵列输出信号功率谱特性的尖峰频率值f₀，即可计算出颗粒平均速度v。

参照图1，图2和图3所示，用于气固两相流颗粒速度的线性静电传感器阵列测量装置主要包括测量探头1、前置电荷差分放大电路2、数据采集卡3和计算机4。探头内第一静电传感器阵列和第二静电传感器阵列输出信号，通过导线分别与前置电荷差分放大电路2的两输入端相连，经差分放大后，通过数据采集卡3与计算机4相连接相连。在计算机内由自行编制的数据采集与处理软件包，将差分静电信号进行预处理后，进行分析与处理，获得颗粒的流动速度的测量值。

测量装置中所用线性静电传感器阵列测量探头，在绝缘测量管道10的外部安装结构相同的第一静电传感器阵列5和第二静电传感器阵列6，并且两阵列的电极按间距为p/2的相对位置进行交叉布置。由于两个线性静电传感器阵列的相对位置为各自电极间距p的一半，带电颗粒经过两个线性静电传感器阵列时，产生相位差为π的两个输出信号。第一静电传感器阵列和第二静电传感器阵列分别通过第一静电传感器阵列导线8和第二静电传感器阵列导线7与前置电荷差分放大电路的第一输入端11和第二输入端12相连，经差分放大后，窄带周期性信号成分得以保留，而基频直流部分被剔除。线性静电传感器阵列由q个结构和尺寸相同的金属环状电极构成，q个电极以相同电极间隔p沿管道轴向紧贴管道外壁安装布置，并通过导线连为一体。电极的数目q一般取5-10个。电极的间隔p可取管道的直径D大小。整个绝缘测量管道、第一静电传感器阵列和第二静电传感器阵列均包覆于金属屏蔽罩9内。

线性静电传感器阵列差分放大电路的连接方式为第一电容C₁一端和第一电阻R₁一端与第一运算放大器A₁的反向输入端相连接，第一电容C₁另一端、第一电阻R₁另一端和第三电阻R₃一端与第一运算放大器A₁的输出端相连接，第二电容C₂一端和第二电阻R₂一端与第二运算放大器A₂的反向输入端相连接，第二电容C₂另一端、第二电阻R₂另一端和第四电阻R₄一端与第二运算放大器A₂的输出端相连接，第一运算放大器A₁的正向输入端和第二运算放大器A₂的正向输入端接地，第三电阻R₃另一端和第五电阻R₅一端与第三运算放大器A₃的反向输入端相连接，第五电阻R₅另一端与第三运算放大器A₃的输出端相连接，第四电阻R₄另一端和第六电阻R₆一端与第三运算放大器A₃的正向输入端相连接，第六电阻R₆另一端接地。前置电荷差分放大电路的输出端通过数据采集卡PCI 9112(凌华科技生产)与计算机相连接。该放大电路采用三个放大器组成差动放大电路，具有输入阻抗高、共模抑制比高、失调电压低、漂移小、放大倍数稳定和输出阻抗低等优点。线性静电传感器阵列输出的感应电荷信号是一种低频的微弱信号，因此有必要采取抗干扰措施：1)元器件的选择微弱信号检测的首要问题就是尽量降低放大器本身的噪声。本电路中第一运算放大器和第二运算放大器采用的是高输入阻抗放大器OPA128，频率范围在10Hz-10KHz时，等效噪声的电压值eN为2.4μV；在0.1Hz-20KHz时，等效噪声的电流iN＝0.12fA/(Hz)^1/2。第三运算放大器OP07是一种高精度的仪用放大器，e_N和i_N的值均较小。电路中电阻均采用低噪声的金属膜电阻，精度为1％，功率为1/2(W)。信号线上的电容均采用渡银云母电容，以降低电路中的噪声。2)金属屏蔽抗干扰采用接地金属屏蔽盒可以消除电磁干扰，防止电路元件受到湿度、光线的照射，造成电路元件的性能参数的变化。此外，必须避免振动造成元器件变形或电路连接线发生移动带来的影响。

图4是单环静电传感器输出信号的功率谱。图5是线性静电传感器阵列输出信号的功率谱。从图4和图5可见，线性静电传感器阵列输出信号的谱带较窄，尖峰明显，可有效地降低中心频率测量不准确带来的速度测量误差。

现已对石英沙、玻璃珠等物料在重力输送实验台和煤粉密相气力输送装置上进行了试验，利用本实用新型中提及的方法及装置，对颗粒速度范围在0～20m/s的情况进行了测试，取得了较好的效果。

本实用新型的原理如下：

仪器的工作过程是：首先针对实际应用管道，在粉体颗粒输送条件下，利用相位多普勒测速仪(PDA)对线性静电传感器阵列速度测量系统进行对比标定，获得无量纲标定系数k₀；应用线性静电传感器阵列速度测量时，由静电传感器阵列及计算机数据采集系统对管道内气固两相流颗粒静电噪声进行数据采集，通过傅立叶变换计算差分静电信号的功率谱密度函数，之后即在功率谱特性曲线上读出尖峰频率值f₀，进而根据v＝k₀·p·f₀，计算获得气固两相流颗粒平均速度。

Claims (1)

1.一种颗粒速度的线性静电传感器阵列测量装置，包括：测量探头(1)、前置电荷差分放大电路(2)、数据采集卡(3)及计算机(4)，前置电荷差分放大电路(2)的输出端与数据采集卡(3)输入端连接，数据采集卡(3)的输出端与计算机(4)相连接并由计算机(4)对数据采集卡(3)的输出信号进行频谱分析并确定频谱上的峰值频率，进而计算获得气固两相流颗粒平均速度，其特征在于，所述测量探头(1)包括：绝缘测量管道(10)，在绝缘测量管道(10)上设有第一静电传感器阵列(5)及第二静电传感器阵列(6)，在绝缘测量管道(10)、第一静电传感器阵列(5)及第二静电传感器阵列(6)的外部设有金属屏蔽罩(9)，所述第一静电传感器阵列(5)至少包括第11环形静电传感器、第12环形静电传感器、第13环形静电传感器、第14环形静电传感器、第15环形静电传感器，并且第一静电传感器阵列(5)中相邻的环形静电传感器之间的轴向间距p相等，第一静电传感器阵列(5)中的各个环形静电传感器由第一静电传感器阵列导线(8)连接，所述第二静电传感器阵列(6)至少包括第21环形静电传感器、第22环形静电传感器、第23环形静电传感器、第24环形静电传感器、第25环形静电传感器，第二静电传感器阵列(6)中的各个环形静电传感器由第二静电传感器阵列导线(7)连接，第21环形静电传感器设在第11环形静电传感器与第12环形静电传感器之间且第21环形静电传感器至第11环形静电传感器之间的轴向距离等于第21环形静电传感器至第12环形静电传感器之间的轴向距离，第22环形静电传感器设在第12环形静电传感器与第13环形静电传感器之间且第22环形静电传感器至第12环形静电传感器之间的轴向距离等于第22环形静电传感器至第13环形静电传感器之间的轴向距离，第23环形静电传感器设在第13环形静电传感器与第14环形静电传感器之间且第23环形静电传感器至第13环形静电传感器之间的轴向距离等于第23环形静电传感器至第14环形静电传感器之间的轴向距离，第24环形静电传感器设在第14环形静电传感器与第15环形静电传感器之间且第24环形静电传感器至第14环形静电传感器之间的轴向距离等于第24环形静电传感器至第15环形静电传感器之间的轴向距离，第25环形静电传感器与第15环形静电传感器之间的距离为第一静电传感器阵列(5)中相邻的环形静电传感器之间的轴向间距p的二分之一。

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