CN207557052U - 一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置，包括测量探头，测量探头依次连接有差分电容检测电路模块、数据采集卡、计算机。测量探头包括绝缘管道外壁上布置的由环状激励电极和弧状感应电极阵列构成的电极阵列和金属屏蔽罩。解决了现有技术中存在的无法获得管道截面上速度场的分布以及速度测量准确性差的问题。

Description

一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置

技术领域

本实用新型属于气固两相流测量装置技术领域，涉及一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置。

背景技术

颗粒速度是反应气固两相流动特性的重要参数，实现颗粒速度的实时检测对于流动状态的监测及生产过程中计量、节能和控制具有重要意义。根据不同的传感器测量原理，目前已有多种方法用于固相颗粒速度的测量，如多普勒、互相关、空间滤波、核磁共振、示踪法等。光学空间滤波法可实现固体颗粒移动速度的测量，具有结构简单，机械及光学性能稳定，光源选择范围广，数据处理方便等优点，但不适用于恶劣的工业现场环境，尤其是在密相气固流参数测量应用上。与其它非接触检测方法相比，电容传感器因其具有功耗低、响应快、无辐射、电极设计灵活以及适应复杂工业环境等特点在两相流速度参数测量方面具有较大的应用潜力。

气力输送系统中颗粒的流动会导致特定管道区域内流动介质的介电特性发生变化。近年来，国内外相关学者开展了电容传感器结合光学空间滤波的方法测量固体颗粒速度的研究，相继研究并开发了电容空间滤波效应颗粒速度测速系统，测量系统具有结构简单、成本低廉、适合于复杂的工业现场环境等特点。但上述电容空间滤波法主要采用半圆环或圆环状电容传感器，其输出信号是管道截面内所有颗粒介电特性的叠加，因而获得的是管道截面上固体颗粒的平均加权速度，而无法获得管道截面上速度场的分布信息。在实际气力输送管道中，流体的速度和浓度往往是不均匀分布。此外，由于电容传感器的电极具有一定的几何形状和尺寸，用电容传感器的“敏感窗口“检测流体的流动状况时，电容电极对流动噪声将以特定的空间权函数进行加权平均。但半圆环或圆环电容传感器输出信号频带范围较宽且受颗粒空间位置分布影响较大，降低了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，信噪比较低，频带宽度难以确定，从而影响速度测量的准确性。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置，解决了现有技术中存在的无法获得管道截面上速度场的分布以及速度测量准确性差的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置，包括测量探头，测量探头依次连接有差分电容检测电路模块、数据采集卡、计算机。

本实用新型的特点还在于，

测量探头包括绝缘测量管道，绝缘测量管道外壁上布置有电极阵列和金属屏蔽罩，电极阵列与差分电容检测电路模块连接。

差分电容检测电路模块包括P路并行设置的差分电容检测电路，每路差分电容检测电路的输出端分别与数据采集卡的输入端连接。

电极阵列包括一个圆环状激励电极，激励电极两侧沿轴向对称设置有Q对圆弧状感应电极，即，圆弧状感应电极沿管道轴向共分为上下两层，分别为第一层感应电极阵列和第二层感应电极阵列，圆弧状感应电极阵列远离激励电极的一侧设置有轴向保护电极，每路差分电容检测电路均包括两个输入端，分别为第一输入端、第二输入端，其中1≤Q≤P，第i对圆弧状感应电极的两个感应电极分别连接第j路差分电容检测电路的第一输入端和第二输入端，其中1≤i≤Q，1≤j≤P。

整个绝缘测量管道、激励电极，第一层感应电极阵列、第二层感应电极阵列、轴向保护电极均包覆于金属屏蔽罩内。

每路差分电容检测电路均相同，具体为：第一电容C₁与第一电阻R₁一端与第一运算放大器A₁的反相输入端相连接，第一电容C₁另一端、第一电阻R₁另一端和第三电容C₃一端与第一运算放大器A₁的输出端相连接，第二电容C₂与第二电阻R₂一端与第二运算放大器A₂的反相输入端相连接，第二电容C₂另一端、第二电阻R₂另一端和第四电容C₄一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的同相输入端与第二运算放大器A₂的同相输入端接地；第五电阻R₅与可调电阻R₇一端与第三运算放大器A₃的反相输入端相连接，第三电容C₃另一端与第三电阻R₃一端与第三运算放大器A₃的同相输入端相连接，可调电阻R₇另一端与第九电阻R₉一端与第三运算放大器A₃的输出端相连接，第六电阻R₆与可调电阻R₈一端与第四运算放大器A₄的反相输入端相连接，第四电容C₄另一端与第四电阻R₄一端与第四运算放大器A₄的同相输入端相连接，可调电阻R₈另一端与第十电阻R₁₀一端与第四运算放大器A₄的输出端相连接，第三电阻R₃另一端与第四电阻R₄另一端接地；第九电阻R₉另一端与第十一电阻R₁₁一端与第五运算放大器A₅的反相输入端相连接，第十电阻R₁₀另一端与第十二电阻R₁₂一端与第五运算放大器A₅的同相输入端相连接，第十一电阻R₁₁另一端与第五运算放大器A₅的输出端相连接，第十二电阻R₁₂另一端接地。

本实用新型的有益效果是，本实用新型的一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容传感器阵列测量装置，结构简单、布置灵活、价格低廉，并且由于采用圆环形激励电极和圆弧状电容传感器阵列对称分布，可以实现管道截面颗粒的速度分布的测量；本实用新型中采用差分电容测量方式，消除了基频信号对测量的影响，降低了频带宽度测量的不确定性，从而提高了颗粒速度测量的准确性，具体表现为：

1)相比圆环状或半圆环状电容空间滤波器，本实用新型采用圆弧状电容传感器阵列关于圆环形激励电极对称分布的布局，可以实现对管道截面颗粒的速度分布的测量，可用于复杂环境下气固两相流动测量；

2)采用轴向差分电容检测方式，提高了电容空间滤波器的空间频率选择性，消除了基频信号对测量的影响，降低了频带宽度测量的不确定性，从而提高了颗粒速度测量的准确性；

3)圆弧状电容传感器阵列在结构上不影响流体的流动状态，属于非接触式测量，具有结构简单，信号处理方便，价格低廉等特点,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是本实用新型一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置的结构示意图；

图2是本实用新型一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置的测量探头结构示意图；

图3本实用新型一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置的测量探头的展开图；

图4是本实用新型一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置的差分电容检测电路图；

图5是单通道电容输出信号功率谱；

图6是轴向相邻差分电容输出信号功率谱。

图中，1.测量探头，2.差分电容检测电路模块，3.数据采集卡，4.计算机，5.激励电极，6.第一层电容感应电极阵列，7.第二层电容感应电极阵列，8.轴向保护电极，9.金属屏蔽罩，10.绝缘测量管道，11.第一输入端，12.第二输入端，13.差分电容检测电路的输出端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型的一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置，如图1所示，包括测量探头1，测量探头1依次连接有差分电容检测电路模块2、数据采集卡3、计算机4。

如图2所示，测量探头1包括绝缘测量管道10，绝缘测量管道10外壁上布置有电极阵列和金属屏蔽罩9，电极阵列与差分电容检测电路模块2连接。

差分电容检测电路模块2包括P路并行设置的差分电容检测电路，每路差分电容检测电路的输出端13分别与数据采集卡3的输入端连接。

电极阵列包括一个圆环状激励电极5，激励电极5两侧沿轴向对称设置有Q对圆弧状感应电极，即圆弧状感应电极沿管道轴向共分为上下两层，分别为第一层感应电极阵列6和第二层感应电极阵列7，第一层感应电极阵列6和第二层感应电极阵列7远离激励电极5的一侧设置有用以限定传感器轴向灵敏范围的轴向保护电极8，如图3所示。每路差分电容检测电路均包括两个输入端，分别为第一输入端11、第二输入端12，其中1≤Q≤P，第i对圆弧状感应电极的两个感应电极分别连接第j路差分电容检测电路的第一输入端11和第二输入端12，其中1≤i≤Q，1≤j≤P。

整个绝缘测量管道10、激励电极5，第一层感应电极阵列6、第二层感应电极阵列7、轴向保护电极8均包覆于金属屏蔽罩9内。

如图4所示，每路差分电容检测电路均相同，具体为：第一电容C₁与第一电阻R₁一端与第一运算放大器A₁的反相输入端相连接，第一电容C₁另一端、第一电阻R₁另一端和第三电容C₃一端与第一运算放大器A₁的输出端相连接，第二电容C₂与第二电阻R₂一端与第二运算放大器A₂的反相输入端相连接，第二电容C₂另一端、第二电阻R₂另一端和第四电容C₄一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的同相输入端与第二运算放大器A₂的同相输入端接地；第五电阻R₅与可调电阻R₇一端与第三运算放大器A₃的反相输入端相连接，第三电容C₃另一端与第三电阻R₃一端与第三运算放大器A₃的同相输入端相连接，可调电阻R₇另一端与第九电阻R₉一端与第三运算放大器A₃的输出端相连接，第六电阻R₆与可调电阻R₈一端与第四运算放大器A₄的反相输入端相连接，第四电容C₄另一端与第四电阻R₄一端与第四运算放大器A₄的同相输入端相连接，可调电阻R₈另一端与第十电阻R₁₀一端与第四运算放大器A₄的输出端相连接，第三电阻R₃另一端与第四电阻R₄另一端接地；第九电阻R₉另一端与第十一电阻R₁₁一端与第五运算放大器A₅的反相输入端相连接，第十电阻R₁₀另一端与第十二电阻R₁₂一端与第五运算放大器A₅的同相输入端相连接，第十一电阻R₁₁另一端与第五运算放大器A₅的输出端相连接，第十二电阻R₁₂另一端接地，第五运算放大器A₅的输出端为差分电容检测电路的输出端13。

实施例1

一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容传感器阵列测量装置，包括测量探头1、绝缘测量管道10、电容差分检测电路模块2、数据采集卡3及用于对数据采集卡输出信号进行频谱分析并确定频带宽度，进而计算获得气固两相流颗粒速度的计算机4。所述测量探头包括绝缘管道外壁上布置的电极阵列和金属屏蔽罩9，所述电极阵列包括1个圆环状激励电极5和2×8个圆弧状感应电极以及2个用以限定传感器轴向灵敏范围的轴向保护电极8，沿管道周向圆弧状感应电极阵列的列数共有8列，每列圆弧状感应电极沿轴向关于圆环形激励电极对称分布，沿管道轴向共分为上下两层，即第一层感应电极阵列6和第二层感应电极阵列7。轴向保护电极8和金属屏蔽罩9均接地。第一层感应电极阵列和第二层感应电极阵列中第i列感应电极中的两个感应电极分别与第j路差分电容检测电路的第一输入端11、第二输入端12连接，其中，i为感应电极阵列中任意一列电极的列数，且1≦i≦8。每路电容差分放大电路的输出端13分别与数据采集卡3的输入端连接。数据采集卡3的输出端与计算机4的输入端连接，由计算机4对数据采集卡采集3输出信号进行频谱分析并确定频带宽度，进而计算获得气固两相流颗粒速度分布信息。在计算机4内由专门编制的数据采集与处理软件程序,将电容转换所得电压信号进行滤波等预处理后,可绘出平面电容传感器输出电容随时间变化的曲线图，同时该软件包可对采集的差分电容信号的进行离散傅里叶变换分析与频率捕捉,从而获得颗粒的流动速度分布的测量值；将周向所有电容电极对的测量值通过截面速度场分布算法可实现管道截面速度场分布的可视化。

工作原理：

(1)电极阵列包括1个圆环形激励电极5和2×8个圆弧状感应电极以及轴向保护电极8，均布置在绝缘管道10外壁的周向位置上。轴向保护电极8和金属屏蔽罩9均接地。当固相颗粒沿管道轴向方向运动时，第i列感应电极中的两个圆弧状感应电极分别分别产生两组反映气固两相流流动信息的电容信号，因此共产生2×8组反映固相颗粒速度分布信息的独立电容信号，若差分电容检测电路共8路，由第1差分电容检测电路至第8差分电容检测电路差分放大后，产生8组差分电容信号，由数据采集卡3采集并送入计算机4进行分析处理。其中圆弧状感应电极的列数可由测量管道实际尺寸确定；

(2)在计算机4内，通过编程对采集到的8组差分电容信号序列c_i(n)进行傅里叶变换，得到其频谱E_i(k)，然后取其幅值的平方|E_i(k)|²并除以差分电容离散数据信号长度N，作为差分电容信号序列c_i(n)的功率谱估计P_i(k),i＝1,2…8，则可以得到：

其中：n是时域差分电容信号的离散点，k为频域离散点。

(3)根据(2)中得到的8组功率谱特性函数的频率通带宽度确定每一组截止频谱f_i,用如下公式：

f_i＝K_i·F_s (2)

其中：K_i为功率谱函数截止频率对应位置的离散点数，F_s是功率谱分析的频率分辨率。

(4)根据(3)的功率谱截止频率值f_i和第一层感应电极和第二层感应电极轴向间隔p，可以确定管道截面上不同区域气固两相颗粒流平均流动速度v_i,计算公式如下：

v_i＝k₀·p·f_i (3)

p＝w+d (4)

其中：k₀是速度测量无量纲校正常数，由实验标定。p是轴向相邻电容电极对的轴向间隔，w是电极轴向宽度，d是圆环形激励电极与圆弧状感应电极之间的间距。

可见，获得了每一组差分电容输出信号的功率谱特性的截止频率值fi，即可计算出管道截面不同区域位置颗粒的平均速度v_i，周向所有电极对相组合，可以获得截面颗粒速度场分布信息与规律。

本实用新型的差分电容检测电路的输出端通过数据采集卡(USB-6353)与计算机相连接。该电容检测电路采用交流法检测微小电容，用五个运算放大器组成差分式电容检测电路，具有灵敏度高、输入阻抗高、输出阻抗低、温度漂移小、共模抑制比高、抗杂散电容等特点。本电路中第一运算放大器A₁和第二运算放大器A₂分别与第一电阻R₁、第一电容C₁和第二电阻R₂、第二电容C₂组成电容/电压(C/V)转换模块，将待测电容检测极上产生的微弱电流转化为电压值；第三运算放大器A₃和第四运算放大器A₄分别与第三电阻R₃、第五电阻R5、可调电阻R₇和第四电阻R₄、第六电阻R₆与可调电阻R₈组成可调增益交流放大器，其主要有两个：一方面对C/V转换电路的输出做进一步放大，另一方面根据被测电容的大小选择相应的增益，使得输出信号在合适的电压范围内；第五运算放大器A₅和第九电阻R₉、第十电阻R₁₀第十一电阻R₁₁以及第十二电阻R₁₂组成差动检测模块，将轴向对称两个圆弧状感应电极的电容检测信号进行交流差分放大信号处理。平面电容传感器阵列输出的电容信号是低频微弱信号，因此有必要采取抗干扰措施：(1)测量探头的屏蔽，电极阵列外部设置接地金属屏蔽罩并填充各向同性的低介电特性材料，防止外部电磁干扰以及振动、温度变化等对测量电极的影响。(2)元器件的选型，微弱信号检测的重要问题就是降低检测电路本身的噪声以及提高检测精度和速度。因此，本电路C/V转换模块中的第一运算放大器A₁和第二运算放大器A₂采用高速高精度运放OPA627BP，增益带宽16MHz，在频谱为10kHz时，等效噪声电压值为4.5nV/√Hz，低温漂0.8μV/℃等。可调增益交流放大器中的第三运算放大器A₃和第四运算放大器A₄采用由高速高精度低漂移运算放大器OPA627，可实现连续可调增益。交流差分放大中第五运算放大器A₅采用BB公司的高精度仪表放大器INA114，具有低偏移电压(50μVmax)、低漂移(0.25μV/℃max)、低输入偏置电流(2nA max)、高共模抑制比(115dB min)、低静态电流(3mAmax)等特点。电路中的电阻均选用精度较高的5色环金属膜电阻，精度为1％，功率为1/2(W)。电路中所用电容选用镀银云母电容，具有低等效串联电阻(ESR)和100ppm/℃的温漂。(3)测量探头和检测电路以及计算机之间的信号连接线采用镀银屏蔽线RG316，衰减低，驻波比小。差分检测电路放在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，必须避免振动和冲击等造成元器件变形或电路连接线发生移动带来的影响。

图5是单通道电容输出信号功率谱；图6是轴向相邻差分电容输出信号功率谱。由图5和图6可以看出，单通道电容输出信号功率谱通带宽度较宽，截至频率值收敛缓慢且难以精确测量；轴向相邻差分电容输出信号功率谱带宽度较窄，截至频率值精确收敛，可有效地降低频带宽度测量不准确带来的误差，从而提高了颗粒速度测量的准确性。

现已对树脂颗粒、石英、玻璃珠等物料在重力输送颗粒流实验平台和皮带轮输送装置以及差压气力输送装置上进行了试验，利用本发明中提及的方法及装置对颗粒速度范围0～15m/s的情况进行了测试，获得了连续颗粒速度测量的标准偏差小于12％的较好效果。

本实用新型的一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置的工作过程是首先针对实际应用管道，即本实用新型的绝缘侧测量管道10，在固相颗粒气力输送条件下，利用相位多普勒测速仪(PDA)对差分式电容传感器阵列测量系统进行对比标定，获得无量纲标定系数k₀。应用差分式电容传感器阵列速度测量时，由弧状感应电容电极阵列及计算机数据采集系统对管道内气固两相流颗粒流动噪声进行数据采集，通过傅立叶变换(FFT)计算轴向相邻差分电容信号的功率谱密度函数，然后在功率谱特性曲线上通过频率捕捉获得截止频率值，进而根据v_i＝k₀×p×f_i，p＝w+d计算出截面不同区域内颗粒平均速度，周向所有电极组相结合，可获得管道截面上颗粒速度分布。

Claims (6)

1.一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置，其特征在于，包括测量探头(1)，所述测量探头(1)依次连接有差分电容检测电路模块(2)、数据采集卡(3)、计算机(4)。

2.根据权利要求1所述的一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置，其特征在于，所述测量探头(1)包括绝缘测量管道(10)，所述绝缘测量管道(10)外壁上布置有电极阵列和金属屏蔽罩(9)，所述电极阵列与差分电容检测电路模块(2)连接。

3.根据权利要求2所述的一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置，其特征在于，所述差分电容检测电路模块(2)包括P路并行设置的差分电容检测电路，每路差分电容检测电路的输出端分别与数据采集卡(3)的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置，其特征在于，所述电极阵列包括一个圆环状激励电极(5)，所述激励电极(5)两侧沿绝缘测量管道(10)轴向对称设置有Q对圆弧状感应电极，即圆弧状感应电极沿绝缘测量管道(10)轴向共分为上下两层，分别为第一层感应电极阵列(6)和第二层感应电极阵列(7)，所述第一层感应电极阵列(6)和第二层感应电极阵列(7)的一侧均设置有轴向保护电极(8)，所述每路差分电容检测电路均包括两个输入端，分别为第一输入端(11)、第二输入端(12)，其中1≤Q≤P，第i对圆弧状感应电极的两个感应电极分别连接第j路差分电容检测电路的第一输入端(11)和第二输入端(12)，其中1≤i≤Q，1≤j≤P。

5.根据权利要求4所述的一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置，其特征在于，整个绝缘测量管道(10)、激励电极(5)，第一层感应电极阵列(6)、第二层感应电极阵列(7)、轴向保护电极(8)均包覆于金属屏蔽罩(9)内。

6.根据权利要求4或5所述的一种气固两相流局部颗粒速度的平面电容阵列测量装置，其特征在于，所述每路差分电容检测电路均相同，具体为：第一电容C₁与第一电阻R₁一端与第一运算放大器A₁的反相输入端相连接，第一电容C₁另一端、第一电阻R₁另一端和第三电容C₃一端与第一运算放大器A₁的输出端相连接，第二电容C₂与第二电阻R₂一端与第二运算放大器A₂的反相输入端相连接，第二电容C₂另一端、第二电阻R₂另一端和第四电容C₄一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的同相输入端与第二运算放大器A₂的同相输入端接地；第五电阻R₅与可调电阻R₇一端与第三运算放大器A₃的反相输入端相连接，第三电容C₃另一端与第三电阻R₃一端与第三运算放大器A₃的同相输入端相连接，可调电阻R₇另一端与第九电阻R₉一端与第三运算放大器A₃的输出端相连接，第六电阻R₆与可调电阻R₈一端与第四运算放大器A₄的反相输入端相连接，第四电容C₄另一端与第四电阻R₄一端与第四运算放大器A₄的同相输入端相连接，可调电阻R₈另一端与第十电阻R₁₀一端与第四运算放大器A₄的输出端相连接，第三电阻R₃另一端与第四电阻R₄另一端接地；第九电阻R₉另一端与第十一电阻R₁₁一端与第五运算放大器A₅的反相输入端相连接，第十电阻R₁₀另一端与第十二电阻R₁₂一端与第五运算放大器A₅的同相输入端相连接，第十一电阻R₁₁另一端与第五运算放大器A₅的输出端相连接，第十二电阻R₁₂另一端接地。