矩阵式电容传感器空间滤波测速方法研究与系统设计

摘要

在化工、冶金、电力、医药、食品加工等大量工业过程中，气力输送通常应用于输送粉状和粒状材料。在气固两相流传输过程中，固相颗粒的流动速度是描述流动特性的重要参数。为了有效利用能源和原材料，以及优化颗粒处理和控制过程，在输送管道中实现准确、可靠、实时、连续的颗粒速度测量成为亟待解决的工程问题。本文设计了一种新型的矩阵式电容传感器结构，并结合光学空间滤波的原理，提出了基于该传感器实现管道内局部颗粒速度测量的方法。该测量方法可以克服现有颗粒速度测量技术中无法反映管道截面速度场分布的不足。 本文首先建立了矩阵式电容传感器的数学与仿真模型。然后对矩阵式电容传感器的空间灵敏度分布规律进行了分析，得出了该传感器具有轴向周期性分布以及管道截面局部分布的空间灵敏度特性。在此基础上，进一步系统研究了传感器结构参数对空间灵敏场分布的影响，并利用相似性原理建立了矩阵式电容传感器灵敏度的相似化计算模型。 从“流动噪声”频率响应和统计学的角度推导了利用电容空间滤波效应测量流体流速的一般性理论。然后以本文所设计矩阵式电容传感器为基础，推导了其速度测量的理论公式并详细分析了其空间滤波特性，得出了通过测量输出信号频谱中的峰值频率获得管道内壁局部区域颗粒速度的测速方法。在此基础上，进一步利用差分矩阵式电容传感器提高空间频率选择性，以及扩大固体颗粒速度检测的动态范围。针对其峰值频率中心偏移进行了理论分析，并给出了补偿校正的方法。通过定义有效灵敏度和频带宽度作为滤波特性的评估指标，对矩阵式电容传感器的结构参数设计原则给出了一般性的建议。最后，对实际应用中空间滤波法测速的误差进行了分析。 在理论分析的基础上，从实验的角度对矩阵式电容传感器的空问滤波特性，以及气固流局部颗粒速度测量进行了验证和分析。在重力输送颗粒流倾斜实验中，输送管道倾斜45°角控制固体颗粒沿管道底部流动。实验结果证实，矩阵式电容传感器具有局部灵敏特 性和测量局部颗粒速度的能力。在重力输送颗粒流垂直实验中，进一步进行了基于矩阵式电容传感器速度测量系统性能的定量评估。实验结果表明，在给定的设计参数下，在2.42～5.77 m/s的速度范围内，测量系统对石英颗粒和橡胶颗粒重复测量的标准偏差小于±9%。

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