方形气力输送管道中气固两相流参数的测量装置及方法

摘要

本发明公开了属于输送管道中气固两相流参数的测量技术范围的一种方形气力输送管道中气固两相流参数的测量装置及方法。该测量装置是在方形输送管道上安装静电传感器，静电传感器和前端电荷放大器、信号处理电路、数据采集卡及计算机串联。测量方法是静电传感器通过静电感应反映出固体颗粒在方形管道中流过方形电极时所带静电荷的电量，前端电荷放大器对电极上的微弱感应电荷进行预处理，经过信号处理电路，数据采集卡，并输入计算机，对采样信号进行相应的分析处理，得到方形管道中气固两相流的相应参数，实现对方形气力输送管道中气固两相流参数的测量。

说明书

技术领域

本发明属于输送管道中气固两相流参数的测量技术范围，特别涉及一种方形气力输送管道中气固两相流参数的测量装置及方法。

背景技术

气固两相流普遍存在于自然现象中，并涉及到国民生产的很多领域，与工农业生产有密切联系。因为固体物料的管道化输送具有运输效率高、避免环境影响、增加安全性等优点，所以它成为气固两相流与工农业生产相关最为密切的一个应用，并且广泛应用于火力发电中煤粉的管道输送，食品工业中面粉的管道输送，医药制造中药品的管道输送，冶金工业中矿石的管道输送和化工中化工原料的管道输送等。正因如此，有关气固两相流的研究受到越来越多的重视。

目前已产生了很多气固两相流测量方法，但由于没有准确的理论模型可以完全阐述气固两相流的流动变化规律，所以这些方法都有一定的局限性。气固两相流的流动状况相当复杂，参数众多，流型多样，并且其变化受到多种因素的影响。

在气力输送中，由于固体颗粒之间的相互碰撞，固体颗粒与管道壁之间的碰撞和固体颗粒和气流之间的摩擦，固体颗粒会携带一定量的电荷，且电荷量携带一定的两相流信息。基于静电感应的基本原理，许多学者开始尝试将静电法应用于气固两相流的参数测量中。此外，静电法几乎可以用来测量气固两相流的所有参数，并且在测量某些参数方面具有独特的优势，所以近年来静电法在气固两相流参数测量方面的发展很迅速并取得的不错的效果，特别是针对圆形管道的静电法研究和应用。

在一些工业中，方形管道也被应用在固体物料气力输送中。本发明针对方形气力输送管道，设计一静电传感和测量装置，它通过测量气力输送固体颗粒所携带电荷的电量来获得方形气力输送管道中气固两相流的参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种方形气力输送管道中气固两相流参数的测量装置及方法。其特征在于，所述方形气力输送管道中气固两相流参数的测量装置是在方形输送管道1上安装静电传感器2，静电传感器2和前端电荷放大器3、信号处理电路4、数据采集卡5及计算机6串联。

所述静电传感器2的电极为方形电极，与方形输送管道相对应。

所述静电传感器安装在方形输送管道的外壁或内壁。

所述静电传感器2安装在方形输送管道的外壁是在管道的外壁上依次固定绝缘层8、静电传感器2、绝缘层8和屏蔽层9；所述静电传感器2安装在方形输送管道的内壁是通过绝缘层8固定在方形输送管道内壁。

所述方形气力输送管道中气固两相流参数的测量方法是静电传感器2通过静电感应反映出固体颗粒在方形管道中流过方形电极时所带静电荷的电量，前端电荷放大器3对静电传感器2电极上的微弱感应电荷进行预处理，同时增强信号，预处理之后的传感器信号被传送到信号处理电路4，完成信号放大、滤波、信号运算、信号规整后输入给数据采集卡5，数据采集卡5进行模数转换，使符合采样频率要求，并输入计算机6，计算机6通过处理程序，对采样信号进行相应的分析处理，得到方形管道中气固两相流的相应参数，实现对方形气力输送管道中气固两相流参数的测量。

所述前端电荷放大器应贴近方形电极安置，使其达到减少微弱电荷信号损失的目的。

所述前端电荷放大电路采用高阻抗(达10¹²欧姆)放大芯片，信号经前端电荷放大器后实现阻抗和后级信处理电路匹配，其处理静电传感器原始信号，对整个装置功能的实现至关重要。

所述方形电极的轴向宽度是静电传感器性能的决定参数，电极太窄，静电传感器的感应信号太小，测量容易受到噪声干扰；电极太宽，空间滤波效应明显，静电传感器输出信号的频带将大大降低，由于卷积涂污作用导致上下游传感器信号间的相关函数峰值区域平坦，根据相关函数决定渡越时间估计的不确定度(或误差)增加并进而影响测量结果的准确性。

所述静电传感器单独使用一个则测量方形管道中气固两相流的固相浓度；两个配合使用，则测量方形管道中气固两相流的固相质量流量和固体颗粒的速度。

本发明的有益效果是利用本发明分别对方形管道中自由落体颗粒和气力输送微细颗粒进行了测量，相关法测速结果显示实测颗粒速度和颗粒理论参考速度吻合。本测量装置实现了对方形气力输送管道中气固两相流多个参数的测量，使用一个静电可以测量方形管道中气固两相流的固相浓度；两个静电传感器配合使用则测量方形管道中气固两相流的固相质量流量和固体颗粒的速度。利用上述测量的多个参数，给各行业使用的方形气力输送管道的设计提供了数据参考，大大加快工程进度。

附图说明

图1、应用于方形气力输送管道的静电传感和测量装置示意图。

图2应用于方形气力输送管道的静电传感器安装截面示意图，(a)电极安装在方形管道外壁；(b)电极安装在方形管道内壁。

图3、电荷放大电路原理示意图。

图4、方形静电传感器典型输出信号：(a)单颗粒信号；(b)多颗粒信号。

图5、信号相关函数：(a)相应于图4(a)中信号的相关函数；(b)相应于图4(b)中信号的相关函数。

具体实施方式

本发明提供一种方形气力输送管道中气固两相流参数的测量装置及方法。在图1所示的应用于方形气力输送管道的静电传感和测量装置示意图中，在方形输送管道1上安装静电传感器2，静电传感器2和前端电荷放大器3、信号处理电路4、数据采集卡5及计算机6串联。图2(a)所示为静电传感器2方形电极安装在方形管道外壁示意图，在管道的外壁上依次固定绝缘层8、静电传感器2、绝缘层8和屏蔽层9；图2(b)为静电传感器2方形电极安装在方形管道内壁示意图，方形电极是通过绝缘层8固定在方形输送管道1内壁。

所述方形气力输送管道中气固两相流参数的测量方法的基本工作原理如图1所示，当利用气流在管道中输送固体颗粒7时，由于固体颗粒7之间、与管道1的壁碰撞以及与气流的摩擦，固体颗粒7携带一定量的静电荷。静电传感器2方形电极是整个装置的关键所在，它主要通过静电感应反映出固体颗粒7在方形管道1中流过静电传感器2方形电极时所带静电荷的电量。由前端电荷放大器3对静电传感器2方形电极上的微弱感应电荷进行预处理，同时可以增强信号，以便后期再对传感器的输出信号分析处理。为尽量减少微弱电荷信号的损失，前端电荷放大器3贴近方形电极安置。预处理之后的传感器信号被传送到信号处理电路。信号处理电路4主要完成信号放大、滤波、信号运算、信号规整后输入给数据采集卡5，数据采集卡5进行模数转换，使符合采样频率要求，并输入计算机6，计算机6通过处理程序，对采样信号进行相应的分析处理，得到方形管道中气固两相流的相应参数，实现对方形气力输送管道中气固两相流参数的测量。

静电法在圆形管道和方形管道的最大不同之处在于静电传感器，而传感器的最大不同之处又在传感器的电极形状。由于电极形状的区别，静电传感器在固体颗粒流经传感器电极时的感应特性也有十分明显的区别，主要体现在方形电极的四个角落。

方形电极的轴向宽度是静电传感器性能的决定参数，电极太窄，静电传感器的感应信号太小，测量容易受到噪声干扰；电极太宽，空间滤波效应明显，影响测量结果的准确性。静电传感器方形电极被安装在方形管道的外壁和内壁的截面图如图2。

电荷放大电路处理静电传感器原始信号，对整个装置功能的实现至关重要。采用高阻抗(达10¹²欧姆)放大芯片，信号经前端电荷放大器后实现阻抗和后级信处理电路匹配。电荷放大电路原理示意图如图3，元器件清单见表1。

表1 电荷放大电路电子元器件清单

    数量    型号    编号    封装    1    CA3240    U1    DIP8    1    10pF    Cf    RAD0.4    2    0.1uF    C2 C4    RAD0.2    2    0.01uF    C3 C5    RAD0.2    1    100M    Rf    AXIAL0.4    1    2.74K    R2    AXIAL0.4    2    1N4001    D1 D2    DIODE0.4

利用本发明分别对方形管道中自由落体颗粒和气力输送微细颗粒进行了测量，相关法测速结果显示实测颗粒速度和颗粒理论参考速度吻合。实测典型传感器信号如图4(a)为单颗粒信号；图4(b)为多颗粒信号所示。对应信号的相关函数如图5(a)相应于图4(a)中信号的相关函数；图5(b)相应于图4(b)中信号的相关函数。

利用本发明的静电传感器及其测量装置实现了对方形气力输送管道中气固两相流多个参数的测量。若单独使用一个静电传感器，则测量方形管道中气固两相流的固相浓度，若两个静电传感器配合使用，则测量方形管道中气固两相流的固相质量流量和固体颗粒的速度。