颗粒速度分布的弧状静电传感器阵列测量方法及装置

摘要

本发明公开了一种颗粒速度分布的弧状静电传感器阵列测量方法及装置。该方法在管道上布置一弧状电极阵列，当带电颗粒通过静电传感器阵列时，电极阵列的每一行电极组将产生两组反映气固流动信息的静电信号，接入差分放大电路放大后，经数据采集电路送入计算机，在计算机内对差分静电信号进行频谱分析并确定频谱上的峰值频率，进而获得该电极组敏感空间内气固两相流颗粒平均速度，周向上所有电极组结合可实现速度分布测量。相比于单环及多环静电感应滤波器，弧状静电传感器阵列能够实现管道截面颗粒速度分布测量，具有较高的准确性。本发明的颗粒速度的弧状静电传感器阵列测量装置包括测量探头、电荷差分放大电路、数据采集卡及计算机。

说明书

技术领域

本发明属于气固两相流测量技术领域，具体涉及一种颗粒速度分布的弧状静电传感器阵列测量方法及装置。

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。实现气固两相流颗粒速度分布测量对于推动气固两相流机理研究以及生产过程的粉体流量计量、节能与控制具有重要意义。目前，基于不同的测量原理，人们已开发了多种非接触式颗粒速度测量方法，如多普勒、互相关、空间滤波、直接观察法等。多普勒颗粒速度测量基本原理是利用颗粒的移动导致散射光产生频移测量颗粒速度，具有简单、可靠等特点，在流体实验研究领域得到了广泛的应用，流动测量可从毫米级到几米的管道直径范围。但是多普勒速度测量系统设备昂贵，且仅适用于稀相悬浮流动条件。直接观察法主要包括高速摄像、PIV技术、荧光粒子示踪等方法，可获得完整的颗粒流动速度分布测量，但结果分析耗时，仅适用于实验室研究，不适合工业现场应用。以相关技术为基础构成的两相流速度测量系统，具有测量范围宽、适应性强、不阻碍流动，可实现非接触测量等优点，在工业应用上，与其它测量方法相比有较大的优势，为解决气固两相流速度、流量测量问题提供了强有力的技术手段。光学空间滤波法可实现颗粒和物体移动速度的测量，具有系统结构简单，光学及机械性能稳定，光源选择范围广，数据处理方便等优点，但对于恶劣的工业现场环境，尤其是在稠密气固流动测量应用上，有待进一步完善。另外，限制相关法、多普勒和光学空间滤波法应用的一个至关重要的因素这些方法属于点/线测量方法或平均速度测量方法，而无法实现颗粒速度分布瞬态同时测量，因此对于揭示气固流动机理和粉体流量计量十分不利。

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并开发了静电相关法及静电感应空间滤波颗粒速度测速仪，测量系统具有结构简单、硬件成本低、适合于恶劣的工业现场环境等特点。但静电相关和空间滤波法，主要采用环状静电传感器，由于环状静电传感器输出信号是其敏感区域内的所有带电颗粒产生感应电荷的叠加，因而无法获得管道截面上颗粒速度分布信息。

发明内容

为了克服现有气固两相流速度测量方法的不足，本发明提出了一种颗粒速度分布的弧状静电传感器阵列测量方法及装置，本发明能够实现管道截面颗粒速度分布的测量，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，进而提高了颗粒速度测量的准确性。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种颗粒速度分布的弧状静电传感器阵列测量方法，取一绝缘测量管道，在绝缘测量管道的外壁上设置电极阵列，所述的电极阵列为C×10电极阵列，C为电极阵列行数，每行电极沿绝缘测量管道的轴向分布，将每行电极中的奇数电极进行电连接，将每行电极中的偶数电极进行电连接，再分别将第i行电极中的奇数电极及第i行电极中的偶数电极连接于第i路电荷差分放大电路的第一、第二输入端，其中，i为电极阵列中任意一行电极的行数，且1≤i≤C，再将每路电荷差分放大电路的输出信号由数据采集电路送入计算机，由计算机对数据采集卡的每路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速度分布。

本发明所述的一种用于实施颗粒速度分布的弧状静电传感器阵列测量方法的装置，包括：绝缘测量管道、数据采集卡及用于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速度分布的计算机，所述装置还包括电荷差分放大电路以及在绝缘测量管道外壁上设置的电极阵列，所述的电极阵列为C×10电极阵列，C为电极阵列行数，每行电极沿绝缘测量管道的轴向分布，每行电极中的奇数电极进行电连接，每行电极中的偶数电极进行电连接，第i行电极中的奇数电极及第i行电极中的偶数电极分别与第i路电荷差分放大电路的第一、第二输入端连接，其中，i为电极阵列中任意一行电极的行数，且1≤i≤C，每路电荷差分放大电路的输出端分别与数据采集卡的第1～C个输入端连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)相比于单环及多环静电感应空间滤波器，本发明弧状静电传感器阵列结合差分放大电路，实现管道截面颗粒速度分布的测量，可用于复杂的气固两相流动测量；

2)静电传感器阵列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，提高了颗粒速度测量的准确性；

3)弧状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是弧状静电传感器阵列气固两相流颗粒速度分布测量装置的示意图；其中，1-测量探头；2-电荷差分放大电路；3-数据采集卡；4-计算机。

图2是本发明弧状静电传感器阵列探头结构简图，其中，5-电极阵列；6-绝缘测量管道；7-第i行电极中的偶数电极连接导线；8-第i行电极中的奇数电极连接导线；9-金属屏蔽罩。

图3是弧状静电传感器阵列电荷差分放大电路图；其中，10-第一输入端；11-第二输入端；12-输出端。

具体实施方式

实施例1

一种颗粒速度分布的弧状静电传感器阵列测量方法，其特征在于，取一绝缘测量管道6，在绝缘测量管道6的外壁上设置电极阵列5，所述的电极阵列5为8×10电极阵列，每行电极沿绝缘测量管道6的轴向分布，将每行电极中的奇数电极进行电连接，将每行电极中的偶数电极进行电连接，再分别将第i行电极中的奇数电极及第i行电极中的偶数电极连接于第i路差分放大电路的第一输入端10和第二输入端11，其中，i为电极阵列中任意一行电极的行数，且1≤i≤8，再将每路电荷差分放大电路的输出信号由数据采集电路3送入计算机4，由计算机4对数据采集卡3的每路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速度分布。

实施例2

一种用于实施颗粒速度分布的弧状静电传感器阵列测量方法的装置，包括：绝缘测量管道6、数据采集卡3及用于对数据采集卡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速度分布的计算机4，所述装置还包括电荷差分放大电路，在绝缘测量管道6的外壁上设置电极阵列5，所述的电极阵列5为8×10电极阵列，每行电极沿绝缘测量管道6的轴向分布，每行电极中的奇数电极进行电连接，每行电极中的偶数电极进行电连接，第i行电极中的奇数电极及第i行电极中的偶数电极分别与第i路电荷差分放大电路的第一输入端10、第二输入端11连接，其中，i为电极阵列中任意一行电极的行数，且1≤i≤8，每路电荷差分放大电路的输出端12分别与数据采集卡3的第1至第8输入端相连接。

下面参照附图，对本发明的具体实施方案做出更为详细的说明：

1)8×10电极阵列5安装在绝缘测量管道6外壁周向位置上，该电极阵列5产生的2×8组反应气固两相流颗粒速度分布信息的独立静电感应信号，由第1电荷差分放大电路至第8电荷差分放大电路差分放大后，产生8组差分静电信号，并由数据采集卡3送入计算机4。其中电极阵列5的行数8，可根据实际测量管道的尺寸进行确定。

2)在计算机4内，对采集到的8组差分静电信号e_i(n)，i＝1….8，进行傅立叶变换处理得到E_i(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_i(n)的功率谱的估计P_i(k)，则：

$P_i\left(k\right)=\frac{1}{N}{\left|E_i\left(k\right)\right|}^2$

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8组功率谱特性函数的峰值位置确定每一组尖峰频率值f_i，公式如下：

f_i＝K_i·F

其中，K_i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f_i和行电极中奇数(偶数)电极轴向间隔p，确定管道内截面上不同区域气固两相流颗粒流动平均速度v_i，计算公式如下：

v_i＝k₀·p·f_i

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)对弧状静电传感器系统进行对比标定。具体的标定过程如下：相位多普勒测速仪与弧状静电传感器测量系统同步测量，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。以弧状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

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

可见：获得了每一组弧状静电传感器输出信号功率谱特性的尖峰频率值f_i，即可计算出截面不同区域内颗粒平均速度v_i，周向所有电极组相结合，可获得颗粒速度截面分布。

参照图1所示，用于气固两相流颗粒速度的弧状静电传感器阵列测量装置主要包括测量探头1、电荷差分放大电路2、数据采集卡3和计算机4。探头内电极阵列5的输出信号，通过导线分别与差分放大电路2两端相连，经差分、放大后，通过数据采集卡3与计算机4相连。在计算机4内由自行编制的数据采集与处理软件包，将电压信号进行预处理后，可绘出静电传感器输出电压随时间变化的曲线图，同时该软件包可对差分静电信号的进行分析与处理，获得颗粒的流动速度的测量值。

图2为测量装置中所用弧状静电传感器阵列探头，在绝缘测量管道6的外壁上设置电极阵列5，所述的电极阵列为8×10电极阵列，每行电极沿绝缘测量管道6的轴向分布，每行电极中的奇数电极进行电连接，每行电极中的偶数电极进行电连接，第i行电极中的奇数电极及第i行电极中的偶数电极分别与第i路差分放大电路的第一输入端10、第二输入端11连接，其中，i为电极阵列中任意一行电极的行数，且1≤i≤8，两信号通过电荷差分放大电路后，窄带周期性信号成分得以保留，而基频直流部分被剔除。整个绝缘测量管道6、电极阵列5包覆于金属屏蔽罩9内。

图3是弧状静电传感器阵列电荷差分放大电路图。第1至第C个电荷差分放大电路结构相同。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。差分放大电路的输出端12通过数据采集卡PCI 9112与计算机4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。弧状静电传感器阵列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。本电路中采用的高输入阻抗放大器OPA128，频率范围在10Hz-10KHz时，等效噪声的电压值e_N为2.4μV；在0.1Hz-20KHz时，等效噪声的电流值i_N＝0.12fA/(Hz)^1/2。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。

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，利用本发明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。

本发明的原理如下：

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)对弧状静电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；应用弧状静电传感器阵列速度测量时，由弧状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f_i，进而根据v_i＝k₀·p·f_i，(1≤i≤8)，计算出截面不同区域内颗粒平均速度v_i，周向所有电极组相结合，可获得截面上颗粒速度分布。