專利名稱：一種氣固兩相流參數(shù)檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于流體測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種氣固兩相流參數(shù)檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
氣固兩相流研究涉及廣泛的工業(yè)生產(chǎn)過程，通過對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)過程的優(yōu)化控制，對(duì)于提高生產(chǎn)效率，降低能耗、節(jié)約能源具有十分積極的意義。目前，對(duì)于固體速度測(cè)量，主要有基于電容、靜電感應(yīng)、Y射線等監(jiān)測(cè)原理的相關(guān)測(cè)速方法 [1-6]，基于超聲、光學(xué)、微波等原理的多普勒測(cè)速方法及空間濾波方法等等[7-9]。對(duì)于濃度測(cè)量，主要有基于電容、靜電感應(yīng)原理的電學(xué)方法[10-15]；基于射線、聲波、微波、光學(xué)原理的衰減及吸收方法[16] [17]；基于聲波、微波、核磁等原理的共振方法。靜電傳感器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高等特點(diǎn)，在固相顆粒速度的測(cè)量方面獲得了越來越多的重視，其中使用最廣泛的是互相關(guān)法。但是靜電測(cè)量法在兩相流的質(zhì)量流量測(cè)量方面尚未有好的測(cè)量方法。固相顆粒與探針碰撞產(chǎn)生的共振信號(hào)也被應(yīng)用于氣固兩相流的參數(shù)測(cè)量中。共振信號(hào)明顯區(qū)別于背景的低頻振動(dòng)信號(hào)及其他低頻干擾，具有比靜電傳感器更好的抗干擾能力。但是共振信號(hào)既含有速度作用成分，又含有兩相流濃度成分，不能有效地測(cè)量單一流量參數(shù)。參考文獻(xiàn)[1]Y. Yan, Mass flow measurement of bulk solids in pneumatic pipelines, Measurement Science and Technology,1996,12(7) :1687 1706[2]M. P. Mathur, G.E. Klinzing, Flow measurement in pneumatic transport of pulverized coal, Powder Technology,1984,40 :309 321[3]C. G. Xie, A. L. Scott, S.M.Huang et al, Mass flow measurement of solids using electrodynamic and capacitance transducers, Journal of Physics E (Scientific Instruments)，1989，22 :712 719[4] S. R. ffoodhead, J. Ε. Amadi-Echendu. Solid phase velocity measurements utilizing electrostatic sensors and cross correlation signal processing. Proceedings of Instrumentation and Measurement Technology Conference, ffaltham, Massachusetts, USA,24-26 April,1995.[5] Y. Yan, B. Byrne, S. R. ffoodhead et al, Velocity measurement of pneumatically conveyed solids using electrodynamic sensors,Measurement Science and Technology,1995,6 (5) :515 537[6]J. Ma, Y.Yan, Design and evaluation of electrostatic sensors for the measurement of velocity of pneumatically conveyed solids, Flow Measurement and Instrumentation,2000,11(3) :195 204[7]許傳龍，湯光華，王式民等，基于靜電傳感器空間濾波效應(yīng)的顆粒速度測(cè)量，化工學(xué)報(bào)，2007，58(1) 67 74
[8]C. L. Xu,G. H. Tang,B. Zhou et al,The spatial filtering method for solid particle velocity measurement based on an electrostatic sensor， Measurement Science and Technology,2009,20(4) :1 8[9] C. L. Xu, B. Zhou, D.Yang et al，Velocity measurement of pneumatically conveyed solid particles using an electrostatic sensor，Measurement Science and Technology，2008，19(2) :1 9[10]蔣秦毅，熊友輝，氣固兩相流速度及質(zhì)量流量的靜電測(cè)量法研究，華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2005，33(1) :93 95[11]金伊，王溪波，禹樹春，靜電傳感器在電廠煤粉濃度測(cè)量中的研究，沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006, ) :643 646[12]S.Matsusaka, H.Masuda, Simultaneous measurement of mass flow rate and charge-to-mass ratio of particles in gas-solids pipe flow， Chemical Engineering Science,2006,61 (7) :2254 2261[13]Y. Yan, L. J. Xu, P. Lee, Mass flow measurement of fine particles in a pneumatic suspension using electrostatic sensing and neural network techniques, IEEE Transactions on instrumentation and measurement，2006，55 (6) :2330 2334[14]H. L. Hu, T. M. Xu, S. E. Hui et al, A novel capacitive system for the concentration measurement of pneumatically conveyed pulverized fuel at power stations, Flow Measurement and Instrumentation，2006，17(2) :87 92[15]金鋒，張寶芬，王師，電容式氣-固兩相流相濃度傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，42(3) :380 382[16]廖宏楷，周昊，楊華等，風(fēng)煤在線測(cè)量的鍋爐燃燒優(yōu)化系統(tǒng)，動(dòng)力工程，2005， 25(4) 559 562[17]石喜光，周昊，岑可法，基于超聲波方法的管內(nèi)氣固兩相流濃度測(cè)量技術(shù)，熱力發(fā)電，2005，5 37 4
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種響應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)性好且測(cè)量過程簡(jiǎn)單并容易安裝的氣固兩相流參數(shù)檢測(cè)裝置。為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。一種氣固兩相流參數(shù)檢測(cè)裝置，用于測(cè)量管道內(nèi)氣固兩相流的固相速度及氣固兩相流的濃度或固相的質(zhì)量流量，包括兩個(gè)探針、靜電檢測(cè)電路、壓電式傳感器、共振信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊和分析計(jì)算模塊，兩個(gè)探針分別固定在管道內(nèi)部的不同的位置，其中一個(gè)探針處于另一個(gè)探針的下游，兩個(gè)探針既作為靜電相關(guān)測(cè)速的檢測(cè)電極，也作為固相顆粒碰撞的振動(dòng)機(jī)構(gòu)；靜電檢測(cè)電路與兩個(gè)探針相連，用于將檢測(cè)電極檢測(cè)到的靜電荷經(jīng)電荷放大和濾波后得到靜電檢測(cè)信號(hào)；壓電式傳感器連接到兩個(gè)探針中的一個(gè)或兩個(gè)，用于檢測(cè)探針的共振信號(hào)，共振信號(hào)調(diào)理電路用于將共振信號(hào)放大和濾波得到共振檢測(cè)信號(hào)；靜電檢測(cè)信號(hào)與共振檢測(cè)信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊輸入到分析計(jì)算模塊。作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述的分析計(jì)算模塊利用相關(guān)法對(duì)靜電檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理， 計(jì)算固相顆粒的速度，再根據(jù)共振信號(hào)的幅值，結(jié)合固相顆粒的速度，得到氣固兩相流濃度或固相的質(zhì)量流量。本發(fā)明在管道中插入兩個(gè)探針，既作為靜電相關(guān)測(cè)速的檢測(cè)電極，也作為固相顆粒碰撞的振動(dòng)機(jī)構(gòu)，該探針經(jīng)顆粒碰撞后，產(chǎn)生的共振信號(hào)由置于管道外部的壓電式傳感器檢測(cè)。利用探針作為共振機(jī)構(gòu)與現(xiàn)有的通過直接檢測(cè)顆粒撞擊管道壁產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)的方法相比，具有信號(hào)強(qiáng)度大，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。通過同一組探針利用靜電檢測(cè)電路與壓電式傳感器分別獲取顆粒的靜電信號(hào)及顆粒撞擊探針?biāo)a(chǎn)生的共振信號(hào)，兩者結(jié)合，可分別獲得氣固兩相流的濃度和速度信息，進(jìn)而可計(jì)算出固相的質(zhì)量流量。本發(fā)明的檢測(cè)裝置，響應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)性好，且測(cè)量過程簡(jiǎn)單，造價(jià)低，安裝簡(jiǎn)單。


圖1、(a)靜電檢測(cè)電路與壓電式傳感器結(jié)合裝置的軸向示意圖；(b)靜電檢測(cè)電路與壓電式傳感器結(jié)合裝置的截面示意圖；圖2、靜電檢測(cè)電路與壓電式傳感器結(jié)合測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖中1、管道2、探針3、靜電檢測(cè)電路4、壓電式傳感器5、共振信號(hào)調(diào)理電路6、數(shù)據(jù)采集模塊7、分析計(jì)算模塊
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。參見圖1和圖2，在氣力輸送管道1內(nèi)的上游和下游(本實(shí)施例相距50mm)分別安裝一個(gè)探針2，在探針2所在位置的管道外側(cè)安裝壓電式傳感器4，同時(shí)將探針2與靜電檢測(cè)電路3連接。靜電檢測(cè)電路3輸出的靜電檢測(cè)信號(hào)和壓電式傳感器4通過共振信號(hào)調(diào)理電路輸出的共振信號(hào)與數(shù)據(jù)采集模塊6、分析計(jì)算模塊7連接。氣固兩相流參數(shù)的靜電檢測(cè)電路與壓電式傳感器結(jié)合測(cè)量方法的工作原理如下 在氣力傳輸中，由于固相顆粒之間的碰撞，顆粒與管道壁之間的碰撞以及固相顆粒與氣流之間的摩擦，固相顆粒會(huì)攜帶一定量的電荷。當(dāng)固相顆粒通過探針2附近時(shí)，探針2會(huì)由于靜電感應(yīng)以及碰撞時(shí)的電荷轉(zhuǎn)移而帶上電荷，該電荷經(jīng)靜電檢測(cè)電路3的電荷放大及濾波放大后，產(chǎn)生靜電檢測(cè)信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集模塊6轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，輸入到計(jì)算分析模塊7。同時(shí)，當(dāng)固相顆粒與探針2發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振信號(hào)。此共振信號(hào)通過探針2 由壓電式傳感器4檢測(cè)，經(jīng)共振信號(hào)調(diào)理電路5的電荷放大和濾波放大后，產(chǎn)生共振檢測(cè)信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集模塊6轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，輸入到計(jì)算分析模塊7。共振信號(hào)的幅值Mag與固相顆粒速度V、氣固兩相流的濃度c有關(guān)。通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)確定出共振信號(hào)幅值Mag與固相顆粒濃度c及固相顆粒速度V的函數(shù)關(guān)系f。計(jì)算分析模塊7將輸入的靜電檢測(cè)信號(hào)根據(jù)靜電相關(guān)測(cè)速原理計(jì)算可得出固相顆粒的速度V。根據(jù)輸入的共振檢測(cè)信號(hào)，利用函數(shù)關(guān)系f，結(jié)合靜電相關(guān)測(cè)速法計(jì)算得到的固相速度V，計(jì)算可得出氣固兩相流濃度c，進(jìn)而可計(jì)算出固相的質(zhì)量流量Qm。測(cè)量原理如下
靜電法相關(guān)測(cè)速的原理兩相流中的固相顆粒由于相互碰撞及與傳輸管道的摩擦帶電，可將帶有電荷的固相顆?？醋饕苿?dòng)的信源，該信源通過相距L的兩個(gè)不同測(cè)量點(diǎn)時(shí)的信號(hào)表示為X (t)和Y(t)，X(t) = SUHk1 (t) (1)Y(t) = S(t-D)+k2(t) (2)式中S(t)是信源信號(hào)，即固體顆粒的靜電荷產(chǎn)生的信號(hào)；D是兩個(gè)探針?biāo)邮苄盘?hào)的時(shí)間差，即時(shí)延；ki(t)和lc2(t)是兩探針處的噪聲。根據(jù)接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，有Rxy ( τ ) = E {X (t) Y (t_ τ )} = Rs ( τ -D) (3)表明X(t)與Y(t)的相關(guān)函數(shù)Rxy(T)等于信源信號(hào)S(t)自相關(guān)函數(shù)Rs( τ -D)。 當(dāng)τ =D時(shí)，互相關(guān)函數(shù)1^( τ)的值達(dá)到最大值。因此，對(duì)兩探針接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，求出其最大值對(duì)應(yīng)的1即時(shí)延0。已知探針的固定間距L，可計(jì)算出固相顆粒的速度V =L/D。共振信號(hào)測(cè)量氣固兩相流濃度的原理固相顆粒撞擊探針后，探針將產(chǎn)生以共振頻率為主的振動(dòng)。共振信號(hào)幅值Mag與固相顆粒速度V、氣固兩相流的濃度c有如下關(guān)系mag = f (c, V) (4)通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)確定f，結(jié)合靜電相關(guān)法獲得的固相顆粒速度V，即可得到氣固兩相流濃度c，進(jìn)而計(jì)算得到固相的質(zhì)量流量Qm。
權(quán)利要求
1.一種氣固兩相流參數(shù)檢測(cè)裝置，用于測(cè)量管道內(nèi)氣固兩相流的固相速度及氣固兩相流的濃度或固相的質(zhì)量流量，其特征在于，包括兩個(gè)探針、靜電檢測(cè)電路、壓電式傳感器、共振信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、分析計(jì)算模塊，兩個(gè)探針分別固定在管道內(nèi)部的不同的位置，其中一個(gè)探針處于另一個(gè)探針的下游，兩個(gè)探針既作為靜電相關(guān)測(cè)速的檢測(cè)電極，也作為固相顆粒碰撞的振動(dòng)機(jī)構(gòu)；靜電檢測(cè)電路與兩個(gè)探針相連，用于將檢測(cè)電極檢測(cè)到的靜電荷經(jīng)電荷放大和濾波后得到靜電檢測(cè)信號(hào)；壓電式傳感器連接到兩個(gè)探針中的一個(gè)或兩個(gè)，用于檢測(cè)探針的共振信號(hào)，共振信號(hào)調(diào)理電路用于將共振信號(hào)放大和濾波得到共振檢測(cè)信號(hào)；靜電檢測(cè)信號(hào)與共振檢測(cè)信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊輸入到分析計(jì)算模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣固兩相流參數(shù)檢測(cè)裝置，其特征在于，所述的分析計(jì)算模塊利用相關(guān)法對(duì)靜電檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算固相顆粒的速度，再根據(jù)共振信號(hào)的幅值，結(jié)合固相顆粒的速度，得到氣固兩相流濃度或固相的質(zhì)量流量。
全文摘要
本發(fā)明屬于流體測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氣固兩相流參數(shù)檢測(cè)裝置，包括兩個(gè)探針、靜電檢測(cè)電路、壓電式傳感器、共振信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊和分析計(jì)算模塊，兩個(gè)探針分別固定在管道內(nèi)部的不同的位置；靜電檢測(cè)電路與兩個(gè)探針相連，用于將檢測(cè)電極檢測(cè)到的靜電荷經(jīng)電荷放大和濾波后得到靜電檢測(cè)信號(hào)；壓電式傳感器連接到兩個(gè)探針中的一個(gè)或兩個(gè)，用于檢測(cè)探針的共振信號(hào)，共振信號(hào)調(diào)理電路用于將共振信號(hào)放大和濾波得到共振檢測(cè)信號(hào)；靜電檢測(cè)信號(hào)與共振檢測(cè)信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊輸入到分析計(jì)算模塊。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，易于安裝的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01F1/56GK102435237SQ201110331828
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者徐占艷, 王超, 秦偉剛 申請(qǐng)人:天津大學(xué)