專利名稱：顆粒速度的線性靜電傳感器陣列測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣固兩相流測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氣固兩相流顆粒速度的線性 靜電傳感器陣列測(cè)量方法及裝置。
背景技術(shù)：
氣固兩相流系統(tǒng)廣泛存在于能源、化工、電力及冶金等工業(yè)領(lǐng)域。顆粒速度是描述 氣固兩相流動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，顆粒速度測(cè)量對(duì)于了解氣固流動(dòng)特性以及生產(chǎn)過(guò)程的 計(jì)量、節(jié)能與控制具有重要意義。氣固流動(dòng)系統(tǒng)中顆粒與顆粒、顆粒與氣體及顆粒與管壁的 相互碰撞、摩擦及分離，導(dǎo)致顆粒產(chǎn)生荷電現(xiàn)象。近些年來(lái)，人們利用顆粒荷電，研究開發(fā)了 靜電相關(guān)法顆粒速度測(cè)速儀，其在重復(fù)性、可靠性和低成本等方面均優(yōu)于電容、光學(xué)等其他 互相關(guān)測(cè)速裝置。但靜電相關(guān)法速度測(cè)量時(shí)，渡越時(shí)間統(tǒng)計(jì)誤差與傳感器輸出信號(hào)頻帶寬 度的三次方成反比，低速測(cè)量時(shí)，靜電傳感器輸出信號(hào)頻帶范圍較窄，因此導(dǎo)致低速測(cè)量相 關(guān)速度測(cè)量渡越時(shí)間估計(jì)誤差較大，速度測(cè)量準(zhǔn)確度降低。由于靜電傳感器的敏感電極具 有一定的幾何形狀和尺寸，用靜電傳感器的“敏感窗口“檢測(cè)流體的流動(dòng)狀況時(shí)，敏感電極 對(duì)靜電流噪聲將以特定空間權(quán)函數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均。基于單環(huán)靜電傳感器的空間濾波效應(yīng)的 顆粒速度測(cè)量方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、硬件成本低、適合于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等特點(diǎn)。但單個(gè) 環(huán)狀靜電傳感器輸出信號(hào)頻帶范圍較寬，降低了濾波器的空間選擇性，在功率譜特性曲線 上，表現(xiàn)為各點(diǎn)離散程度較大，波峰不明顯，信噪比較低，影響了速度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有靜電相關(guān)法和單環(huán)靜電感應(yīng)空間濾波法速度測(cè)量的不足，本發(fā)明提 出了一種顆粒速度的線性靜電傳感器陣列測(cè)量方法及裝置，本發(fā)明能夠提高靜電感應(yīng)空間 濾波器的空間選擇性，降低速度信號(hào)中心頻率測(cè)量不確定度，提高了顆粒速度測(cè)量的準(zhǔn)確 性。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明所述的一種顆粒速度的線性靜電傳感器陣列測(cè)量方法，取兩組結(jié)構(gòu)和尺度 相同的第一靜電傳感器陣列和第二靜電傳感器陣列及絕緣測(cè)量管道，所述第一靜電傳感器 陣列至少包括第11環(huán)形靜電傳感器、第12環(huán)形靜電傳感器、第13環(huán)形靜電傳感器、第14 環(huán)形靜電傳感器、第15環(huán)形靜電傳感器，所述第二靜電傳感器陣列至少包括第21環(huán)形靜電 傳感器、第22環(huán)形靜電傳感器、第23環(huán)形靜電傳感器、第24環(huán)形靜電傳感器、第25環(huán)形靜 電傳感器，將第11環(huán)形靜電傳感器、第12環(huán)形靜電傳感器、第13環(huán)形靜電傳感器、第14環(huán) 形靜電傳感器、第15環(huán)形靜電傳感器套設(shè)在絕緣測(cè)量管道上，并且第一靜電傳感器陣列中 相鄰的環(huán)形靜電傳感器之間的軸向間距P相等，將第21環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第11環(huán)形靜 電傳感器與第12環(huán)形靜電傳感器之間且第21環(huán)形靜電傳感器套在絕緣測(cè)量管道上，所述 第21環(huán)形靜電傳感器至第11環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第21環(huán)形靜電傳感器 至第12環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離；將第22環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第12環(huán)形靜電傳感器與第13環(huán)形靜電傳感器之間且第22環(huán)形靜電傳感器套在絕緣測(cè)量管道上，所述第22環(huán) 形靜電傳感器至第12環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第22環(huán)形靜電傳感器至第13 環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離；將第23環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第13環(huán)形靜電傳感器與第 14環(huán)形靜電傳感器之間且第23環(huán)形靜電傳感器套在絕緣測(cè)量管道上，所述第23環(huán)形靜電 傳感器至第13環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第23環(huán)形靜電傳感器至第14環(huán)形靜 電傳感器之間的軸向距離；將第24環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第14環(huán)形靜電傳感器與第15環(huán)形 靜電傳感器之間且第24環(huán)形靜電傳感器套在絕緣測(cè)量管道上，所述第24環(huán)形靜電傳感器 至第14環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第24環(huán)形靜電傳感器至第15環(huán)形靜電傳感 器之間的軸向距離；將第25環(huán)形靜電傳感器套在絕緣測(cè)量管道上且第25環(huán)形靜電傳感器 與第15環(huán)形靜電傳感器之間的距離為第一靜電傳感器陣列中相鄰的環(huán)形靜電傳感器之間 的軸向間距P的二分之一，分別將第一靜電傳感器陣列和第二靜電傳感器陣列中的環(huán)形靜 電傳感器連接在一起，并由第一靜電傳感器陣列和第二靜電傳感器陣列分別產(chǎn)生兩組反映 氣固兩相流流動(dòng)信息的靜電感應(yīng)信號(hào)，兩組信號(hào)分別接入前置電荷差分放大電路兩輸入端 進(jìn)行差分放大后，由數(shù)據(jù)采集電路送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的輸出信號(hào)進(jìn)行頻 譜分析并確定頻譜上的峰值頻率，進(jìn)而計(jì)算獲得氣固兩相流顆粒平均速度。本發(fā)明所述的一種用于實(shí)施顆粒速度的線性靜電傳感器陣列測(cè)量方法的裝置，包 括測(cè)量探頭、前置電荷差分放大電路、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)，前置電荷差分放大電路的輸 出端與數(shù)據(jù)采集卡輸入端連接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與計(jì)算機(jī)的輸入端連接并由計(jì)算機(jī)對(duì) 數(shù)據(jù)采集卡的輸出信號(hào)進(jìn)行頻譜分析并確定頻譜上的峰值頻率，進(jìn)而計(jì)算獲得氣固兩相流 顆粒平均速度，所述測(cè)量探頭包括絕緣測(cè)量管道，在絕緣測(cè)量管道上設(shè)有的第一靜電傳感 器陣列及第二靜電傳感器陣列，在絕緣測(cè)量管道、第一靜電傳感器陣列及第二靜電傳感器 陣列外部設(shè)有金屬屏蔽罩。所述第一靜電傳感器陣列至少包括第11環(huán)形靜電傳感器、第12環(huán)形靜電傳感器、 第13環(huán)形靜電傳感器、第14環(huán)形靜電傳感器、第15環(huán)形靜電傳感器，并且第一靜電傳感器 陣列中相鄰的環(huán)形靜電傳感器之間的軸向間距P相等，第一靜電傳感器陣列中的各個(gè)環(huán)形 靜電傳感器由第一靜電傳感器陣列導(dǎo)線連接，所述第二靜電傳感器陣列至少包括第21環(huán) 形靜電傳感器、第22環(huán)形靜電傳感器、第23環(huán)形靜電傳感器、第24環(huán)形靜電傳感器、第25 環(huán)形靜電傳感器，第二靜電傳感器陣列中的各個(gè)環(huán)形靜電傳感器由第二靜電傳感器陣列導(dǎo) 線連接。第21環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第11環(huán)形靜電傳感器與第12環(huán)形靜電傳感器之間且第 21環(huán)形靜電傳感器至第11環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第21環(huán)形靜電傳感器至 第12環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離，第22環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第12環(huán)形靜電傳感器與 第13環(huán)形靜電傳感器之間且第22環(huán)形靜電傳感器至第12環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距 離等于第22環(huán)形靜電傳感器至第13環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離，第23環(huán)形靜電傳感 器設(shè)在第13環(huán)形靜電傳感器與第14環(huán)形靜電傳感器之間且第23環(huán)形靜電傳感器至第13 環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第23環(huán)形靜電傳感器至第14環(huán)形靜電傳感器之間的 軸向距離，第24環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第14環(huán)形靜電傳感器與第15環(huán)形靜電傳感器之間且 第24環(huán)形靜電傳感器至第14環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第24環(huán)形靜電傳感器 至第15環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離，第25環(huán)形靜電傳感器與第15環(huán)形靜電傳感器之 間的距離為第一靜電傳感器陣列中相鄰的環(huán)形靜電傳感器之間的軸向間距P的二分之一。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1)相比于單環(huán)靜電感應(yīng)空間濾波器，本發(fā)明利用雙靜電傳感器陣列結(jié)合差分放大 電路，提高了靜電感應(yīng)空間濾波器的選擇性，降低了速度信號(hào)中心頻率測(cè)量的不確定性。2)由于兩個(gè)線性靜電傳感器陣列的位置相差電極間距的一半，帶電顆粒經(jīng)過(guò)兩個(gè) 線性靜電傳感器陣列時(shí)，產(chǎn)生相位差為η的兩個(gè)輸出信號(hào)，兩信號(hào)差分消除了單個(gè)靜電傳 感器陣列輸出信號(hào)中直流成分導(dǎo)致中心頻率偏斜問(wèn)題，提高了顆粒速度測(cè)量的準(zhǔn)確性。3)線性靜電傳感器陣列在結(jié)構(gòu)上對(duì)流體的流動(dòng)狀況無(wú)影響，屬于非接觸式測(cè)量方 法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信號(hào)處理方便，價(jià)格低廉等特點(diǎn)，適合于惡劣的工業(yè)氣力輸送和氣固兩 相流系統(tǒng)中應(yīng)用。


圖1是線性靜電傳感器陣列顆粒速度測(cè)量裝置的示意圖，其中，1-測(cè)量探頭；2-前 置電荷差分放大電路；3-數(shù)據(jù)采集卡；4-計(jì)算機(jī)。圖2是本發(fā)明線性靜電傳感器陣列探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其中，5-第一靜電傳感器陣列； 6_第二靜電傳感器陣列；7-第二靜電傳感器陣列導(dǎo)線；8-第一靜電傳感器陣列導(dǎo)線；9-金 屬屏蔽罩；10-絕緣測(cè)量管道。圖3是線性靜電傳感器陣列前置電荷差分放大電路圖，其中，11-第一輸入端； 12-第二輸入端；13-輸出端。圖4是單環(huán)靜電傳感器輸出信號(hào)的功率譜。圖5是線性靜電傳感器陣列輸出信號(hào)的功率譜。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1一種顆粒速度的線性靜電傳感器陣列測(cè)量方法，取兩組結(jié)構(gòu)和尺度相同的第一靜 電傳感器陣列5和第二靜電傳感器陣列6及絕緣測(cè)量管道10，所述第一靜電傳感器陣列5 至少包括第11環(huán)形靜電傳感器、第12環(huán)形靜電傳感器、第13環(huán)形靜電傳感器、第14環(huán)形 靜電傳感器、第15環(huán)形靜電傳感器，所述第二靜電傳感器陣列6至少包括第21環(huán)形靜電傳 感器、第22環(huán)形靜電傳感器、第23環(huán)形靜電傳感器、第24環(huán)形靜電傳感器、第25環(huán)形靜電 傳感器，將第11環(huán)形靜電傳感器、第12環(huán)形靜電傳感器、第13環(huán)形靜電傳感器、第14環(huán)形 靜電傳感器、第15環(huán)形靜電傳感器套設(shè)在絕緣測(cè)量管道10，并且第一靜電傳感器陣列5中 相鄰的環(huán)形靜電傳感器之間的軸向間距P相等，將第21環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第11環(huán)形靜 電傳感器與第12環(huán)形靜電傳感器之間且第21環(huán)形靜電傳感器套在絕緣測(cè)量管道10上，所 述第21環(huán)形靜電傳感器至第11環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第21環(huán)形靜電傳感 器至第12環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離；將第22環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第12環(huán)形靜電傳 感器與第13環(huán)形靜電傳感器之間且第22環(huán)形靜電傳感器套在絕緣測(cè)量管道10上，所述第 22環(huán)形靜電傳感器至第12環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第22環(huán)形靜電傳感器至第 13環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離；將第23環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第13環(huán)形靜電傳感器與 第14環(huán)形靜電傳感器之間且第23環(huán)形靜電傳感器套在絕緣測(cè)量管道10上，所述第23環(huán) 形靜電傳感器至第13環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第23環(huán)形靜電傳感器至第14環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離；將第24環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第14環(huán)形靜電傳感器與第 15環(huán)形靜電傳感器之間且第24環(huán)形靜電傳感器套在絕緣測(cè)量管道10上，所述第24環(huán)形靜 電傳感器至第14環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第24環(huán)形靜電傳感器至第15環(huán)形 靜電傳感器之間的軸向距離；將第25環(huán)形靜電傳感器套在絕緣測(cè)量管道10上且第25環(huán)形 靜電傳感器與第15環(huán)形靜電傳感器之間的距離為第一靜電傳感器陣列5中相鄰的環(huán)形靜 電傳感器之間的軸向間距P的二分之一，分別將第一靜電傳感器陣列5和第二靜電傳感器 陣列6中的環(huán)形靜電傳感器連接在一起，并由第一靜電傳感器陣列5和第二靜電傳感器陣 列6分別產(chǎn)生兩組反映氣固兩相流流動(dòng)信息的靜電感應(yīng)信號(hào)，兩組信號(hào)分別接入前置電荷 差分放大電路2的兩輸入端進(jìn)行差分放大后，由數(shù)據(jù)采集電路3送入計(jì)算機(jī)4，由計(jì)算機(jī)4 對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的輸出信號(hào)進(jìn)行頻譜分析并確定頻譜上的峰值頻率，進(jìn)而計(jì)算獲得氣固兩相 流顆粒平均速度。實(shí)施例2一種用于實(shí)施顆粒速度的線性靜電傳感器陣列測(cè)量方法的裝置，包括測(cè)量探頭 1、前置電荷差分放大電路2、數(shù)據(jù)采集卡3及計(jì)算機(jī)4，前置電荷差分放大電路2的輸出端 與數(shù)據(jù)采集卡3輸入端連接，數(shù)據(jù)采集卡3的輸出端與計(jì)算機(jī)4的輸入端連接并由計(jì)算機(jī) 4對(duì)數(shù)據(jù)采集卡3的輸出信號(hào)進(jìn)行頻譜分析并確定頻譜上的峰值頻率，進(jìn)而計(jì)算獲得氣固 兩相流顆粒平均速度，所述測(cè)量探頭1包括絕緣測(cè)量管道10，在絕緣測(cè)量管道10上設(shè)有 的第一靜電傳感器陣列5及第二靜電傳感器陣列6，在絕緣測(cè)量管道10、第一靜電傳感器陣 列5及第二靜電傳感器陣列6外部設(shè)有金屬屏蔽罩9。所述第一靜電傳感器陣列5至少包 括第11環(huán)形靜電傳感器、第12環(huán)形靜電傳感器、第13環(huán)形靜電傳感器、第14環(huán)形靜電傳 感器、第15環(huán)形靜電傳感器，并且第一靜電傳感器陣列5中相鄰的環(huán)形靜電傳感器之間的 軸向間距P相等，第一靜電傳感器陣列5中的各個(gè)環(huán)形靜電傳感器由第一靜電傳感器陣列 導(dǎo)線8連接，所述第二靜電傳感器陣列6至少包括第21環(huán)形靜電傳感器、第22環(huán)形靜電傳 感器、第23環(huán)形靜電傳感器、第24環(huán)形靜電傳感器、第25環(huán)形靜電傳感器，第二靜電傳感 器陣列6中的各個(gè)環(huán)形靜電傳感器由第二靜電傳感器陣列導(dǎo)線7連接，第21環(huán)形靜電傳感 器設(shè)在第11環(huán)形靜電傳感器與第12環(huán)形靜電傳感器之間且第21環(huán)形靜電傳感器至第11 環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第21環(huán)形靜電傳感器至第12環(huán)形靜電傳感器之間的 軸向距離，第22環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第12環(huán)形靜電傳感器與第13環(huán)形靜電傳感器之間且 第22環(huán)形靜電傳感器至第12環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第22環(huán)形靜電傳感器 至第13環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離，第23環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第13環(huán)形靜電傳感器 與第14環(huán)形靜電傳感器之間且第23環(huán)形靜電傳感器至第13環(huán)形靜電傳感器之間的軸向 距離等于第23環(huán)形靜電傳感器至第14環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離，第24環(huán)形靜電傳 感器設(shè)在第14環(huán)形靜電傳感器與第15環(huán)形靜電傳感器之間且第24環(huán)形靜電傳感器至第 14環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第24環(huán)形靜電傳感器至第15環(huán)形靜電傳感器之間 的軸向距離，第25環(huán)形靜電傳感器與第15環(huán)形靜電傳感器之間的距離為第一靜電傳感器 陣列5中相鄰的環(huán)形靜電傳感器之間的軸向間距ρ的二分之一。下面參照附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方案做出更為詳細(xì)的說(shuō)明1)兩組具有相同結(jié)構(gòu)和尺度的環(huán)狀靜電傳感器陣列安裝在絕緣測(cè)量管道外壁上， 產(chǎn)生兩組反映氣固兩相流動(dòng)信息的靜電感應(yīng)信號(hào)，兩組信號(hào)分別接入前置電荷差分放大電路兩端進(jìn)行差分放大后，由數(shù)據(jù)采集電路送入計(jì)算機(jī)。2)對(duì)采集到的差分靜電信號(hào)e (η)進(jìn)行傅立葉變換處理得到En (k)，然后再取其幅 值的平方，并除以差分靜電信號(hào)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)長(zhǎng)度N，作為序列e (η)的功率譜P(k)的估計(jì)， 則
(1)其中，η為時(shí)域差分靜電信號(hào)離散點(diǎn)，k為頻域離散點(diǎn)。3)根據(jù)步驟2)得到的功率譜特性函數(shù)的峰值位置確定尖峰頻率值&，公式如下
(2)其中，K為功率譜函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)位置的離散點(diǎn)數(shù)；F為功率譜分析的頻率分辨率。4)根據(jù)功率譜尖峰頻率值&和線性靜電傳感器陣列電極間隔P，確定管道內(nèi)氣固 兩相流顆粒平均速度V，計(jì)算公式如下
(3)其中，k0為速度無(wú)量綱校正系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定確定。在實(shí)際粉體顆粒輸送條件下， 利用相位多普勒測(cè)速儀(PDA)對(duì)線性靜電傳感器陣列測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比標(biāo)定。具體的標(biāo) 定過(guò)程如下相位多普勒測(cè)速儀與線性靜電傳感器陣列測(cè)量系統(tǒng)同步測(cè)量，速度測(cè)量系統(tǒng) 記錄測(cè)量數(shù)據(jù)并保存，取與PDA同時(shí)間，同區(qū)間測(cè)量值的平均值與PDA測(cè)量值組成一個(gè)數(shù)據(jù) 對(duì)，每次標(biāo)定至少要獲得15對(duì)數(shù)據(jù)。以線性靜電傳感器陣列測(cè)量的顆粒速度為橫坐標(biāo)(X)， PDA測(cè)得的顆粒速度為縱坐標(biāo)(y)。將相關(guān)系數(shù)大于0. 85的數(shù)據(jù)對(duì)定義為有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，有 效測(cè)點(diǎn)的數(shù)量m應(yīng)在10個(gè)以上。運(yùn)用一元線性回歸，給出標(biāo)定曲線，進(jìn)而獲得標(biāo)定系數(shù)Ictl 因此由式(3)可見(jiàn)獲得了線性靜電傳感器陣列輸出信號(hào)功率譜特性的尖峰頻率 值fo，即可計(jì)算出顆粒平均速度V。參照?qǐng)D1，圖2和圖3所示，用于氣固兩相流顆粒速度的線性靜電傳感器陣列測(cè)量 裝置主要包括測(cè)量探頭1、前置電荷差分放大電路2、數(shù)據(jù)采集卡3和計(jì)算機(jī)4。探頭內(nèi)第一 靜電傳感器陣列和第二靜電傳感器陣列輸出信號(hào)，通過(guò)導(dǎo)線分別與前置電荷差分放大電路 2的兩輸入端相連，經(jīng)差分放大后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡3與計(jì)算機(jī)4相連接相連。在計(jì)算機(jī)內(nèi) 由自行編制的數(shù)據(jù)采集與處理軟件包，將差分靜電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后，進(jìn)行分析與處理，獲 得顆粒的流動(dòng)速度的測(cè)量值。測(cè)量裝置中所用線性靜電傳感器陣列測(cè)量探頭，在絕緣測(cè)量管道10的外部安裝 結(jié)構(gòu)相同的第一靜電傳感器陣列5和第二靜電傳感器陣列6，并且兩陣列的電極按間距為 P/2的相對(duì)位置進(jìn)行交叉布置。由于兩個(gè)線性靜電傳感器陣列的相對(duì)位置為各自電極間距 P的一半，帶電顆粒經(jīng)過(guò)兩個(gè)線性靜電傳感器陣列時(shí)，產(chǎn)生相位差為η的兩個(gè)輸出信號(hào)。第 一靜電傳感器陣列5和第二靜電傳感器陣列6分別通過(guò)第一靜電傳感器陣列導(dǎo)線8和第二 靜電傳感器陣列導(dǎo)線7與前置電荷差分放大電路的第一輸入端11和第二輸入端12相連， 經(jīng)差分放大后，窄帶周期性信號(hào)成分得以保留，而基頻直流部分被剔除。線性靜電傳感器陣列由q個(gè)結(jié)構(gòu)和尺寸相同的金屬環(huán)狀電極構(gòu)成，q個(gè)電極以相同電極間隔P沿管道軸向緊 貼管道外壁安裝布置，并通過(guò)導(dǎo)線連為一體。電極的數(shù)目q—般取5-10個(gè)。電極的間隔ρ 可取管道的直徑D大小。整個(gè)絕緣測(cè)量管道、第一靜電傳感器陣列和第二靜電傳感器陣列 均包覆于金屬屏蔽罩9內(nèi)。線性靜電傳感器陣列差分放大電路的連接方式為第一電容C1 一端和第一電阻R1 一端與第一運(yùn)算放大器~的反向輸入端相連接，第一電容C1另一端、第一電阻R1另一端和 第三電阻R3 —端與第一運(yùn)算放大器A1的輸出端相連接，第二電容C2 —端和第二電阻R2 — 端與第二運(yùn)算放大器A2的反向輸入端相連接，第二電容C2另一端、第二電阻R2另一端和第 四電阻R4—端與第二運(yùn)算放大器4的輸出端相連接，第一運(yùn)算放大器A1的正向輸入端和第 二運(yùn)算放大器A2的正向輸入端接地，第三電阻民另一端和第五電阻R5—端與第三運(yùn)算放大 器A3的反向輸入端相連接，第五電阻R5另一端與第三運(yùn)算放大器A3的輸出端相連接，第四 電阻R4另一端和第六電阻R6 —端與第三運(yùn)算放大器A3的正向輸入端相連接，第六電阻R6 另一端接地。前置電荷差分放大電路的輸出端通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡PCI 9112 (凌華科技生產(chǎn)) 與計(jì)算機(jī)相連接。該電荷放大電路采用三個(gè)放大器組成差動(dòng)放大電路，具有輸入阻抗高、共 模抑制比高、失調(diào)電壓低、漂移小、放大倍數(shù)穩(wěn)定和輸出阻抗低等優(yōu)點(diǎn)。線性靜電傳感器陣 列輸出的感應(yīng)電荷信號(hào)是一種低頻的微弱信號(hào)，因此有必要采取抗干擾措施1)元器件的 選擇微弱信號(hào)檢測(cè)的首要問(wèn)題就是盡量降低放大器本身的噪聲。本電路中第一運(yùn)算放大器 和第二運(yùn)算放大器采用的是高輸入阻抗放大器0PA128，頻率范圍在ΙΟΗζ-ΙΟΚΗζ時(shí)，等效噪 聲的電壓值2.4μν ；在0. 1Ηζ-20ΚΗζ時(shí)，等效噪聲的電流iN = 0. 12fA/(Hz)1/20第三 運(yùn)算放大器0P07是一種高精度的儀用放大器，eN和iN的值均較小。電路中電阻均采用低 噪聲的金屬膜電阻，精度為1%，功率為1/2(W)。信號(hào)線上的電容均采用渡銀云母電容，以 降低電路中的噪聲。2)金屬屏蔽抗干擾采用接地金屬屏蔽盒可以消除電磁干擾，防止電路 元件受到濕度、光線的照射，造成電路元件的性能參數(shù)的變化。此外，必須避免振動(dòng)造成元 器件變形或電路連接線發(fā)生移動(dòng)帶來(lái)的影響。圖4是單環(huán)靜電傳感器輸出信號(hào)的功率譜。圖5是線性靜電傳感器陣列輸出信號(hào) 的功率譜。從圖4和圖5可見(jiàn)，線性靜電傳感器陣列輸出信號(hào)的譜帶較窄，尖峰明顯，可有 效地降低中心頻率測(cè)量不準(zhǔn)確帶來(lái)的速度測(cè)量誤差?，F(xiàn)已對(duì)石英沙、玻璃珠等物料在重力輸送實(shí)驗(yàn)臺(tái)和煤粉密相氣力輸送裝置上進(jìn)行 了試驗(yàn)，利用本發(fā)明中提及的方法及裝置，對(duì)顆粒速度范圍在0 20m/s的情況進(jìn)行了測(cè) 試，取得了較好的效果。本發(fā)明的原理如下儀器的工作過(guò)程是首先針對(duì)實(shí)際應(yīng)用管道，在粉體顆粒輸送條件下，利用相位多 普勒測(cè)速儀(PDA)對(duì)線性靜電傳感器陣列速度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比標(biāo)定，獲得無(wú)量綱標(biāo)定系 數(shù)& ；應(yīng)用線性靜電傳感器陣列速度測(cè)量時(shí)，由靜電傳感器陣列及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì) 管道內(nèi)氣固兩相流顆粒靜電噪聲進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)傅立葉變換計(jì)算差分靜電信號(hào)的功率 譜密度函數(shù)，之后即在功率譜特性曲線上讀出尖峰頻率值&，進(jìn)而根據(jù)ν = h · ρ · &，計(jì)算 獲得氣固兩相流顆粒平均速度。
權(quán)利要求
一種顆粒速度的線性靜電傳感器陣列測(cè)量方法，其特征在于，取兩組結(jié)構(gòu)和尺度相同的第一靜電傳感器陣列(5)和第二靜電傳感器陣列(6)及絕緣測(cè)量管道(10)，所述第一靜電傳感器陣列(5)至少包括第11環(huán)形靜電傳感器、第12環(huán)形靜電傳感器、第13環(huán)形靜電傳感器、第14環(huán)形靜電傳感器、第15環(huán)形靜電傳感器，所述第二靜電傳感器陣列(6)至少包括第21環(huán)形靜電傳感器、第22環(huán)形靜電傳感器、第23環(huán)形靜電傳感器、第24環(huán)形靜電傳感器、第25環(huán)形靜電傳感器，將第11環(huán)形靜電傳感器、第12環(huán)形靜電傳感器、第13環(huán)形靜電傳感器、第14環(huán)形靜電傳感器、第15環(huán)形靜電傳感器套設(shè)在絕緣測(cè)量管道(10)，并且第一靜電傳感器陣列(5)中相鄰的環(huán)形靜電傳感器之間的軸向間距p相等，將第21環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第11環(huán)形靜電傳感器與第12環(huán)形靜電傳感器之間且第21環(huán)形靜電傳感器套在絕緣測(cè)量管道(10)上，所述第21環(huán)形靜電傳感器至第11環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第21環(huán)形靜電傳感器至第12環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離；將第22環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第12環(huán)形靜電傳感器與第13環(huán)形靜電傳感器之間且第22環(huán)形靜電傳感器套在絕緣測(cè)量管道(10)上，所述第22環(huán)形靜電傳感器至第12環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第22環(huán)形靜電傳感器至第13環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離；將第23環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第13環(huán)形靜電傳感器與第14環(huán)形靜電傳感器之間且第23環(huán)形靜電傳感器套在絕緣測(cè)量管道(10)上，所述第23環(huán)形靜電傳感器至第13環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第23環(huán)形靜電傳感器至第14環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離；將第24環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第14環(huán)形靜電傳感器與第15環(huán)形靜電傳感器之間且第24環(huán)形靜電傳感器套在絕緣測(cè)量管道(10)上，所述第24環(huán)形靜電傳感器至第14環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第24環(huán)形靜電傳感器至第15環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離；將第25環(huán)形靜電傳感器套在絕緣測(cè)量管道(10)上且第25環(huán)形靜電傳感器與第15環(huán)形靜電傳感器之間的距離為第一靜電傳感器陣列(5)中相鄰的環(huán)形靜電傳感器之間的軸向間距p的二分之一，分別將第一靜電傳感器陣列(5)和第二靜電傳感器陣列(6)中的環(huán)形靜電傳感器連接在一起，并由第一靜電傳感器陣列(5)和第二靜電傳感器陣列(6)分別產(chǎn)生兩組反映氣固兩相流流動(dòng)信息的靜電感應(yīng)信號(hào)，兩組信號(hào)分別接入前置電荷差分放大電路(2)的兩輸入端進(jìn)行差分放大后，由數(shù)據(jù)采集電路(3)送入計(jì)算機(jī)(4)，由計(jì)算機(jī)(4)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡(3)的輸出信號(hào)進(jìn)行頻譜分析并確定頻譜上的峰值頻率，進(jìn)而計(jì)算獲得氣固兩相流顆粒平均速度。
2.一種用于實(shí)施權(quán)利要求1所述顆粒速度的線性靜電傳感器陣列測(cè)量方法的裝置，包 括測(cè)量探頭(1)、前置電荷差分放大電路(2)、數(shù)據(jù)采集卡(3)及計(jì)算機(jī)(4)，前置電荷差 分放大電路(2)的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡(3)輸入端連接，數(shù)據(jù)采集卡(3)的輸出端與計(jì)算 機(jī)(4)的輸入端連接并由計(jì)算機(jī)(4)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡(3)的輸出信號(hào)進(jìn)行頻譜分析并確定頻 譜上的峰值頻率，進(jìn)而計(jì)算獲得氣固兩相流顆粒平均速度，其特征在于，所述測(cè)量探頭(1) 包括絕緣測(cè)量管道(10)，在絕緣測(cè)量管道(10)上設(shè)有第一靜電傳感器陣列(5)及第二靜 電傳感器陣列(6)，在絕緣測(cè)量管道(10)、第一靜電傳感器陣列(5)及第二靜電傳感器陣 列(6)的外部設(shè)有金屬屏蔽罩(9)。所述第一靜電傳感器陣列(5)至少包括第11環(huán)形靜 電傳感器、第12環(huán)形靜電傳感器、第13環(huán)形靜電傳感器、第14環(huán)形靜電傳感器、第15環(huán)形 靜電傳感器，并且第一靜電傳感器陣列(5)中相鄰的環(huán)形靜電傳感器之間的軸向間距ρ相 等，第一靜電傳感器陣列(5)中的各個(gè)環(huán)形靜電傳感器由第一靜電傳感器陣列導(dǎo)線(8)連 接，所述第二靜電傳感器陣列(6)至少包括第21環(huán)形靜電傳感器、第22環(huán)形靜電傳感器、第23環(huán)形靜電傳感器、第24環(huán)形靜電傳感器、第25環(huán)形靜電傳感器，第二靜電傳感器陣列 (6)中的各個(gè)環(huán)形靜電傳感器由第二靜電傳感器陣列導(dǎo)線(7)連接，第21環(huán)形靜電傳感器 設(shè)在第11環(huán)形靜電傳感器與第12環(huán)形靜電傳感器之間且第21環(huán)形靜電傳感器至第11環(huán) 形靜電傳感器之間的軸向距離等于第21環(huán)形靜電傳感器至第12環(huán)形靜電傳感器之間的軸 向距離，第22環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第12環(huán)形靜電傳感器與第13環(huán)形靜電傳感器之間且第 22環(huán)形靜電傳感器至第12環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第22環(huán)形靜電傳感器至 第13環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離，第23環(huán)形靜電傳感器設(shè)在第13環(huán)形靜電傳感器與 第14環(huán)形靜電傳感器之間且第23環(huán)形靜電傳感器至第13環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距 離等于第23環(huán)形靜電傳感器至第14環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離，第24環(huán)形靜電傳感 器設(shè)在第14環(huán)形靜電傳感器與第15環(huán)形靜電傳感器之間且第24環(huán)形靜電傳感器至第14 環(huán)形靜電傳感器之間的軸向距離等于第24環(huán)形靜電傳感器至第15環(huán)形靜電傳感器之間的 軸向距離，第25環(huán)形靜電傳感器與第15環(huán)形靜電傳感器之間的距離為第一靜電傳感器陣 列(5)中相鄰的環(huán)形靜電傳感器之間的軸向間距ρ的二分之一。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種顆粒速度的線性靜電傳感器陣列測(cè)量方法及裝置。該方法在管道軸向上布置多個(gè)環(huán)狀電極構(gòu)成的第一線性靜電傳感器陣列和第二線性靜電傳感器陣列，當(dāng)帶電顆粒通過(guò)兩靜電傳感器陣列時(shí)，產(chǎn)生兩組反映氣固流動(dòng)信息的靜電信號(hào)，接入前置電荷差分電路放大后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路送入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)差分靜電信號(hào)進(jìn)行頻譜分析并確定頻譜上的峰值頻率，進(jìn)而獲得氣固兩相流顆粒平均速度。相比于單環(huán)靜電感應(yīng)空間濾波器，線性靜電傳感器陣列具有較高的空間選擇性，因此提高了顆粒速度測(cè)量的準(zhǔn)確性。本發(fā)明的顆粒速度線性靜電傳感器陣列測(cè)量裝置，包括測(cè)量探頭、前置電荷差分放大電路、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)。
文檔編號(hào)G01P5/08GK101900743SQ20101018573
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者付飛飛, 李健, 王式民, 許傳龍, 高鶴明 申請(qǐng)人:東南大學(xué)