基于靜電感應(yīng)的矩形管中粉體流流動參數(shù)檢測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣固兩相流參數(shù)檢測領(lǐng)域，特別涉及一種基于靜電感應(yīng)的矩形管中粉 體流流動參數(shù)檢測裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 矩形、方形管道，由于制造工藝簡單，同等橫截面積實際占用空間相對較小，現(xiàn)場 中更容易安裝布置等優(yōu)點，常在循環(huán)流化床電廠、部分燃煤電廠、煙氣排放系統(tǒng)中用作氣力 輸送管道，氣力輸送管道中粉體流動是典型的氣固兩相流流動，管內(nèi)氣固兩相流參數(shù)檢測 與企業(yè)的經(jīng)濟效益和安全運行息息相關(guān)。矩形、方形截面管道，與圓形管道相比，由于非圓 心對稱性以及直角的存在，矩形管內(nèi)流體流動更加復(fù)雜。加之工業(yè)現(xiàn)場中環(huán)境惡劣，管內(nèi)流 體流動參數(shù)檢測更加困難，使得目前熱學(xué)法、差壓法、采樣稱重法、電容法、光學(xué)法、微波法、 放射法、超聲法都不能很好的實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場中矩形管內(nèi)粉體流流動參數(shù)的實時檢測。靜電 傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、可適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)勢，近年來取得了飛速的發(fā)展，但 目前已有的環(huán)形、弧形靜電傳感器，僅適用于圓形管道。
[0003] 一種公知的技術(shù)，專利ZL200710152036. 1，"方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù) 的測量裝置及方法"，公開了一種方形管道中氣固兩相流參數(shù)檢測方法：在方形管道中安裝 方形靜電傳感器。但由于該專利中方形靜電傳感器采用包圍整個管道截面的方形環(huán)狀電 極，雖具有較高的靈敏度，但不能測量傳感器截面處局部粉體的流動參數(shù)，不能實現(xiàn)流場分 布（即流型）辨識，且在實際應(yīng)用中，難以實現(xiàn)粉體流速、流量的準(zhǔn)確測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種新型的基于靜電感應(yīng)的矩形管中粉體流流動參數(shù)檢測 裝置及方法，實現(xiàn)矩形管道內(nèi)整體或局部粉體流流速、濃度、體積流量、質(zhì)量流量、流場分布 等多參數(shù)的實時檢測。
[0005] 本發(fā)明所述的檢測裝置采用的技術(shù)方案是：
[0006] 該檢測裝置由依次連接的矩形靜電傳感器陣列、信號調(diào)理處理單元、數(shù)據(jù)融合單 元、輸出顯示單元組成；
[0007] 所述矩形靜電傳感器陣列由安裝在矩形管道內(nèi)壁或外壁的多個相互平行的電極 環(huán)組成，各電極環(huán)由多個間隔分布的條形電極組成，且各條形電極之間彼此絕緣。
[0008] 所述各條形電極分別由金屬屏蔽層屏蔽，且條形電極與金屬屏蔽層之間絕緣。
[0009] 所述條形電極分為窄條形電極和寬條形電極，構(gòu)成窄電極環(huán)和寬電極環(huán)；但不僅 限于兩種電極尺寸。
[0010] 所述矩形靜電傳感器陣列中至少包含2個相同結(jié)構(gòu)尺寸的電極環(huán)；同一個電極環(huán) 中各條形電極尺寸相同；同一個電極環(huán)在單面管壁上條形電極的個數(shù)至少為1。
[0011] 所述條形電極安裝在矩形管段內(nèi)壁時，矩形靜電傳感器陣列由內(nèi)到外依次是條形 電極、預(yù)放單元、絕緣層、屏蔽導(dǎo)線、外管壁，預(yù)放單元與屏蔽導(dǎo)線連接，外管壁作為屏蔽層， 屏蔽各條形電極的干擾信號；條形電極安裝在矩形管段外壁時，矩形靜電傳感器陣列由內(nèi) 到外依次是絕緣層、條形電極、預(yù)放單元、屏蔽導(dǎo)線、金屬屏蔽層，預(yù)放單元與屏蔽導(dǎo)線連 接，金屬屏蔽層將矩形靜電傳感器陣列包覆，并在金屬屏蔽層與矩形管段外壁之間設(shè)置多 個金屬屏蔽片，用于隔離各條形電極間的干擾信號。
[0012] 所述預(yù)放單元由電流/電壓轉(zhuǎn)換模塊和初步放大模塊構(gòu)成，并與條形電極緊密連 接，集成到矩形靜電傳感器陣列中，對條形電極輸出的感應(yīng)電荷進行電流/電壓轉(zhuǎn)換和初 步放大，以減少信號衰減和增強信號抗干擾能力。
[0013] 所述信號調(diào)理處理單元視條形電極尺寸可以分為窄條形電極信號調(diào)理處理單元 和寬條形電極信號調(diào)理處理單元，分別與窄條形電極和寬條形電極連接；
[0014] 所述窄條形電極信號調(diào)理處理單元和寬條形電極信號調(diào)理處理單元分別包含二 次放大模塊、低通濾波模塊、多通道模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊、信號處理模塊；窄條形電極 信號調(diào)理處理單元和寬條形電極信號調(diào)理處理單元彼此獨立，分別實現(xiàn)窄條形電極、寬條 形電極相應(yīng)預(yù)放單元輸出信號的進一步放大、濾波、模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換與信號分析處理 功能；
[0015] 所述數(shù)據(jù)融合單元將窄條形電極信號調(diào)理處理單元和寬條形電極信號調(diào)理處理 單元得到的數(shù)據(jù)進一步融合、平滑處理，得到矩形管內(nèi)整體或局部粉體流的流速、濃度、體 積流量、質(zhì)量流量、流場分布的實時信息，送至輸出顯示單元進行顯示，實現(xiàn)矩形管內(nèi)整體 或局部粉體流流速、濃度、體積流量、質(zhì)量流量、流場分布等參數(shù)的實時檢測。
[0016] 所述窄條形電極信號調(diào)理處理單元、寬條形電極信號調(diào)理處理單元、數(shù)據(jù)融合單 元均設(shè)置在屏蔽罩內(nèi)，并設(shè)置在靠近矩形靜電傳感器陣列的位置，以減少信號損失，降低噪 聲干擾。
[0017] 本發(fā)明提供的基于靜電感應(yīng)的矩形管中粉體流流動參數(shù)檢測方法，是基于靜電感 應(yīng)原理進行檢測：粉體顆粒在管道中流動時產(chǎn)生攜帶上靜電，當(dāng)帶電顆粒流經(jīng)矩形靜電傳 感器陣列中的條形電極時，條形電極上感應(yīng)出與電極結(jié)構(gòu)、顆粒流動狀態(tài)相關(guān)的感應(yīng)電荷 信號，經(jīng)與條形電極對應(yīng)的信號調(diào)理處理單元放大、濾波、分析處理，再經(jīng)數(shù)據(jù)融合單元融 合后，得到整體或局部粉體流實時的流動參數(shù)，送至輸出顯示單元顯示；
[0018] 通過對矩形靜電傳感器陣列中單個條形電極輸出的感應(yīng)電荷信號幅值取均方值 (RMS，rootmeansquare)分析處理，可以確定該條形電極處局部粉體流的相對濃度；通過 研宄管道軸向相鄰的兩條或多條相同尺寸的條形電極輸出的感應(yīng)電荷信號，采用互相關(guān)算 法，可以確定該條形電極處局部粉體流的流速信息；綜合研宄不同尺寸、不同位置的條形電 極輸出的感應(yīng)電荷信號，進行數(shù)據(jù)融合，可實現(xiàn)矩形管內(nèi)整體或局部粉體流流速、濃度、體 積流量、質(zhì)量流量、流場分布等多參數(shù)的實時檢測。
[0019] 本發(fā)明的有益效果為：
[0020] (1)采用彼此絕緣的條形電極安裝在矩形管道內(nèi)壁或外壁組成矩形靜電傳感器陣 列，提供了一種基于靜電感應(yīng)的適用于矩形管道（包含方形管道）內(nèi)粉體流流動參數(shù)實時 檢測的裝置；
[0021] (2)采用彼此絕緣的多個條形電極組成矩形靜電傳感器陣列，分辨率高，檢測參數(shù) 多，可同時實現(xiàn)矩形管道內(nèi)整體與局部粉體流流速、濃度、體積流量、質(zhì)量流量、流場分布等 參數(shù)的實時測量；
[0022] (3)各條形電極彼此獨立，可單獨更換，產(chǎn)品維修成本低、產(chǎn)品使用壽命長；
[0023] (4)條形電極結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，可適用于工業(yè)現(xiàn)場等惡劣環(huán)境中。
【附圖說明】
[0024]圖1為基于靜電感應(yīng)的矩形管中粉體流流動參數(shù)檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖2為矩形靜電傳感器陣列橫向截面剖面示意圖，其中，圖2(a)為條形電極安裝 在矩形管道內(nèi)壁時的示意圖；圖2(b)為條形電極安裝在矩形管道外壁時的示意圖；
[0026] 圖3為矩形靜電傳感器陣列檢測區(qū)域劃分示意圖；
[0027]圖4為基于靜電感應(yīng)的矩形管管中粉體流流動參數(shù)測量系統(tǒng)計算流程示意圖。
[0028] 圖中標(biāo)號：
[0029] 1-矩形管道；2-矩形靜電傳感器陣列；3-窄條形電極信號調(diào)理處理單元；4-寬條 形電極信號調(diào)理處理單元；5-數(shù)據(jù)融合單元；6-輸出顯示單元；7-條形電極；8-預(yù)放單元； 9-絕緣層；10-屏蔽導(dǎo)線；11-外管壁；12-電極間金屬屏蔽片；13-金屬屏蔽層。
【具體實施方式】
[0030] 本發(fā)明提供了一種基于靜電感應(yīng)的矩形管中粉體流流動參數(shù)檢測裝置與方法，實 現(xiàn)矩形管道內(nèi)整體和局部粉體流流動參數(shù)的實時檢測，彌補了靜電傳感器在矩形管道上應(yīng) 用的空缺。下面結(jié)合附圖及實施案例對本發(fā)明作進一步說明：
[0031] 基于靜電感應(yīng)的矩形管中粉體流流動參數(shù)檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，矩形 靜電傳感器陣列2安裝在矩形管道1上；本實施案例選用6組條形電極組成矩形靜電傳感 器陣列2, 3組寬度較窄的條形電極與3組寬度較寬的條形電極分別構(gòu)成3個窄電極環(huán)和3 個寬電極環(huán)，按管道軸向方向交叉布置；每個電極環(huán)在一面管壁上均勻分布3個相同尺寸 的條形電極。
[0032] 窄條形電極和寬條形電極分別與窄條形電極信號調(diào)理處理單元3、寬條形電極信 號調(diào)理處理單元4連接，窄條形電極信號調(diào)理處理單元3和寬條形電極信號調(diào)理處理單元4 均通過數(shù)據(jù)融合單元5與輸出顯示單元6相連，實現(xiàn)矩形管道內(nèi)整體或局部粉體流流動參 數(shù)的實時檢測。
[0033] 以其中一個電極環(huán)為例，條形電極7的安裝示意圖如圖2所示。圖2(a)為條形電 極7安裝在矩形管道內(nèi)壁時的示意圖，矩形靜電傳感器陣列2由內(nèi)到外依次是條形電極7、 預(yù)放單元8、絕緣層9、屏蔽導(dǎo)線10,外管壁11，條形電極7彼此之間通過絕緣層9隔離并固 定，外管壁11充當(dāng)條形電極7與預(yù)放單元8的屏蔽層；圖2 (b)為條形電極7安裝在矩形管 道外壁時的示意圖，矩形靜電傳感器陣列2由內(nèi)到外依次是絕緣層9、條形電極7、預(yù)放單元 8、屏蔽導(dǎo)線10、電極間金屬屏蔽片12、金屬屏蔽層13,條形電極7通過絕緣層9隔離并固 定，電極間金屬屏蔽片12與金屬屏蔽層13共同充當(dāng)條形電極7、預(yù)放單元8的屏蔽層。
[0034] 條形電極7選用不銹鋼或銅；絕緣層9選用耐高溫的絕緣材料聚氯乙烯或高溫橡 膠、陶瓷等，用來確保條形電極之間以及條形電極與接地的金屬管壁之間絕緣。
[0035] 預(yù)放單元8由電流/電壓轉(zhuǎn)換模塊和初步放大模塊構(gòu)成，與條形電極7緊密連接， 集成到矩形靜電傳感器陣列2中，對條形電極7輸出的感應(yīng)電荷信號進行電流/電壓轉(zhuǎn)換 和初步放大。
[0036] 窄條形電極信號調(diào)理處理單元3和寬條形電極信號調(diào)理處理單元4彼此獨立，分 別包含二次放大模塊、低通濾波模塊、多通道模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊、信號處理模塊，通 過屏蔽導(dǎo)線10分別與相應(yīng)的窄條形電極、寬條形電極上的預(yù)放單元8連接，實現(xiàn)相對應(yīng)的 預(yù)放單元8輸出信號的進一步放大、濾波、模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換與信號分析處理功能。
[0037] 數(shù)據(jù)融合單元5將窄條形電極信號調(diào)理處理單元3和寬條形電極信號調(diào)理處理 單元4得到的數(shù)據(jù)進一步數(shù)據(jù)融合、平滑處理，得到矩形管內(nèi)整體或局部粉體流的流速、濃 度、體積流量、質(zhì)量流量、流場分布的實時信息，送至輸出顯示單元6進行顯示，實現(xiàn)矩形管 內(nèi)整體或局部粉體流的多參數(shù)實時檢測。
[0038] 窄條形電極信號調(diào)理處理單元3、寬條形電極信號調(diào)理處理單元4、數(shù)據(jù)融合單元 5均應(yīng)屏蔽在屏蔽罩內(nèi)，且放置在矩形靜電傳感器陣列2附近。
[0039] 矩形靜電傳感器陣列檢測區(qū)域劃分示意圖如圖3所示，