本發(fā)明涉及一種針對(duì)管道中氣固兩相流的多參數(shù)檢測(cè)方法，屬于多相流檢測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

用于氣固兩相流檢測(cè)的方法很多，如電容層析成像法、高速成像、微波法、靜電法等。

電容層析成像(electricalcapacitancetomography,ect)技術(shù)是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種多相流檢測(cè)技術(shù)，通過電容傳感器獲得管道截面上介質(zhì)的介電常數(shù)分布從而獲得介質(zhì)的分布圖像，具有成本低廉、響應(yīng)速度快、非侵入性、適用范圍廣、安全性好的優(yōu)點(diǎn)，在石油管道的氣/油兩相流和油/水兩相流，氣力輸送的氣/固兩相流等方面具有廣泛的應(yīng)用。

從ect重建的圖像中可以提取固相濃度，采用雙截面電容傳感器則可從濃度序列中提取速度。但由于其自身理論尚不夠完善，比如軟場(chǎng)效應(yīng)、非線性誤差等問題，使得成像精度不夠高。另外，由于ect圖像重建算法復(fù)雜，難以做到實(shí)時(shí)成像，可靠性差，僅適合于科學(xué)研究，不太適用于工業(yè)過程參數(shù)的檢測(cè)。

電極電容傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要電極切換，采樣速率高。采用螺旋電極結(jié)構(gòu)可以有效改善流型對(duì)傳感器特性的影響，在濃度測(cè)量上具有良好的線性度和穩(wěn)定性。但是螺旋結(jié)構(gòu)軸向長(zhǎng)度大，不太適合用雙截面結(jié)構(gòu)相關(guān)獲得速度，所以需要其他傳感器配合實(shí)現(xiàn)速度的測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。

靜電法是基于流動(dòng)固相顆粒荷電特性實(shí)現(xiàn)兩相流參數(shù)檢測(cè)的。在氣力輸送過程中，由于顆粒與管道壁面以及顆粒之間的碰撞、摩擦、分離，顆粒會(huì)攜帶大量的電荷。通過對(duì)顆粒流動(dòng)過程中產(chǎn)生的靜電噪聲的檢測(cè)，并結(jié)合適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理方法，可實(shí)現(xiàn)提取顆粒的濃度，甚至顆粒粒徑的有效信息。靜電法檢測(cè)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。但在檢測(cè)氣固兩相流的濃度時(shí)，由于固相顆粒的許多物理特性(如顆粒形狀、大小、分布、導(dǎo)電率、介電常數(shù)、化學(xué)組分、含水量等)以及流動(dòng)條件(如管道尺寸、管壁的粗糙度等)都對(duì)相濃度的測(cè)量結(jié)果有較大影響，標(biāo)定過程負(fù)載且沒有通用性，所有目前還沒有很好的解決辦法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對(duì)上述背景技術(shù)中存在的缺陷和不足，本發(fā)明提出一種螺旋式電容-圓環(huán)式靜電傳感器的氣固兩相流檢測(cè)的方法,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)氣固兩相流流動(dòng)過程中的顆粒相的濃度、速度及流量等參數(shù)的精準(zhǔn)檢測(cè)。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明首先提出一種輸送管道中氣固兩相流檢測(cè)裝置，所述裝置包括設(shè)置在管道上的圓環(huán)式靜電傳感器、螺旋式電容傳感器，且在管道介質(zhì)流動(dòng)方向上所述圓環(huán)式靜電傳感器的安裝位置位于螺旋式電容傳感器的上游；其中，所述圓環(huán)式靜電傳感器包括2個(gè)依次設(shè)置的靜電檢測(cè)圓環(huán)，且2個(gè)靜電檢測(cè)圓環(huán)之間存在間隔l；所述螺旋式電容傳感器包括1個(gè)螺旋式檢測(cè)極板和1個(gè)螺旋式激勵(lì)極板，且檢測(cè)極板相對(duì)于激勵(lì)極板沿管道軸向方向旋轉(zhuǎn)180°設(shè)置；所述圓環(huán)式靜電傳感器用于測(cè)量管道內(nèi)固相顆粒的平均流動(dòng)速度，螺旋式電容傳感器用于檢測(cè)管道內(nèi)固相的平均濃度。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的輸送管道中氣固兩相流檢測(cè)裝置，還包括用于完全包裹住圓環(huán)式靜電傳感器、螺旋式電容傳感器的屏蔽層。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的輸送管道中氣固兩相流檢測(cè)裝置，所述間隔l由傳感器所處實(shí)際測(cè)量環(huán)境中管道的內(nèi)徑以及管壁厚度、管道材料的介電常數(shù)決定。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的輸送管道中氣固兩相流檢測(cè)裝置，螺旋式檢測(cè)極板和螺旋式激勵(lì)極板之間設(shè)置有保護(hù)電極。

另一方面，本發(fā)明還提出一種基于上述輸送管道中氣固兩相流檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟a，通過對(duì)顆粒流動(dòng)過程中產(chǎn)生的靜電噪聲進(jìn)行檢測(cè)，先后分別從2個(gè)靜電檢測(cè)圓環(huán)處測(cè)得信號(hào)x(t)和y(t)，通過互相關(guān)算法計(jì)算出固相顆粒的流動(dòng)速度v；

步驟b，在管道中，當(dāng)有顆粒流過螺旋式電容傳感器時(shí)，以氣力輸送顆粒料為測(cè)試對(duì)象，通過測(cè)量螺旋式電容傳感器的2個(gè)螺旋電極間電容以獲得螺旋式電容傳感器內(nèi)部固相平均濃度；

步驟c，根據(jù)螺旋式電容傳感器獲取的固相平均濃度以及通過圓環(huán)式靜電傳感器得到的固相速度v計(jì)算出固相的體積流量，從而可進(jìn)一步算得固相質(zhì)量流量。

進(jìn)一步的，上述檢測(cè)方法中，所述步驟a互相關(guān)算法是利用互相關(guān)法獲取兩組信號(hào)間的延遲時(shí)間τ，根據(jù)公式v＝l/τ，進(jìn)一步計(jì)算得到顆粒速度v。

進(jìn)一步的，上述檢測(cè)方法中，所述步驟b通過有限元分析方法得到螺旋式電容傳感器的輸出電容和固相平均濃度之間的關(guān)系，從而由測(cè)出的螺旋電極間電容計(jì)算出固相平均濃度。

進(jìn)一步的，上述檢測(cè)方法中，在螺旋式激勵(lì)極板上施加一定頻率的周期性激勵(lì)信號(hào)，在螺旋式檢測(cè)極板上感應(yīng)出的信號(hào)幅值與電容大小成正比，從而實(shí)現(xiàn)螺旋式電容傳感器的輸出電容的檢測(cè)。

進(jìn)一步的，上述檢測(cè)方法中，質(zhì)量流量的具體計(jì)算公式如下：

其中，m代表固相質(zhì)量流量，v(x,y)代表根據(jù)2個(gè)靜電檢測(cè)圓環(huán)檢測(cè)得到的固相顆粒的流動(dòng)速度，g(x,y)代表螺旋式電容傳感器獲取的內(nèi)部固相平均濃度，ρ代表固相密度，p代表傳感器管道界面區(qū)域。

進(jìn)一步的，上述檢測(cè)方法中，螺旋式電容傳感器的輸出電容和固相平均濃度之間的關(guān)系為：固相平均濃度g＝(測(cè)量電容-空管電容)/(滿管電容-空管電容)。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、簡(jiǎn)化了電極結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用螺旋式電容電極和圓環(huán)式靜電檢測(cè)電極。螺旋式電容傳感器實(shí)現(xiàn)固相濃度檢測(cè)，圓環(huán)式靜電傳感器實(shí)現(xiàn)固相平均速度測(cè)量，再由固相濃度和速度獲取固相的體積流量。與傳統(tǒng)的ect傳感器相比，減少了電極數(shù)量，簡(jiǎn)化了電極結(jié)構(gòu)，沒有電極切換環(huán)節(jié)，使得傳感器在制作工序上更加簡(jiǎn)單，提高了電容和靜電傳感器的采樣頻率，系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠，能夠更加高效的實(shí)現(xiàn)管道中平均速度與濃度值的獲取。

2、提高了采樣效率。本發(fā)明涉及螺旋式電容傳感器與圓環(huán)式靜電傳感器，檢測(cè)過程中無需進(jìn)行電極的切換，提高了系統(tǒng)的采樣頻率，使得參數(shù)檢測(cè)更加高效，滿足對(duì)高速流動(dòng)的檢測(cè)，如電廠二次風(fēng)。

3、提高了濃度、速度以及質(zhì)量流量的檢測(cè)精度。本發(fā)明將電容法與靜電法相結(jié)合，設(shè)計(jì)的螺旋極板式電容傳感器有效解決輸出電容對(duì)流型敏感的問題。由于電容傳感器僅完成濃度測(cè)量，不增加傳感器軸向長(zhǎng)度情況下，可以增加螺旋電容電極軸向長(zhǎng)度，從而提高了濃度檢測(cè)的靈敏度；發(fā)揮靜電傳感器在速度測(cè)量上的靈敏度高、體積小的優(yōu)勢(shì)，摒棄了靜電傳感器在濃度提取上存在的不確定問題；質(zhì)量流量是通過濃度與速度的乘積并進(jìn)行積分得到的，濃度與速度的誤差決定了質(zhì)量流量的測(cè)量精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中的傳感器設(shè)置結(jié)構(gòu)圖，流體從左向右流動(dòng)，a-a截面為螺旋式電容傳感器的截面圖。圖中標(biāo)號(hào)解釋：1為螺旋式電容傳感器的激勵(lì)極板，2為螺旋式電容傳感器的檢測(cè)極板，3為螺旋式電容傳感器的保護(hù)電極，4為圓環(huán)式靜電傳感器的2個(gè)靜電檢測(cè)環(huán)，5為傳感器外圍屏蔽罩，6為流動(dòng)管道。

圖2是本發(fā)明的方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

本發(fā)明主要是針對(duì)管道中氣固兩相流的多參數(shù)檢測(cè)，包括濃度、速度以及質(zhì)量流量的測(cè)量。本發(fā)明相比傳統(tǒng)的ect電容傳感器和靜電傳感器，既避免了電容傳感器在濃度測(cè)量中對(duì)流型敏感且靈敏度低的問題，又避免了靜電傳感器在濃度測(cè)量中受管道介質(zhì)、顆粒特性影響的問題。

螺旋式電容傳感器與圓環(huán)式靜電傳感器相融合的氣固兩相流檢測(cè)方法由螺旋式電容傳感器與圓環(huán)式靜電傳感器兩部分組合，圓環(huán)式靜電傳感器位于傳感器管道的上游。螺旋式電容傳感器包括螺旋形激勵(lì)極板1、螺旋形檢測(cè)極板2，螺旋形保護(hù)電極3和屏蔽層5，其中激勵(lì)極板1、檢測(cè)極板2和保護(hù)電極3均沿管道圓周旋轉(zhuǎn)180°。圓環(huán)式靜電傳感器包括2個(gè)靜電檢測(cè)電極環(huán)4，2個(gè)檢測(cè)電極環(huán)間距離為l，間隔l由傳感器所處實(shí)際測(cè)量環(huán)境中管道的內(nèi)徑以及管壁厚度、管道材料的介電常數(shù)決定。屏蔽層5則是用于完全包裹住激勵(lì)極板1與檢測(cè)極板2以及靜電檢測(cè)電極環(huán)4。

本發(fā)明為螺旋式電容傳感器和圓環(huán)式靜電傳感器相結(jié)合的氣固兩相流檢測(cè)方法，參考圖2所示，具體的檢測(cè)方法包括以下幾個(gè)步驟：

步驟a，顆粒先通過靜電傳感器的過程中，顆粒與管道6壁面以及顆粒之間發(fā)生碰撞、摩擦、分離，產(chǎn)生電荷。通過對(duì)顆粒流動(dòng)過程中產(chǎn)生或感應(yīng)的靜電進(jìn)行檢測(cè)，分別從上下游傳感器測(cè)得信號(hào)x(t)和y(t)，通過互相關(guān)算法計(jì)算出固相顆粒的流動(dòng)速度v。互相關(guān)算法是利用互相關(guān)法獲取兩組信號(hào)間的延遲時(shí)間τ，根據(jù)公式v＝l/τ，進(jìn)一步計(jì)算得到顆粒速度v。

步驟b，固相顆粒通過螺旋式電容傳感器，引起管內(nèi)等效介電常數(shù)的變化，從而改變螺旋激勵(lì)極板和螺旋檢測(cè)極板間電容。通過有限元分析方法得到螺旋式式電容傳感器的輸出電容和固相平均濃度之間的關(guān)系，擬合出輸出電容和固相平均濃度的關(guān)系函數(shù)。檢測(cè)電路測(cè)量傳感器電極間電容，根據(jù)螺旋式電容傳感器顆粒濃度和電容間關(guān)系提取固相濃度g。

步驟c，根據(jù)圓環(huán)式靜電傳感器相關(guān)出的顆粒速度v和螺旋式電容傳感器獲取的濃度值g計(jì)算出體積流量值，在顆粒密度已知的情況下，可以計(jì)算出質(zhì)量流量。質(zhì)量流量的具體計(jì)算公式如下：

其中，m代表固相質(zhì)量流量，v(x,y)代表根據(jù)2個(gè)靜電檢測(cè)圓環(huán)檢測(cè)得到的固相顆粒的流動(dòng)速度，g(x,y)代表螺旋式電容傳感器獲取的內(nèi)部固相平均濃度，ρ代表固相密度，p代表傳感器管道界面區(qū)域。

進(jìn)一步的，上述檢測(cè)方法中，螺旋式電容傳感器的輸出電容和固相平均濃度之間的關(guān)系為：固相平均濃度g＝(測(cè)量電容-空管電容)/(滿管電容-空管電容)。

以下以煤粉和空氣混合物輸送為測(cè)試對(duì)象，對(duì)本發(fā)明提供的氣固兩相流檢測(cè)方法及功效詳細(xì)說明，為了簡(jiǎn)單清楚地目的，下文恰當(dāng)?shù)氖÷粤斯夹g(shù)的描述以免那些不必要的細(xì)節(jié)影響對(duì)本技術(shù)方案的描述。

如圖1，當(dāng)流體流過管道時(shí)，先經(jīng)過圓環(huán)式靜電傳感器，再經(jīng)過螺旋式電容傳感器。本發(fā)明利用圓環(huán)式靜電傳感器的2個(gè)電極環(huán)測(cè)量固相顆粒的平均流動(dòng)速度，利用螺旋式電容傳感器檢測(cè)管內(nèi)固相的平均濃度，再根據(jù)濃度與速度算得固相質(zhì)量流量。

當(dāng)顆粒經(jīng)過靜電傳感器時(shí)，顆粒在管道中與管道壁面以及顆粒之間的碰撞、摩擦、分離等產(chǎn)生靜電，圓環(huán)式靜電傳感器上、下游兩個(gè)靜電檢測(cè)環(huán)被動(dòng)產(chǎn)生的靜電，檢測(cè)到的靜電信號(hào)具有相關(guān)性，利用互相關(guān)算法獲取固相顆粒在管道中的流速v。靜電環(huán)間的間距l(xiāng)由采樣速度、固相速度和測(cè)量精度共同決定。固相顆粒在經(jīng)過2個(gè)靜電環(huán)的時(shí)間差內(nèi)，采樣的點(diǎn)數(shù)應(yīng)該足夠大才能保證足夠的測(cè)速精度。以電廠鍋爐供粉為例，若粉體速度為15m/s的情況下，靜電數(shù)據(jù)采集的速率為50khz，為保證速度測(cè)量誤差小于0.5％，采樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)該不小于200點(diǎn)，則粉體經(jīng)過上下游靜電環(huán)的時(shí)間差為200/50000＝4毫秒，因此，兩靜電環(huán)間的間距l(xiāng)＝速度乘以時(shí)間＝15米/秒x4毫秒＝60毫米。

顆粒經(jīng)過螺旋式電容傳感器時(shí)，引起管內(nèi)等效介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起2個(gè)螺旋電容電極間電容的變化。在螺旋式電容激勵(lì)極板上施加一定頻率的周期性激勵(lì)信號(hào)，在螺旋式電容檢測(cè)極板上感應(yīng)出的信號(hào)幅值與電容大小成正比，從而實(shí)現(xiàn)電容傳感器電容的檢測(cè)。

最后，根據(jù)固相顆粒的濃度與流速計(jì)算質(zhì)量流量。

通過以上介紹的具體檢測(cè)方法，可以精確獲取煤粉與空氣混合物在管道中流動(dòng)是的平均濃度，平均流速以及固相質(zhì)量流量，可以實(shí)時(shí)了解管道中流體的流動(dòng)情況，能夠有效監(jiān)測(cè)流體流動(dòng)過程中的不穩(wěn)定因素以及防堵塞等類似事件的發(fā)生。

本發(fā)明結(jié)合了螺旋式電容傳感器與圓環(huán)式靜電傳感器，通過螺旋式電容傳感器的電容獲得管內(nèi)固相濃度；通過靜電傳感器檢測(cè)管道中的顆粒與管道壁面以及顆粒之間的碰撞、摩擦、分離產(chǎn)生的靜電噪聲，采用互相關(guān)法快速獲取固相流動(dòng)速度；根據(jù)濃度與速度獲取質(zhì)量流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣固兩相流的多參數(shù)測(cè)量。電容傳感器的螺旋電極結(jié)構(gòu)有效改善普通2電極電容傳感器對(duì)流型敏感的問題，靜電傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，適合于速度的測(cè)量。

本發(fā)明是電容法與靜電法的融合，發(fā)揮螺旋式電容傳感器和圓環(huán)式靜電傳感器分別在濃度測(cè)量和速度測(cè)量方面的優(yōu)勢(shì)。采用單截面電容傳感器縮小了傳感器結(jié)構(gòu)尺寸的同時(shí)，有效提高電容傳感器濃度檢測(cè)的靈敏度，采用緊湊的圓環(huán)式靜電傳感器可以有效提高上下游電極間的相關(guān)性。

以上所述僅是本發(fā)明的部分實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。