專利名稱：顆粒速度分布的弧狀靜電傳感器陣列測量方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于氣固兩相流測量技術領域，具體涉及一種顆粒速度分布的弧狀靜電傳 感器陣列測量方法及裝置。
背景技術：
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)領域。實現(xiàn)氣固兩相流 顆粒速度分布測量對于推動氣固兩相流機理研究以及生產(chǎn)過程的粉體流量計量、節(jié)能與控 制具有重要意義。目前，基于不同的測量原理，人們已開發(fā)了多種非接觸式顆粒速度測量方 法，如多普勒、互相關、空間濾波、直接觀察法等。多普勒顆粒速度測量基本原理是利用顆粒 的移動導致散射光產(chǎn)生頻移測量顆粒速度，具有簡單、可靠等特點，在流體實驗研究領域得 到了廣泛的應用，流動測量可從毫米級到幾米的管道直徑范圍。但是多普勒速度測量系統(tǒng) 設備昂貴，且僅適用于稀相懸浮流動條件。直接觀察法主要包括高速攝像、PIV技術、熒光 粒子示蹤等方法，可獲得完整的顆粒流動速度分布測量，但結果分析耗時，僅適用于實驗室 研究，不適合工業(yè)現(xiàn)場應用。以相關技術為基礎構成的兩相流速度測量系統(tǒng)，具有測量范圍 寬、適應性強、不阻礙流動，可實現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點，在工業(yè)應用上，與其它測量方法相比 有較大的優(yōu)勢，為解決氣固兩相流速度、流量測量問題提供了強有力的技術手段。光學空間 濾波法可實現(xiàn)顆粒和物體移動速度的測量，具有系統(tǒng)結構簡單，光學及機械性能穩(wěn)定，光源 選擇范圍廣，數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點，但對于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，尤其是在稠密氣固流動測 量應用上，有待進一步完善。另外，限制相關法、多普勒和光學空間濾波法應用的一個至關 重要的因素這些方法屬于點/線測量方法或平均速度測量方法，而無法實現(xiàn)顆粒速度分布 瞬態(tài)同時測量，因此對于揭示氣固流動機理和粉體流量計量十分不利。氣固流動系統(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， 導致顆粒產(chǎn)生荷電現(xiàn)象。近些年來，人們利用顆粒荷電研究并開發(fā)了靜電相關法及靜電感 應空間濾波顆粒速度測速儀，測量系統(tǒng)具有結構簡單、硬件成本低、適合于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場 環(huán)境等特點。但靜電相關和空間濾波法，主要采用環(huán)狀靜電傳感器，由于環(huán)狀靜電傳感器輸 出信號是其敏感區(qū)域內(nèi)的所有帶電顆粒產(chǎn)生感應電荷的疊加，因而無法獲得管道截面上顆 粒速度分布信息。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有氣固兩相流速度測量方法的不足，本發(fā)明提出了一種顆粒速度分布 的弧狀靜電傳感器陣列測量方法及裝置，本發(fā)明能夠實現(xiàn)管道截面顆粒速度分布的測量， 提高靜電感應空間濾波器的選擇性，降低速度信號中心頻率測量的不確定性，進而提高了 顆粒速度測量的準確性。本發(fā)明采用如下技術方案本發(fā)明所述的一種顆粒速度分布的弧狀靜電傳感器陣列測量方法，取一絕緣測量 管道，在絕緣測量管道的外壁上設置電極陣列，所述的電極陣列為CXlO電極陣列，C為電極陣列行數(shù)，每行電極沿絕緣測量管道的軸向分布，將每行電極中的奇數(shù)電極進行電連接， 將每行電極中的偶數(shù)電極進行電連接，再分別將第i行電極中的奇數(shù)電極及第i行電極中 的偶數(shù)電極連接于第i路電荷差分放大電路的第一、第二輸入端，其中，i為電極陣列中任 意一行電極的行數(shù)，且1 ( i ( C，再將每路電荷差分放大電路的輸出信號由數(shù)據(jù)采集電路 送入計算機，由計算機對數(shù)據(jù)采集卡的每路輸出信號進行頻譜分析并確定頻譜上的峰值頻 率，進而計算獲得氣固兩相流顆粒速度分布。
本發(fā)明所述的一種用于實施顆粒速度分布的弧狀靜電傳感器陣列測量方法的裝 置，包括絕緣測量管道、數(shù)據(jù)采集卡及用于對數(shù)據(jù)采集卡的輸出信號進行頻譜分析并確定 頻譜上的峰值頻率、進而計算獲得氣固兩相流顆粒速度分布的計算機，所述裝置還包括電 荷差分放大電路以及在絕緣測量管道外壁上設置的電極陣列，所述的電極陣列為CXlO電 極陣列，C為電極陣列行數(shù)，每行電極沿絕緣測量管道的軸向分布，每行電極中的奇數(shù)電極 進行電連接，每行電極中的偶數(shù)電極進行電連接，第i行電極中的奇數(shù)電極及第i行電極中 的偶數(shù)電極分別與第i路電荷差分放大電路的第一、第二輸入端連接，其中，i為電極陣列 中任意一行電極的行數(shù)，且1 < i < C，每路電荷差分放大電路的輸出端分別與數(shù)據(jù)采集卡 的第1 C個輸入端連接。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1)相比于單環(huán)及多環(huán)靜電感應空間濾波器，本發(fā)明弧狀靜電傳感器陣列結合差分 放大電路，實現(xiàn)管道截面顆粒速度分布的測量，可用于復雜的氣固兩相流動測量；2)靜電傳感器陣列提高了靜電感應空間濾波器的選擇性，降低了速度信號中心頻 率測量的不確定性，提高了顆粒速度測量的準確性；3)弧狀靜電傳感器陣列在結構上對流體的流動狀況無影響，屬于非接觸式測量方 法，具有結構簡單，信號處理方便，價格低廉等特點，適合于惡劣的工業(yè)氣力輸送和氣固兩 相流系統(tǒng)中應用。


圖1是弧狀靜電傳感器陣列氣固兩相流顆粒速度分布測量裝置的示意圖；其中， 1-測量探頭；2-電荷差分放大電路；3-數(shù)據(jù)采集卡；4-計算機。圖2是本發(fā)明弧狀靜電傳感器陣列探頭結構簡圖，其中，5-電極陣列；6-絕緣測量 管道；7-第i行電極中的偶數(shù)電極連接導線；8-第i行電極中的奇數(shù)電極連接導線；9-金
屬屏蔽罩。圖3是弧狀靜電傳感器陣列電荷差分放大電路圖；其中，10-第一輸入端；11-第 二輸入端；12-輸出端。
具體實施例方式實施例1一種顆粒速度分布的弧狀靜電傳感器陣列測量方法，其特征在于，取一絕緣測量 管道6，在絕緣測量管道6的外壁上設置電極陣列5，所述的電極陣列5為8X 10電極陣列， 每行電極沿絕緣測量管道6的軸向分布，將每行電極中的奇數(shù)電極進行電連接，將每行電 極中的偶數(shù)電極進行電連接，再分別將第i行電極中的奇數(shù)電極及第i行電極中的偶數(shù)電極連接于第i路差分放大電路的第一輸入端10和第二輸入端11，其中，i為電極陣列中任 意一行電極的行數(shù)，且1 < i < 8，再將每路電荷差分放大電路的輸出信號由數(shù)據(jù)采集電路 3送入計算機4，由計算機4對數(shù)據(jù)采集卡3的每路輸出信號進行頻譜分析并確定頻譜上的 峰值頻率，進而計算獲得氣固兩相流顆粒速度分布。實施例2一種用于實施顆粒速度分布的弧狀靜電傳感器陣列測量方法的裝置，包括絕緣 測量管道6、數(shù)據(jù)采集卡3及用于對數(shù)據(jù)采集卡3的輸出信號進行頻譜分析并確定頻譜上 的峰值頻率、進而計算獲得氣固兩相流顆粒速度分布的計算機4，所述裝置還包括電荷差分 放大電路，在絕緣測量管道6的外壁上設置電極陣列5，所述的電極陣列5為8X10電極陣 列，每行電極沿絕緣測量管道6的軸向分布，每行電極中的奇數(shù)電極進行電連接，每行電極 中的偶數(shù)電極進行電連接，第i行電極中的奇數(shù)電極及第i行電極中的偶數(shù)電極分別與第 i路電荷差分放大電路的第一輸入端10、第二輸入端11連接，其中，i為電極陣列中任意一 行電極的行數(shù)，且1 < i < 8，每路電荷差分放大電路的輸出端12分別與數(shù)據(jù)采集卡3的第 1至第8輸入端相連接。下面參照附圖，對本發(fā)明的具體實施方案做出更為詳細的說明1)8X10電極陣列5安裝在絕緣測量管道6外壁周向位置上，該電極陣列5產(chǎn)生的 2X8組反應氣固兩相流顆粒速度分布信息的獨立靜電感應信號，由第1電荷差分放大電路 至第8電荷差分放大電路差分放大后，產(chǎn)生8組差分靜電信號，并由數(shù)據(jù)采集卡3送入計算 機4。其中電極陣列5的行數(shù)8，可根據(jù)實際測量管道的尺寸進行確定。2)在計算機4內(nèi)，對采集到的8組差分靜電信號ei (η), i = 1···. 8，進行傅立葉變 換處理得到Ei (k)，然后再取其幅值的平方，并除以靜電信號離散數(shù)據(jù)點數(shù)長度N，作為序列 ei(n)的功率譜的估計Pi (k)，則■二其中，η為時域差分靜電信號離散點，k為頻域離散點。3)根據(jù)步驟2)得到的8組功率譜特性函數(shù)的峰值位置確定每一組尖峰頻率值fi; 公式如下fi = Ki · F其中，Ki為功率譜函數(shù)峰值對應位置的離散點數(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&和行電極中奇數(shù)(偶數(shù))電極軸向間隔P，確定管道 內(nèi)截面上不同區(qū)域氣固兩相流顆粒流動平均速度Vi,計算公式如下Vi = k0 · ρ · fjIctl為速度無量綱校正系數(shù)，由實驗標定確定。在實際粉體顆粒輸送條件下，利用相 位多普勒測速儀(PDA)對弧狀靜電傳感器系統(tǒng)進行對比標定。具體的標定過程如下相位 多普勒測速儀與弧狀靜電傳感器測量系統(tǒng)同步測量，速度測量系統(tǒng)記錄測量數(shù)據(jù)并保存， 取與PDA同時間，同區(qū)間測量值的平均值與PDA測量值組成一個數(shù)據(jù)對，每次標定至少要獲 得15對數(shù)據(jù)。以弧狀靜電傳感器陣列速度測量系統(tǒng)測量的顆粒速度為橫坐標(X)，PDA測 得的顆粒速度為縱坐標(y)。將相關系數(shù)大于0. 85的數(shù)據(jù)對定義為有效數(shù)據(jù)點，有效測點 的數(shù)量m應在10個以上。運用一元線性回歸，給出標定曲線，進而獲得標定系數(shù)Ictl 可見獲得了每一組弧狀靜電傳感器輸出信號功率譜特性的尖峰頻率值fi;即可 計算出截面不同區(qū)域內(nèi)顆粒平均速度Vi,周向所有電極組相結合，可獲得顆粒速度截面分布。參照圖1所示，用于氣固兩相流顆粒速度的弧狀靜電傳感器陣列測量裝置主要包 括測量探頭1、電荷差分放大電路2、數(shù)據(jù)采集卡3和計算機4。探頭內(nèi)電極陣列5的輸出信 號，通過導線分別與差分放大電路2兩端相連，經(jīng)差分、放大后，通過數(shù)據(jù)采集卡3與計算機 4相連。在計算機4內(nèi)由自行編制的數(shù)據(jù)采集與處理軟件包，將電壓信號進行預處理后，可 繪出靜電傳感器輸出電壓隨時間變化的曲線圖，同時該軟件包可對差分靜電信號的進行分 析與處理，獲得顆粒的流動速度的測量值。圖2為測量裝置中所用弧狀靜電傳感器陣列探頭，在絕緣測量管道6的外壁上設 置電極陣列5，所述的電極陣列為8 X 10電極陣列，每行電極沿絕緣測量管道6的軸向分布， 每行電極中的奇數(shù)電極進行電連接，每行電極中的偶數(shù)電極進行電連接，第i行電極中的 奇數(shù)電極及第i行電極中的偶數(shù)電極分別與第i路差分放大電路的第一輸入端10、第二輸 入端11連接，其中，i為電極陣列中任意一行電極的行數(shù)，且1 ( i ( 8，兩信號通過電荷差 分放大電路后，窄帶周期性信號成分得以保留，而基頻直流部分被剔除。整個絕緣測量管道 6、電極陣列5包覆于金屬屏蔽罩9內(nèi)。圖3是弧狀靜電傳感器陣列電荷差分放大電路圖。第1至第C個電荷差分放大電 路結構相同。連接方式為第一電容C1 一端和第一電阻R1 —端與第一運算放大器A1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 —端與第一運算放大 器~的輸出端相連接，第二電容C2 —端和第二電阻R2 —端與第二運算放大器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 —端與第二運算放大器 A2的輸出端相連接，第一運算放大器A1的正向輸入端和第二運算放大器A2的正向輸入端接 地，第三電阻R3另一端和第五電阻R5 —端與第三運算放大器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 與第三運算放大器A3的正向輸入端相連接，第六電阻R6另一端接地。差分放大電路的輸出 端12通過數(shù)據(jù)采集卡PCI 9112與計算機4相連接。該放大電路采用三個放大器組成差動 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?；铎o電傳感器陣列的感應電荷信號是一種低頻的微弱信號，因此有必要采取 抗干擾措施1)元器件的選擇微弱信號檢測的首要問題就是盡量降低放大器本身的噪聲。 本電路中采用的高輸入阻抗放大器0PA128，頻率范圍在ΙΟΗζ-ΙΟΚΗζ時，等效噪聲的電壓值 eN 為 2. 4μ V ；在 0. 1Ηζ-20ΚΗζ 時，等效噪聲的電流值 iN = 0. 12fA/(Hz)1/2 0P07 是一種高 精度的儀用放大器，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，必須避免振動造成元器件變形或電路連接線發(fā)生移動帶來的影響?，F(xiàn)已對石英沙、玻璃珠等物料在重力輸送實驗臺和煤粉密相氣力輸送裝置上進行 了試驗，利用本發(fā)明中提及的方法及裝置，對顆粒速度范圍在0-20m/s的情況進行了測試， 取得了較好的效果。本發(fā)明的原理如下
儀器的工作過程是首先針對實際應用管道，在粉體顆粒輸送條件下，利用相位 多普勒測速儀(PDA)對弧狀靜電傳感器陣列測量系統(tǒng)進行對比標定，獲得無量綱標定系數(shù) k0 ；應用弧狀靜電傳感器陣列速度測量時，由弧狀靜電傳感器陣列及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 對管道內(nèi)氣固兩相流顆粒靜電噪聲進行數(shù)據(jù)采集，通過傅立葉變換計算差分靜電信號的功 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而根據(jù)Vi = Ictl · ρ · fi; (l<i<8)，計算出截面不同區(qū)域內(nèi)顆粒平均速度Vi，周向所有電極組相結合，可獲得截面 上顆粒速度分布。
權利要求
一種顆粒速度分布的弧狀靜電傳感器陣列測量方法，其特征在于，取一絕緣測量管道(6)，在絕緣測量管道(6)的外壁上設置電極陣列(5)，所述的電極陣列(5)為C×10電極陣列，C為電極陣列(5)的行數(shù)，每行電極沿絕緣測量管道(6)的軸向分布，將每行電極中的奇數(shù)電極進行電連接，將每行電極中的偶數(shù)電極進行電連接，再分別將第i行電極中的奇數(shù)電極及第i行電極中的偶數(shù)電極連接于第i路電荷差分放大電路的第一輸入端(10)、第二輸入端(11)，其中，i為電極陣列中任意一行電極的行數(shù)，且1≤i≤C，再將每路電荷差分放大電路的輸出信號由數(shù)據(jù)采集電路(3)送入計算機(4)，由計算機(4)對數(shù)據(jù)采集卡(3)的每路輸出信號進行頻譜分析并確定頻譜上的峰值頻率，進而計算獲得氣固兩相流顆粒速度分布。
2.一種實現(xiàn)權利要求1所述顆粒速度分布的弧狀靜電傳感器陣列測量方法的裝置，包 括絕緣測量管道(6)、數(shù)據(jù)采集卡(3)及用于對數(shù)據(jù)采集卡(3)的輸出信號進行頻譜分析 并確定頻譜上的峰值頻率、進而計算獲得氣固兩相流顆粒速度分布的計算機(4)，其特征在 于，所述裝置還包括電荷差分放大電路，在絕緣測量管道(6)的外壁上設置電極陣列(5)， 所述的電極陣列(5)為CXlO電極陣列，C為電極陣列行數(shù)，每行電極沿絕緣測量管道(6) 的軸向分布，每行電極中的奇數(shù)電極進行電連接，每行電極中的偶數(shù)電極進行電連接，第i 行電極中的奇數(shù)電極及第i行電極中的偶數(shù)電極分別與第i路電荷差分放大電路的第一輸 入端(10)、第二輸入端(11)連接，其中，i為電極陣列中任意一行電極的行數(shù)，且1彡i彡C， 每路差分放大電路的輸出端(12)分別與數(shù)據(jù)采集卡(3)的第1 C個輸入端連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種顆粒速度分布的弧狀靜電傳感器陣列測量方法及裝置。該方法在管道上布置一弧狀電極陣列，當帶電顆粒通過靜電傳感器陣列時，電極陣列的每一行電極組將產(chǎn)生兩組反映氣固流動信息的靜電信號，接入差分放大電路放大后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路送入計算機，在計算機內(nèi)對差分靜電信號進行頻譜分析并確定頻譜上的峰值頻率，進而獲得該電極組敏感空間內(nèi)氣固兩相流顆粒平均速度，周向上所有電極組結合可實現(xiàn)速度分布測量。相比于單環(huán)及多環(huán)靜電感應濾波器，弧狀靜電傳感器陣列能夠實現(xiàn)管道截面顆粒速度分布測量，具有較高的準確性。本發(fā)明的顆粒速度的弧狀靜電傳感器陣列測量裝置包括測量探頭、電荷差分放大電路、數(shù)據(jù)采集卡及計算機。
文檔編號G01N27/60GK101839889SQ20101018574
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權日2010年5月28日
發(fā)明者付飛飛, 李健, 王式民, 許傳龍, 高鶴明 申請人:東南大學