專利名稱：基于壓電傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣固兩相流在線測量技術(shù)范圍，特別涉及一種基于壓電傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
氣力輸送是一種利用氣流在管道中輸送顆粒狀固體的有效方法，是目前工業(yè)生產(chǎn)過程中的一項重要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)部門的粒料、粉料的輸送和干燥工藝。一個典型例子是火力發(fā)電廠中固體燃料如煤粉等的管道輸送。從磨煤機出來的煤粉由壓縮空氣攜帶同時供給多根輸送管道，然后進入燃燒器陣列在爐膛內(nèi)燃燒。煤粉顆粒粒度的分布與燃燒的效率及污染物排放量有著密切的聯(lián)系。然而，煤粉顆粒粒度的分布取決于磨煤機的工作性能及煤的物理特性等。近年來，世界各國的燃煤電廠開始采用煤粉與生物質(zhì)共燒技術(shù)， 以降低二氧化碳的排放。許多電廠已全部采用生物質(zhì)燃燒發(fā)電。許多生物質(zhì)如秸桿等要比煤粉顆粒要大，因此生物質(zhì)燃燒或煤粉與生物質(zhì)共燒與純煤粉燃燒有很大的不同。大顆粒及不規(guī)則燃料顆粒的燃燒會直接影響到燃燒效率及污染物的排放量。燃料粒度過大或過細(xì)則會造成燃燒不完全或磨煤機能耗增加等，嚴(yán)重時會造成管道堵塞，被迫停機，給電廠造成重大損失。因此，對電廠煤粉和生物質(zhì)的顆粒粒度分布進行在線連續(xù)檢測，有助于提高鍋爐燃燒的安全性及燃燒效率，降低污染物排放。在現(xiàn)有的在線顆粒粒度檢測技術(shù)中，比較成熟的有光學(xué)成像法，但是存在鏡頭易污染和安裝復(fù)雜的缺點。本發(fā)明提出基于壓電傳感器的顆粒粒度在線檢測系統(tǒng)，是利用壓電材料的壓電效應(yīng)，將碰撞機械能轉(zhuǎn)換為電能，再進一步通過碰撞動力學(xué)建模的模型轉(zhuǎn)化成粒度分布。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于壓電傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置及方法， 其特征在于，所述基于壓電傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置為在氣固兩相流管道I的中部插入碰撞感應(yīng)探針3，碰撞感應(yīng)探針3在顆粒流場2中部；碰撞感應(yīng)探針3末端安裝有壓電傳感器4，信號調(diào)理板和數(shù)據(jù)采集模塊5與壓電傳感器4固定在一起并封裝在系統(tǒng)封裝 6內(nèi)；信號處理系統(tǒng)7與信號調(diào)理板和數(shù)據(jù)采集模塊5連接。所述碰撞感應(yīng)探針形狀設(shè)計為V型，感應(yīng)探針斜面與管道橫截面之間的角度α為 40°至50°，使碰撞感應(yīng)探針后的反彈顆粒不阻礙流體的運動。所述碰撞感應(yīng)探針的長度為管道直徑的三分之一到三分之二。所述碰撞感應(yīng)探針的V型碰撞面由不銹鋼制成，并鍍有陶瓷以增加耐磨性。所述壓電傳感器為壓電陶瓷或者壓電薄膜，以達到長時間連續(xù)使用的目的。所述信號處理系統(tǒng)由碰撞粒度模型和用戶界面構(gòu)成；信號處理系統(tǒng)得到碰撞信號的強度后利用碰撞信號與粒度的數(shù)學(xué)模型進而得到管道內(nèi)顆粒的粒度分布。所述基于壓電傳感器的顆粒粒度分布在線測量方法是插入氣固兩相流管道I中部的碰撞感應(yīng)探針3將被顆粒碰撞的信號傳輸給壓電傳感器4，壓電傳感器4通過信號調(diào)理板和數(shù)據(jù)采集模塊5輸入到信號處理系統(tǒng)7進行處理分析，得到碰撞信號的強度，信號處理系統(tǒng)7利用碰撞信號與粒度的數(shù)學(xué)模型進而得到管道內(nèi)顆粒的粒度分布，并通過用戶界面顯示；其中，碰撞信號的強度和顆粒粒度之間的關(guān)系由如下模型給出V —"cr(I)其中，V為碰撞信號的強度，h為壓電材料厚度，S是感應(yīng)面積，g33為壓電電壓常數(shù)，K為碰撞材料的碰撞常數(shù)，V為顆粒速度，d為顆粒粒度；壓電傳感器參數(shù)h，S和g33由所用壓電材料來確定；碰撞常數(shù)K通過系統(tǒng)標(biāo)定來確定；顆粒速度V通過測量氣流速度來估計；在實時監(jiān)測系統(tǒng)中，顆粒的粒度分布顯示在用戶界面中，當(dāng)用戶界面中的顆粒個數(shù)累計到具有統(tǒng)計意義數(shù)目時，將整個用戶界面的統(tǒng)計信息輸出，并根據(jù)新進的顆粒信息進行數(shù)據(jù)更新，從而實現(xiàn)在線實時監(jiān)測。本發(fā)明有益效果是本發(fā)明采用了結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕和安裝容易的壓電傳感器對微小顆粒碰撞的感應(yīng)實時監(jiān)測氣固兩相流管道中顆粒粒度的分布；本壓電傳感器直接獲取碰撞信號，減小背景噪聲對碰撞信號的影響；其次，利用碰撞動力學(xué)原理建立碰撞信號與粒度的數(shù)學(xué)模型，得到管道內(nèi)被測顆粒的粒度分布。


圖I為顆粒粒度分布在線測量裝置的原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.氣固兩相流管道，2.顆粒流場，3.碰撞感應(yīng)探針，4.壓電傳感器，5.信號調(diào)理板和數(shù)據(jù)采集模塊，6.系統(tǒng)封裝，7.信號處理系統(tǒng)。圖2為碰撞感應(yīng)探針示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種基于壓電傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置及方法。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的予以說明如下；圖I所示為顆粒粒度分布在線測量裝置的原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，在氣固兩相流管道I的中部插入碰撞感應(yīng)探針3，碰撞感應(yīng)探針3在顆粒流場2中部；碰撞感應(yīng)探針的長度為管道直徑的三分之一到三分之二。碰撞感應(yīng)探針3末端安裝有壓電傳感器4，該壓電傳感器4為壓電陶瓷或者壓電薄膜制成，以達到長時間連續(xù)使用的目的。信號調(diào)理板和數(shù)據(jù)采集模塊5與壓電傳感器4固定在一起并封裝在系統(tǒng)封裝6內(nèi)；信號處理系統(tǒng)7與信號調(diào)理板和數(shù)據(jù)采集模塊5連接。其中，所述碰撞感應(yīng)探針形狀設(shè)計為V型，感應(yīng)探針斜面與管道橫截面之間的角度α為40°至50° (如圖2所示)，并在碰撞感應(yīng)探針的V型碰撞面由不銹鋼制成，并鍍有陶瓷以增加耐磨性，使碰撞感應(yīng)探針后的反彈顆粒不阻礙流體的運動。所述信號處理系統(tǒng)由碰撞粒度模型和用戶界面構(gòu)成；信號處理系統(tǒng)得到碰撞信號的強度后利用碰撞信號與粒度的數(shù)學(xué)模型進而得到管道內(nèi)顆粒的粒度分布。本發(fā)明基于壓電傳感器的顆粒粒度分布在線測量方法是插入氣固兩相流管道I 中部的碰撞感應(yīng)探針3將被顆粒碰撞的信號傳輸給壓電傳感器4，壓電傳感器4通過信號調(diào)理板和數(shù)據(jù)采集模塊5輸入到信號處理系統(tǒng)7進行處理分析，得到碰撞信號的強度，信號處理系統(tǒng)7利用碰撞信號與粒度的數(shù)學(xué)模型進而得到管道內(nèi)顆粒的粒度分布，并通過用戶界面顯示；其中，碰撞信號的強度和顆粒粒度之間的關(guān)系由如下模型給出
權(quán)利要求
1.一種基于壓電傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置，其特征在于，所述基于壓電傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置為在氣固兩相流管道(I)的中部插入碰撞感應(yīng)探針(3)，碰撞感應(yīng)探針(3)在顆粒流場(2)中部；碰撞感應(yīng)探針(3)末端安裝有壓電傳感器(4)，信號調(diào)理板和數(shù)據(jù)采集模塊(5)與壓電傳感器(4)固定在一起并封裝在系統(tǒng)封裝(6) 內(nèi)；信號處理系統(tǒng)(7)與信號調(diào)理板和數(shù)據(jù)采集模塊(5)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于壓電傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置，其特征在于， 所述碰撞感應(yīng)探針形狀設(shè)計為V型，感應(yīng)探針斜面與管道橫截面之間的角度α為40°至 50°，使碰撞感應(yīng)探針后的反彈顆粒不阻礙流體的運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于壓電傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置，其特征在于， 所述碰撞感應(yīng)探針的長度為管道直徑的三分之一到三分之二。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于壓電傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置，其特征在于， 所述碰撞感應(yīng)探針的V型碰撞面由不銹鋼制成，并鍍有陶瓷以增加耐磨性。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于壓電傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置，其特征在于， 所述壓電傳感器為壓電陶瓷或者壓電薄膜，以達到長時間連續(xù)使用的目的。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于壓電傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置，其特征在于， 所述信號處理系統(tǒng)由碰撞粒度模型和用戶界面構(gòu)成；信號處理系統(tǒng)得到碰撞信號的強度后利用碰撞信號與粒度的數(shù)學(xué)模型進而得到管道內(nèi)顆粒的粒度分布。
7.一種基于壓電傳感器的顆粒粒度分布在線測量方法，其特征在于，該方法是插入氣固兩相流管道(I)中部的碰撞感應(yīng)探針(3)將被顆粒碰撞的信號傳輸給壓電傳感器(4)， 壓電傳感器(4)通過信號調(diào)理板和數(shù)據(jù)采集模塊(5)輸入到信號處理系統(tǒng)(7)進行處理分析，得到碰撞信號的強度，信號處理系統(tǒng)(7)利用碰撞信號與粒度的數(shù)學(xué)模型進而得到管道內(nèi)顆粒的粒度分布，并通過用戶界面顯示；其中，碰撞信號的強度和顆粒粒度之間的關(guān)系由如下模型給出
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于氣固兩相流在線測量技術(shù)范圍的一種基于壓電傳感器的顆粒粒度分布在線測量裝置及方法。所述顆粒粒度分布在線測量裝置為在氣固兩相流管道的中部插入碰撞感應(yīng)探針，碰撞感應(yīng)探針裝有壓電傳感器，信號調(diào)理板和數(shù)據(jù)采集模塊與壓電傳感器和信號處理系統(tǒng)連接，當(dāng)固體顆粒撞擊感應(yīng)探針時壓電傳感器感應(yīng)到顆粒碰撞信號并送至信號調(diào)理板和數(shù)據(jù)采集模塊，再通過信號處理軟件和碰撞粒度模型得到顆粒粒度分布。本裝置特點是利用壓電傳感器直接獲取對微小顆粒碰撞的碰撞信號實現(xiàn)顆粒粒度分布的實時監(jiān)測；減小了背景噪聲對碰撞信號的影響；利用碰撞動力學(xué)原理建立碰撞信號與顆粒粒度的數(shù)學(xué)模型，得到管道內(nèi)被測顆粒的粒度分布。
文檔編號G01N15/02GK102608005SQ201210073200
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
發(fā)明者閆勇, 高凌君 申請人:華北電力大學(xué)