螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度分布檢測裝置與檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度檢測裝置與檢測方法，所述檢測裝置由電容檢測傳感器、信號傳輸電纜、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、圖像重建計算機組成。電容檢測傳感器包括螺旋輸送管、螺旋式測量電極陣列、環(huán)狀屏蔽電極、屏蔽罩。螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度檢測方法首先采采集螺旋式測量電極陣列的電容值，然后采用Landweber算法進行圖像重建得到被測管道內(nèi)粉體相對介電常數(shù)的分布圖像，最后對圖像進行分析處理，得到螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度分布信息。本發(fā)明顯著改善了電容檢測傳感器靈敏場的均勻程度和測量精度，在粉體定量加料方面具有良好的應(yīng)用前景。
【專利說明】螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度分布檢測裝置與檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)生產(chǎn)管道內(nèi)粉體在線檢測裝置，具體提供一種螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度分布檢測裝置與檢測方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在農(nóng)業(yè)、食品、化工等行業(yè)存在著大量粉體的流動及定量生產(chǎn)過程。螺旋輸送對粉體顆粒輸送有較好的可控性和穩(wěn)定性，在螺旋定量加料過程中，螺旋輸送管道內(nèi)粉體的運動情況十分復(fù)雜，而粉體的濃度分布對于定量加料是個非常重要的影響因素，對粉體濃度分布檢測一直是螺旋定量加料測控系統(tǒng)的難點。準確檢測粉體濃度分布能有效提高定量生產(chǎn)效率，具有節(jié)約資源、降低成本、減少污染等重要意義。
[0003]粉體濃度檢測方法主要有三種:第一類是采用分離法，將多相流體的各相分離，測量各相含量；第二類是基于超聲波技術(shù)、光譜技術(shù)、核磁共振技術(shù)、電容法、靜電法、過程層析成像技術(shù)等新型無損檢測技術(shù)；第三類是基于軟測量技術(shù)的測量方法。根據(jù)不同的檢測方法，有些學者已研制出相應(yīng)的粉體參數(shù)檢測裝置。
[0004]現(xiàn)有的粉體參數(shù)檢測裝置，如:2011年劉石等人利用介電系數(shù)變化測量電極提供的粉體介電系數(shù)變化信號，修正分步測量電極的數(shù)據(jù)，從而對粉粒體空間分布做出更為準確重建(專利申請?zhí)?01110066957.2)，介電系數(shù)變化測量屬于接觸式測量，測量電極容易被損壞，且對流場有一定的影響；2012年楊道業(yè)等人在申請專利雙陣列式電容傳感器及其氣固兩相流檢測方法(專利申請?zhí)?01210258938.4)中利用雙陣列式電容傳感器相鄰極板靈敏度不均勻的特點，從而重建管道內(nèi)部兩個截面的相濃度分布；2013年崔自強等人在申請專利具有雙層旋轉(zhuǎn)電極的電容層析成像傳感器(專利申請?zhí)?01310420106.2)中將檢測電極附于旋轉(zhuǎn)管壁上，可從任意角度測量電容值，存在計算量過大，實時性差的缺點；2014年程俊利用換熱原理檢測密閉循環(huán)系統(tǒng)中粉體流量(專利申請?zhí)?01410105714.9)，存在受環(huán)境溫度影響大，器件使用壽命短等缺點。
[0005]另外，現(xiàn)有的檢測裝置主要安裝在輸送段，而出料段內(nèi)的粉體濃度對出料情況的影響更為直接:出料時的流量脈動、出料不均勻都會導(dǎo)致難以控制出料的重量，進而無法進行準確的定量加料。因而需要對螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度分布進行檢測。
[0006]如何利用現(xiàn)有技術(shù)來準確、可靠的檢測螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體的濃度分布是一個需要深入研究的課題，目前，還沒有見到螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度分布檢測的相關(guān)報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對目前粉體濃度檢測裝置存在的出料不均勻、測量精度不高、成本高、實時性差等不足，提供一種高精度、靈敏場均勻的螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度分布檢測裝置及檢測方法。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0009]螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度分布檢測裝置，包括電容陣列傳感器、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、圖像重建計算機；
[0010]所述電容陣列傳感器包括螺旋式檢測電極陣列、環(huán)狀屏蔽電極、屏蔽罩，所述螺旋式檢測電極陣列內(nèi)嵌于被測絕緣螺旋輸送管的管道內(nèi)壁上、且通過電纜與數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)連接，所述環(huán)狀屏蔽電極位于螺旋式檢測電極陣列兩側(cè)、且繞圓柱絕緣管道內(nèi)徑一圈，所述屏蔽罩固定在圓柱絕緣管道外；
[0011]所述數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)包括電源模塊、極板通道選擇模塊、電容/電壓(c/ν)轉(zhuǎn)換模塊、單片機控制單元，所述電源模塊用于給c/ν轉(zhuǎn)換模塊、極板通道選擇模塊、單片機控制單元提供電源；所述極板通道選擇模塊與所述測量電極陣列連接，用于控制所述檢測電極陣列中每一個電極的狀態(tài)，測量電容并將電容信號傳輸?shù)絚/ν轉(zhuǎn)換模塊上；所述c/ν轉(zhuǎn)換模塊，用于將極板間的微小電容值轉(zhuǎn)化為電壓值；所述單片機控制單元，通過異步串口與圖像重建計算機相連，用于控制極板通道選擇模塊，并將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號，并傳輸至圖像重建計算機；
[0012]所述圖像重建計算機用于基于有限元法對數(shù)據(jù)進行處理和分析、采用Landweber算法進行圖像重建、并顯示圖像。
[0013]進一步地，所述圓柱絕緣螺旋輸送管的管道內(nèi)固定有分料裝置，所述分料裝置由六塊薄片構(gòu)成，所述薄片的軸向長度為一個導(dǎo)程長，六塊薄片在周向均勻分布、通過焊接連接。
[0014]進一步地，所述的圖像重建計算機配置有RS 232標準串行接口 COM。
[0015]進一步地，所述螺旋式檢測電極陣列由12個以圓周均布方式排列的螺旋電極組成，螺旋電極張角是20°，相鄰螺旋電極間的間隔角是10°，每一個螺旋電極按相同方向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度是45°，螺旋電極的軸向長度為圓柱絕緣管道內(nèi)徑的0.5倍，螺距為圓柱絕緣管道內(nèi)徑的8倍。
[0016]進一步地，所述螺旋電極采用2mm厚的銅箔制成，表面鍍敷絕緣層。
[0017]進一步地，螺旋電極表面與絕緣螺旋輸送管的管道內(nèi)壁位于同一圓柱面上。
[0018]進一步地，所述環(huán)狀屏蔽電極采用2mm厚的銅箔，其軸向長度為圓柱絕緣螺旋輸送管的管道內(nèi)徑的0.15倍，與螺旋式檢測電極陣列的軸向距離是0.1倍的圓柱絕緣管道的內(nèi)徑。
[0019]進一步地，所述屏蔽罩軸向長度是圓柱絕緣管道外徑的0.8倍，外徑為56mm，采用2mm厚的銅箔。
[0020]螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度分布檢測方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0021](I)給螺旋電極施加激勵電壓，測得電容值；
[0022](2)通過C/V轉(zhuǎn)換模塊，將螺旋電極的電容值轉(zhuǎn)化為電壓值；
[0023](3)電壓值經(jīng)過單片機處理成歸一化電容測量值向量，傳輸至圖像重建計算機；
[0024](4)通過圖像重建計算機采用Landweber算法進行圖像重建，建立介電常數(shù)分布圖像；
[0025](5)依據(jù)重建圖像得到粉粒體濃度分布曲線:以介電常數(shù)分布圖像的等灰度線作為濃度分布曲線。
[0026]本發(fā)明所述的螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度分布檢測裝置具有如下優(yōu)點:檢測傳感器采用螺旋式測量電極陣列能很好地改善靈敏場的均勻程度，克服了敏感場非線性產(chǎn)生的測量誤差，在粉體定量加料方面具有良好的應(yīng)用前景。螺旋式測量電極陣列由12個以圓周均布方式排列的螺旋電極組成，12個螺旋電極內(nèi)嵌于被測絕緣管道內(nèi)壁，能顯著提高對輸送管道內(nèi)的粉粒體濃度分布的測量的準確性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明的螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度分布檢測系統(tǒng)示意圖。
[0028]圖2是本發(fā)明的螺旋輸送管以及電容陣列傳感器裝配圖。
[0029]圖3是本發(fā)明的檢測傳感器局部放大圖。
[0030]圖4是本發(fā)明的螺旋輸送管出料段以及電容陣列傳感器截面示意圖。
[0031]圖5是本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0032]圖6是本發(fā)明所述螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度分布檢測方法的流程圖。
[0033]圖7是Landweber迭代算法流程圖。
[0034]圖中，
[0035]1-圖像重建計算機，2-數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，3-水平式螺旋輸送裝置，41-螺旋軸，42-環(huán)狀屏蔽電極，43-螺旋式檢測電極陣列，44-分料裝置，45-出料口，46-屏蔽罩，47-圓柱絕緣管道，48-環(huán)狀屏蔽電極凹槽，49-檢測電極陣列凹槽。

【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于此。
[0037]如圖1所示，本發(fā)明的螺旋輸送管內(nèi)粉體濃度檢測裝置，包括電容陣列傳感器、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)2、圖像重建計算機I。螺旋輸送管內(nèi)粉體濃度檢測裝置置于水平式螺旋輸送裝置3內(nèi)，所述水平式螺旋輸送裝置3包括圓柱絕緣管道47、圓柱絕緣管道47內(nèi)部安裝有螺旋軸41。在螺旋軸41左端的圓柱絕緣管道47上方開有進料口，在螺旋軸41右端的圓柱絕緣管道47下方開有出料口 45。
[0038]所述電容陣列傳感器包括螺旋式檢測電極陣列43、環(huán)狀屏蔽電極41、屏蔽罩46，所述螺旋式檢測電極陣列43內(nèi)嵌于被測絕緣螺旋輸送管的管道內(nèi)壁上、且通過電纜與數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)2連接，所述環(huán)狀屏蔽電極42位于螺旋式檢測電極陣列43兩側(cè)、且繞圓柱絕緣管道47內(nèi)徑一圈，所述屏蔽罩46固定在圓柱絕緣管道47外；
[0039]所述數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)2包括電源模塊、極板通道選擇模塊、C/V轉(zhuǎn)換模塊、單片機控制單元，所述電源模塊用于給C/ν轉(zhuǎn)換模塊、極板通道選擇模塊、單片機控制單元提供電源；所述極板通道選擇模塊與所述測量電極陣列連接，用于控制所述檢測電極陣列中每一個電極的狀態(tài)，測量電容并將電容信號傳輸?shù)紺/ν轉(zhuǎn)換模塊上；所述c/ν轉(zhuǎn)換模塊，用于將極板間的微小電容值轉(zhuǎn)化為電壓值；所述單片機控制單元，通過異步串口與圖像重建計算機I相連，用于控制極板通道選擇模塊，并將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號，并傳輸至圖像重建計算機I;
[0040]所述圖像重建計算機I用于基于有限元法對數(shù)據(jù)進行處理和分析、采用Landweber算法進行圖像重建、并顯示圖像，所述的圖像重建計算機I配置有RS 232標準串行接口 COM。。
[0041]如圖2、圖3、圖4所示，所述螺旋式檢測電極陣列43由12個以圓周均布方式排列的螺旋電極組成，螺旋電極張角是20°，相鄰螺旋電極間的間隔角是10°，每一個螺旋電極按相同方向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度是45°，螺旋電極的軸向長度為圓柱絕緣管道47內(nèi)徑的0.5倍，螺距為圓柱絕緣管道47內(nèi)徑的8倍。螺旋電極表面與絕緣螺旋輸送管的管道內(nèi)壁位于同一圓柱面上，即將螺旋電極安裝在檢測電極陣列凹槽49中，為了減少粉體與螺旋電極的接觸，有利于粉體的平穩(wěn)輸送，提高粉體濃度測量的準確性，且能有效延長螺旋電極使用壽命O
[0042]如圖2、圖3所示，所述環(huán)狀屏蔽電極42采用2mm厚的銅箔，其軸向長度為圓柱絕緣螺旋輸送管的管道內(nèi)徑的0.15倍，與螺旋式檢測電極陣列43的軸向距離是0.1倍的圓柱絕緣管道47的內(nèi)徑。環(huán)狀屏蔽電極42與絕緣螺旋輸送管的管道內(nèi)壁位于同一圓柱面上，即將環(huán)狀屏蔽電極42安裝在環(huán)狀屏蔽電極凹槽48中。
[0043]如圖2、圖4所示，屏蔽罩46固定在圓柱絕緣管道47外，其軸向長度是圓柱絕緣管道47外徑的0.8倍，外徑為56mm，采用2mm厚的銅箔。
[0044]所述圓柱絕緣螺旋輸送管的管道內(nèi)固定有分料裝置44，所述分料裝置44由六塊薄片構(gòu)成，所述薄片的軸向長度為一個導(dǎo)程長，六塊薄片在周向均勻分布、通過焊接連接。能使粉體在出料段受力穩(wěn)定，分布更均勻，減小粉體滑落的現(xiàn)象。
[0045]本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)2如5圖所示，C/V轉(zhuǎn)換模塊采用高度集成化的通用電容檢測芯片將極板間的微小電容值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓值，對被測電容只進行一次充放電，即可完成對電容的測量。選用通用微小電容讀取芯片MS3110，它是一個基于電荷放大原理的電容測量電路，通過對MS3110內(nèi)部各寄存器的編程實現(xiàn)對電容的測量，把MS3110的CS2IN引腳連至激勵切換部分的輸出，把MS3110的CSCOM引腳連至檢測切換部分的輸出，MS3110的輸出值是直流信號。
[0046]電源模塊給C/V轉(zhuǎn)換模塊、極板通道選擇模塊、單片機控制單元提供所需電源。
[0047]測量電極陣列通過極板通道選擇模塊使得檢測電極陣列中的一對極板分別為激勵極板和檢測極板，其他十個極板處于接地狀態(tài)，通過電容測量反映管道內(nèi)物料的信息，將信號傳輸?shù)紺/ν轉(zhuǎn)換模塊上。
[0048]單片機控制單元是整個測量系統(tǒng)的核心，給極板通道選擇模塊提供控制信號，并將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號，通過通用異步串口與上位機通訊。單片機測量過程如下:在一個完整的測量過程中，極板I首先被選擇為激勵電極，給極板I加激勵，分別以極板2、3、…、12為檢測電極，測量極板對1-2、1-3、…、1-12間的電容值；然后選擇極板2為激勵電極，極板I接地，測量極板對2-3、2-4、…、2-12的電容值；依此類推，直至測量完極板對11-12的電容值。可以得到66個獨立的測量電容值。
[0049]上位機配置有RS 232標準串行接口 C0M，在計算機中編寫人機界面，采用有限元法對數(shù)據(jù)進行處理和分析，采用Landweber算法進行圖像重建。
[0050]本發(fā)明所述螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度分布檢測方法，包括以下步驟:
[0051](I)給螺旋電極施加激勵電壓，測得電容值；
[0052](2)通過C/V轉(zhuǎn)換模塊，將螺旋電極的電容值轉(zhuǎn)化為電壓值；
[0053](3)電壓值經(jīng)過單片機處理成歸一化電容測量值向量，傳輸至圖像重建計算機I ;
[0054](4)通過圖像重建計算機I采用Landweber算法進行圖像重建,建立介電常數(shù)分布圖像；
[0055]具體地,采用Landweber算法進行圖像重建的過程如圖7所示。Landweber迭代算法是建立在線性反投影LBP算法基礎(chǔ)上，原理是以迭代數(shù)據(jù)負梯度收斂方向上的殘差平方數(shù)值進行修正。采集電容傳感器電極陣列66個電容值Ctl,根據(jù)靈敏度表達式換算得到66個靈敏度值S。
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[0057]線性反投影LBP算法是將相對介電常數(shù)分布與測量電容的復(fù)雜非線性關(guān)系簡化為線性關(guān)系來近似求解。該算法直接用S的轉(zhuǎn)置矩陣St求得G的近似解，如公式所示:
[0058]G = StC
[0059]根據(jù)線性反投影圖像重建算法LBP，計算歸一化介電常數(shù)分布向量G(k)(第一次無條件進入循環(huán))，然后依據(jù)G計算新的66個電容值C，判斷誤差E = Ctl - C是否在允許范圍之內(nèi)，其中E表示測量電容值與計算所得的電容值之間的誤差。
[0060]若超出范圍則說明圖像失真不符合要求，依據(jù)誤差E修正靈敏場分布，計算校正值STE(k)，校正介電常數(shù)分布向量，形成新的圖像G(k+1) =G(k)+aSTE(k)，其中，α是正的標量，也稱為Landweber算法的松弛因子或迭代步長。當誤差E減小到允許范圍內(nèi)，即可得到合適的介電常數(shù)分布圖像。
[0061](5)依據(jù)重建圖像得到粉粒體濃度分布曲線:以介電常數(shù)分布圖像的等灰度線作為濃度分布曲線。像素灰度值和濃度分布存在著對應(yīng)關(guān)系，得到等灰度線即得到了濃度分布曲線。為了清晰表示濃度的分布變化，濃度每變化0.1繪制一條曲線。
[0062]所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度分布檢測裝置，包括電容陣列傳感器、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、圖像重建計算機(I); 所述電容陣列傳感器包括螺旋式檢測電極陣列(43)、環(huán)狀屏蔽電極(41)、屏蔽罩(46)，所述螺旋式檢測電極陣列(43)內(nèi)嵌于被測絕緣螺旋輸送管的管道內(nèi)壁上、且通過電纜與數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)連接，所述環(huán)狀屏蔽電極(41)位于螺旋式檢測電極陣列(43)兩偵U、且繞圓柱絕緣管道(47)內(nèi)徑一圈，所述屏蔽罩(46)固定在圓柱絕緣管道(47)外； 所述數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)包括電源模塊、極板通道選擇模塊、C/V轉(zhuǎn)換模塊、單片機控制單元，所述電源模塊用于給C/V轉(zhuǎn)換模塊、極板通道選擇模塊、單片機控制單元提供電源；所述極板通道選擇模塊與所述測量電極陣列連接，用于控制所述檢測電極陣列中每一個電極的狀態(tài)，測量電容并將電容信號傳輸?shù)紺/V轉(zhuǎn)換模塊上；所述C/V轉(zhuǎn)換模塊，用于將極板間的微小電容值轉(zhuǎn)化為電壓值；所述單片機控制單元，通過異步串口與圖像重建計算機(I)相連，用于控制極板通道選擇模塊，并將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號，并傳輸至圖像重建計算機(I); 所述圖像重建計算機(I)用于基于有限元法對數(shù)據(jù)進行處理和分析、采用Landweber算法進行圖像重建、并顯示圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所述圓柱絕緣螺旋輸送管的管道內(nèi)固定有分料裝置(44)，所述分料裝置(44)由六塊薄片構(gòu)成，所述薄片的軸向長度為一個導(dǎo)程長，六塊薄片在周向均勻分布、通過焊接連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所述的圖像重建計算機(I)配置有RS 232標準串行接口 COM。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所述螺旋式檢測電極陣列(43)由12個以圓周均布方式排列的螺旋電極組成，螺旋電極張角是20°，相鄰螺旋電極間的間隔角是10°，每一個螺旋電極按相同方向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度是45°，螺旋電極的軸向長度為圓柱絕緣管道(47)內(nèi)徑的0.5倍，螺距為圓柱絕緣管道(47)內(nèi)徑的8倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的檢測裝置，其特征在于，所述螺旋電極采用2mm厚的銅箔制成，表面鍍敷絕緣層。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的檢測裝置，其特征在于，螺旋電極表面與絕緣螺旋輸送管的管道內(nèi)壁位于同一圓柱面上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所述環(huán)狀屏蔽電極(41)采用2mm厚的銅箔，其軸向長度為圓柱絕緣螺旋輸送管的管道內(nèi)徑的0.15倍，與螺旋式檢測電極陣列(43)的軸向距離是0.1倍的圓柱絕緣管道(47)的內(nèi)徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所述屏蔽罩(46)軸向長度是圓柱絕緣管道(47)外徑的0.8倍，外徑為56mm，采用2mm厚的銅箔。
9.螺旋輸送管內(nèi)出料段粉體濃度分布檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)給螺旋電極施加激勵電壓，測得電容值； (2)通過C/V轉(zhuǎn)換模塊，將螺旋電極的電容值轉(zhuǎn)化為電壓值； (3)電壓值經(jīng)過單片機處理成歸一化電容測量值向量，傳輸至圖像重建計算機(I)； (4)通過圖像重建計算機(I)采用Landweber算法進行圖像重建，建立介電常數(shù)分布圖像； (5)依據(jù)重建圖像得到粉粒體濃度分布曲線:以介電常數(shù)分布圖像的等灰度線作為濃度分布曲線。
【文檔編號】G01N15/00GK104316441SQ201410581349
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】張西良, 孫祥, 粟強, 石云飛, 崔守娟, 馬昌媛, 張世慶, 李伯全 申請人:江蘇大學