一種基于靜電與電容傳感器陣列的粉體質(zhì)量流量測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于流量測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于靜電與電容傳感器陣列的管道 內(nèi)粉體顆粒質(zhì)量流量測量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣固兩相流廣泛存在于石油、電力、化工等工業(yè)生產(chǎn)過程。實現(xiàn)氣固兩相流流量的 在線、準確測量，對提高工業(yè)生產(chǎn)效率，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保具有重要意義。目前，人們已經(jīng)嘗試開 發(fā)了多種基于不同檢測原理的流量計，并用于工業(yè)生產(chǎn)中，如電學(xué)法、光學(xué)法、聲學(xué)法、輻射 法等。
[0003] 然而，工業(yè)氣固兩相流動過程中，由于固相顆粒受到環(huán)境溫度、濕度、氣相輸送速 度等眾多因素的影響，輸送管道截面上的顆粒濃度、流速分布極不均勻。在流量測量中，如 果不考慮管道截面固相顆粒的濃度分布和速度分布，必然會導(dǎo)致較大的測量誤差，從而無 法實現(xiàn)粉體流量的精確測量與控制，不利于工業(yè)生產(chǎn)過程的安全高效運行。電容層析成像 (ECT)技術(shù)可獲取管道截面固相顆粒的濃度分布，但是由于其檢測系統(tǒng)復(fù)雜，且圖像重建帶 來較大的濃度測量誤差。靜電傳感器可實現(xiàn)顆粒速度測量，但是對于存在截面速度分布的 情況，導(dǎo)致平均速度測量存在較大偏差，因此流量也存在較大的測量誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 技術(shù)問題：針對上述問題，充分考慮管道截面粉體的濃度分布和速度分布，本發(fā)明 提出一種基于靜電與電容傳感器陣列的管道內(nèi)粉體顆粒質(zhì)量流量測量裝置及方法。該測量 裝置及方法結(jié)合了靜電傳感技術(shù)和電容傳感技術(shù)各自的優(yōu)點，可實現(xiàn)非接觸、在線測量，具 有可靠性高、低成本、安全等優(yōu)點，適用于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場條件。
[0005] 技術(shù)方案：本發(fā)明考慮管道截面粉體的濃度分布和速度分布，提出一種基于靜電 與電容傳感器陣列的管道內(nèi)粉體顆粒質(zhì)量流量測量裝置及方法，其基本思路為：首先，分別 利用靜電傳感器陣列和電容傳感器陣列獲取管道內(nèi)粉體的局部速度與局部濃度；然后采用 自適應(yīng)加權(quán)融合估計算法，從測量到的粉體局部速度中獲得管道截面粉體平均流速的最優(yōu) 估計；其次對測量到的粉體局部濃度數(shù)據(jù)進行加權(quán)求和，獲得整個管道截面的粉體平均濃 度；最后結(jié)合管道截面粉體的平均流速最優(yōu)估計和平均濃度，得到準確的粉體顆粒質(zhì)量流 量。
[0006] -種基于靜電與電容傳感器陣列的管道內(nèi)粉體顆粒質(zhì)量流量測量裝置，包括靜電 傳感器陣列、電容傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊；
[0007] 所述數(shù)據(jù)采集模塊，采集所述靜電傳感器陣列每對靜電極片間的靜電信號以及所 述電容傳感器陣列兩相鄰電容極片間輸出信號；
[0008] 所述數(shù)據(jù)處理模塊，包括粉體速度計算單元、粉體濃度計算單元以及粉體質(zhì)量計 算單元，
[0009] 所述粉體速度計算單元，根據(jù)所述靜電傳感器陣列的靜電信號及所述靜電傳感器 陣列靜電極片間互相關(guān)函數(shù)，計算靜電傳感器陣列每對靜電極片對應(yīng)區(qū)域的粉體速度vk，k=1~m，m為靜電傳感器陣列的靜電傳感器個數(shù)；根據(jù)m組管道截面粉體局部速度，估計粉 體平均流速的最優(yōu)值^
[0013] 式中，〇 /和〇k2均為各靜電傳感器測量值的均方誤差，其中k= 1~m;
[0014] 所述粉體濃度計算單元，根據(jù)所述電容傳感器陣列兩相鄰電容極片間的輸出信號 C1，計算整個管道截面的粉體平均濃度萬：
[0016] 其中，i為相鄰電容值的標號，i= 1~n，n為電容陣列包含的電容個數(shù)A為相 鄰電極的局部敏感面積；A為管道截面面積；0i為管道截面粉體局部濃度：
[0018] P,=f(C1)
[0019] 式中，f(.)為標定好的(^與Pi之間的關(guān)系函數(shù)；
[0020] 所述粉體質(zhì)量計算單元，根據(jù)計算得到管道截面的粉體平均濃度麥和粉體平均流 速的最優(yōu)估計〖后，計算出粉體質(zhì)量流量Qm:
[0022] 其中，P為粉體顆粒的真實密度。
[0023] 所述靜電傳感器陣列的靜電傳感器個數(shù)m為8 ;
[0024] 所述電容傳感器陣列的電容傳感器個數(shù)n為8 ;
[0025] -種基于靜電與電容傳感器陣列的管道內(nèi)粉體顆粒質(zhì)量流量測量方法，其特征在 于，包括如下步驟：
[0026] 步驟一、檢測電容傳感器陣列相鄰電極對間輸出信號C1，即可確定管道截面粉體 局部濃度01:
[0027] P^f(C1) (1)
[0028] 式中，f(.)為標定好的(^與之間的關(guān)系函數(shù)，通過實驗確定。
[0029] 步驟二、采集靜電傳感器陣列中各局部上游靜電信號和下游靜電信號Xl(t)和 yi(t)，x2(t)和乃(〇，."，xs(t)和5^(〇之后，其互相關(guān)函數(shù)可表示為（以局部一為例）：
[0031] 其中，R1(T)是延遲時間T的互相關(guān)函數(shù)。互相關(guān)函數(shù)最大值所對應(yīng)的延遲時間 為T"，已知上下游靜電傳感器的軸向間隔為L，則靜電傳感器局部一區(qū)域的粉體的速度V1 為：
[0032] V1=L/Tn (3)
[0033] 同理，即可計算出其他傳感器區(qū)域的粉體速度。
[0034] 步驟三、采用自適應(yīng)加權(quán)融合估計算法，從測量獲得的8組管道截面粉體局部速 度，估計粉體平均流速的最優(yōu)值L
[0035] 所述的自適應(yīng)加權(quán)融合估計算法，以自適應(yīng)的方式去尋找各局部速度所對應(yīng)的最 優(yōu)加權(quán)因子，使得8組局部速度數(shù)據(jù)的總均方誤差最小，即可從8組測量得到的局部速度中 獲取管道截面粉體平均流速的最優(yōu)估計。
[0036] 設(shè)靜電傳感器陣列測量到的8組局部速度分別為Vl，V2，…，V8，它們彼此互相獨 立，并且是真值V的無偏估計，已知各靜電傳感器測量值的均方誤差分別為〇12, 〇22,…， 〇 82,各靜電傳感器的加權(quán)因子分別為W1,W2，…，W8，則融合后的估計值;;和加權(quán)因子滿足如 下：
[0043] 由此可知，〇 2存在最小值，且該最小值可通過加權(quán)因子W1,W2，…，W8滿足式（5) 約束條件的多元函數(shù)極值求取。利用拉格朗日乘子法解此條件極值，即可求得〇 2最小時 所對應(yīng)的加權(quán)因子1為：
[0047] 步驟四、對各粉體局部濃度數(shù)據(jù)進行加權(quán)求和，從而獲得整個管道截面的粉體平 均濃度I
[0050] 式中，X1為與局部面積相關(guān)的修正系數(shù)，X1=A1A;i為相鄰電容值的標號；A為管 道截面面積；心為相鄰電極的局部敏感面積。
[0051] 步驟五、計算得到管道截面的粉體平均濃度彥和粉體平均流速的最優(yōu)估計〗后， 可根據(jù)下式計算出粉體質(zhì)量流量Qm:
[0052] Qu^p-A-~p-v( 12)
[0053] 其中，P為粉體顆粒的真實密度，A為管道的橫截面積。
[0054] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是：
[0055] 本發(fā)明在粉體質(zhì)量流量測量過程中，首先測量得到管道截面粉體的濃度分布和速 度分布，然后采用自適應(yīng)加權(quán)融合估計算法，從速度分布數(shù)據(jù)中計算出管道截面粉體平均 流速的最優(yōu)估計，其次對測量到的粉體濃度分布數(shù)據(jù)進行加權(quán)求和，獲得整個管道截面的 粉體平均濃度，最后結(jié)合管道截面粉體的平均流速最優(yōu)估計和平均濃度，計算得到粉體顆 粒質(zhì)量流量。因此，該發(fā)明裝置及算法充分考慮了管道截面粉體的濃度分布和速度分布，從 而實現(xiàn)粉體質(zhì)量流量的精確測量。
[0056] 本發(fā)明測量裝置及方法，利用電容極片陣列和靜電極片陣列獲取管道截面粉體的 濃度分布和速度分布，再根據(jù)濃度分布和速度分布求取管道內(nèi)固相顆粒的質(zhì)量流量。該測 量方法結(jié)合了靜電傳感技術(shù)和電容傳感技術(shù)各自的優(yōu)點，可實現(xiàn)非接觸、在線測量，具有可 靠性高、低成本、安全等優(yōu)點。相比ECT技術(shù)，該檢測系統(tǒng)簡單有效，且無需考慮圖像重建帶 來的誤差，適用于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場條件。
【附圖說明】
[0057] 圖1為本發(fā)明所述基于靜電與電容傳感器陣列的管道內(nèi)粉體顆粒質(zhì)量流量測量 裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0058] 圖2為靜電與電容傳感器陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0059] 圖3為電容極片橫截面圖。
[0060] 圖4為靜電極片橫截面圖。
[0061] 圖5為靜電與電容傳感