基于弧形静电电极阵列的气固多相流在线测量装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种工业气固多相流测试领域的基于弧形静电电极阵列的气固多相流在线测量装置及方法，测量装置包含多个弧形静电电极阵列，弧形静电电极阵列的内周面顺次并排布置一组第一金属电极和一组第二金属电极，第一金属电极及第二金属电极为弧状，且第一金属电极的轴向宽度小于所述第二金属电极的轴向宽度。本发明还涉及基于所述测量装置的测量方法。该方法利用第一金属电极的高灵敏度和带宽测量固相粉体速度和流动稳定性，利用第二金属电极的大敏感区域和空间滤波效应测量固相粉体质量流量。本发明具有现场实施方便、测量准确可靠、可测范围大、使用时间长和维护方便等特点，可广泛用于工业气力输送固相粉体的连续在线监测。
【专利说明】
基于弧形静电电极阵列的气固多相流在线测量装置及方法所属
【技术领域】
[0001]本发明属于气固两相流测试技术范围，特别涉及一种基于弧形静电电极阵列的气固多相流在线测量装置及方法。
【背景技术】
[0002]气固多相流广泛存在于气力输送管道、固料流化床和尾气排放等重要工业生产过程当中。固相粉体在流动气体驱动下的运动情况对于优化生产工艺、提高生产效率和保证安全生产具有重要的意义。基于应力和节流方式的传统单相流体测量方法并不适用于工业气固两相或者多相流的测量。电容、光学、放射线、热传导、数字成像和声学技术容易受到固相粉体性质和环境条件的影响，因而很难在工况多变的工业生产中长期可靠的使用。
[0003]静电式气固两相流测量技术以其工况适应性强、被动测量(无能量注入流体 ?、安装容易、维护方便、结构简单和造价低廉等优点而具有广阔的工业应用前景。使用侵入式电极的静电式测量装置会发生电极磨损、干扰固相粉体流动以及生产安全等问题，不适合工业应用。弧形和环形电极都不会对流体流动产生影响，避免了长期使用的磨损等问题，可以满足工业生产的要求。相对于环形电极，采用弧形电极的静电式测量探头具有结构更加简单紧凑、安装方便、极少维护、造价低廉和区域敏感度高等方面的优势。
[0004]为了克服已有气力输送固相粉体测量装置存在的不足，本发明提出一种基于弧形静电电极阵列的气固多相流在线测量装置及方法。考虑到固相粉体运动的复杂性和工业生产工况的时变性，采用多个电极组成弧形静电电极阵列可以获得局部固相粉体的多组测量结果，在同一管段截面安装若干个弧形静电电极阵列更可以实现多点测量，提高整个装置测量的可靠性和准确性。本发明具有测量准确度高、工作可靠、测量范围宽、结构简单、安装方便和维护量少等优点，广泛适用于工业空气固相粉体混合物流动参数的日常监测，并为在线调整生产参数和优化生产工艺提供可靠的科学依据。
【发明内容】
[0005]在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0006]本发明的目的在于提供一种基于弧形静电电极阵列的气固多相流在线测量装置及方法。
[0007]第一方面，本发明涉及一种基于弧形静电电极阵列的气固多相流在线测量装置，包括:
弧形静电电极阵列(1),用于测量局部带电固相粉体运动引起的静电波动信号；所述弧形静电电极阵列(1)内周面上顺次并排布置一组所述第一金属电极(2)和一组所述第二金属电极(3),其中所述第一金属电极(2)至少3个，所述第二金属电极(3)至少1个；所述第一金属电极(2)及所述第二金属电极(3)为弧状，所对圆心张角为1° -180° ；所述第一金属电极(2)的轴向宽度为1-10111111，所述第二金属电极(3)的轴向宽度为5-100111111，且所述第一金属电极(2)的轴向宽度小于所述第二金属电极(3)的轴向宽度；所述第一金属电极
(2)和所述第二金属电极(3)的径向厚度均为所述径向为垂直于流体运动方向，所述轴向为平行于流体运动方向；所述第一金属电极(2)之间的距离为10-50！！！！！！，所述第二金属电极(3)之间的距离为20-100111111，所述第二金属电极(3)与相邻所述第一金属电极(2)的距离为20-200！^ ；静电信号通过与所述第一金属电极(2)和所述第二金属电极(3)直接相连的金属接线柱(10)引出；所述第一金属电极(2)和所述第二金属电极(3)与所述弧形静电电极阵列(1)主体金属材料之间通过绝缘材料(11)进行电气隔离，所述金属接线柱(10)与所述弧形静电电极阵列(1)主体金属材料之间通过所述绝缘材料(11)进行电气隔离，并通过金属屏蔽盖板(9)屏蔽外界电磁干扰；所述弧形静电电极阵列(1)和嵌入式数字信号处理单元互相连通；安装于所述气力输送管道(4)的同一管段截面的所述弧形静电电极阵列(1)数量为1-18个，每个所述弧形静电电极阵列(1)通过法兰固定在所述气力输送管道
(4)的金属基座(8)上，并嵌入所述气力输送管道(4)外壁，其内表面与所述气力输送管道
(4)内表面平齐；
嵌入式信号处理单元(5),对所述弧形静电电极阵列(1)测量得到的静电信号进行调理和处理；所述嵌入式信号处理单元(5)与所述弧形静电电极阵列(1)通过屏蔽电缆相连接，将输入的静电信号进行电流/电压转换、放大和滤波处理后转换为数字信号，并利用第一金属电极(2)测量信号的时域和频域特征进行分析来辨识固相粉体流型，同时利用多通道互相关运算得到多个速度和信号互相关系数等数据进行数据融合，获得固相粉体的流动速度和流动稳定性参数，进而结合所述第二金属电极(3)测量信号的平均值和均方根等时域或者频域特征计算出固相粉体质量流量参数；
中心控制单元(6),用于对同一管段截面上的至少一个所述弧形静电电极阵列(1)得到的数据进行加权平均获得固相粉体在整个管道截面的平均运动参数，同时进行数据的实时显示和记录；并根据监测结果和工况变化对所述嵌入式信号处理单元(5)的工作参数进行实时调节配置；所述中心控制单元(6)输出的测量数据被现场监控系统(7)接收，进而能够实现固相粉体流动情况的实时监视或调节控制。
[0008]第二方面，本发明还涉及一种基于弧形静电电极阵列(1)的气固多相流在线测量方法，主要包括如下步骤:
步骤1、弧形静电电极阵列(1)获取局部固相粉体流动引起的静电波动信号；
步骤2、嵌入式信号处理单元(5)接收所述弧形静电电极阵列(1)获取的静电信号，并对信号进行调理并转化为满足嵌入式数字处理器处理要求的数字信号，然后通过互相关测速算法计算固相粉体的多个流动速度、流体稳定度和固相粉体质量流量信息；所述信号调理为将静电信号经过电流/电压转换、放大和滤波环节后进行模拟/数字信号转换；
步骤3、嵌入式信号处理单元(5)将初步计算得到的局部固相粉体流动信息进行筛选和加权平均，并根据所述固相流动速度和质量流量的历史测量数据进行置信判断，消除系统和测量误差，再通过数据的滑动平均处理获得局部固相粉体的流动速度、质量流量和流动稳定度的融合结果；
步骤4，嵌入式信号处理单元(5)输出的数据被所述中心控制单元(6)接收，所述中心控制单元(6)对同一管段截面上的至少一个所述弧形静电电极阵列(1)得到的数据进行加权平均获得固相粉体在整个管道截面的平均运动参数，同时进行数据的实时显示和记录；并根据监测结果和工况变化对所述嵌入式信号处理单元(5)的工作参数进行实时调节配置；所述中心控制单元(6)输出的测量数据被现场监控系统(7)接收，进而能够实现固相粉体流动情况的实时监视或调节控制。
[0009]本发明具有如下的有益效果:
本发明的装置能够对工业生产中气力输送管道(4)中固相粉体的流动速度，质量流量和流动稳定性进行实时监测；
本发明通过弧形静电电极阵列(丨)、嵌入式信号处理单元(5)和中心控制单元(6)等实现，其中弧形静电电极阵列(1)测量局部带电固相粉体运动引起的静电波动信号，嵌入式信号处理单元(5)对静电信号进行调理和处理，并通过多参数数据融合获得固相粉体的流动速度、质量流量和流体稳定度，中心控制单元(6)通过现场总线接收嵌入式信号处理单元
(5)输出的数据，对其进行后处理、综合分析、显示、记录以及实时配置嵌入式信号处理单元
(5)的工作参数，并向工业生产现场监视系统实时发送监测数据；
本发明为非侵入式设计，不干扰固相粉体流动状况，而且体积小、重量轻，便于工业现场安装，维护工作量极少；
本发明采用多个弧形静电电极阵列(1)可以实现多个分散气力输送管道(4)中固相粉体流动参数的对比测量，尤其适用于需要定量调配固相粉体在多个气力输送管道(4)中流动参数的生产过程，具有施工简单、投资少、安全可靠等优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。
[0011]图1是本发明实施例提供的基于弧形静电电极阵列(1)的气固多相流在线测量装置的结构示意图。
[0012]图2是本发明实施例提供的安装在圆形截面气力输送管道(4)上的弧形静电电极阵列(1)的轴向剖面示意图。
[0013]图3是图2所示弧形静电电极阵列(1)的径向截面剖面示意图。
[0014]附图标记说明:弧形静电电极阵列〔0、第一金属电极口)、第二金属电极(3).气力输送管道“)、嵌入式信号处理单元(5^中心控制单元“)、现场监控系统(了)、金属基座(已)、金属屏蔽盖板(幻、金属接线柱(1(0、绝缘材料(10、信号引出端子(12).
【具体实施方式】
[0015]下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
[0016]实施例1 本实施例提供一种基于弧形静电电极阵列(1)的气固多相流在线测量装置。图1是本发明实施例提供的基于弧形静电电极阵列(1)的气固多相流在线测量装置的结构示意图。由图1可知:
本实施例提供的基于弧形静电电极阵列(1)的气固多相流在线测量装置，包括弧形静电电极阵列〔0、嵌入式信号处理单元(5)和中心控制单元(6)等。所述弧形静电电极阵列
(1)内周面上顺次并排布置一组所述第一金属电极(2)和一组所述第二金属电极(3).所述第一金属电极(2)及所述第二金属电极(3)为弧状，所对圆心张角为1° -180°。所述第一金属电极(2)的轴向宽度小于所述第二金属电极(3)的轴向宽度。所述第二金属电极(3)用于固相粉体质量流量测量，所述第一金属电极(2)用于固相粉体流速测量，并起到辅助测量质量流量的作用。所述第一金属电极(2)轴向敏感区域窄，利于精确测量固相粉体流动速度，所述第二金属电极(3)轴向敏感区域大，利于准确测量固相粉体浓度。
[0017]作为优选地，所述弧形静电电极阵列(1)内周面上顺次并排布置至少3个所述第一金属电极(2),以获得多路信号用于多数据融合。
[0018]作为优选地，所述第一金属电极(2)轴向宽度为1-10111111，以保证固相粉体信号测量的敏感性，避免空间滤波效应；所述第二金属电极(3)的轴向宽度为5-100111111，以保证足够的敏感区域范围以及空间滤波效果；所述第一金属电极(2)和所述第二金属电极(3)的径向厚度均为1-10111111，以保证电极的耐受强度和高敏感性；所述径向为垂直于流体运动方向，所述轴向为平行于流体运动方向。
[0019]作为优选地，所述第一金属电极(2)之间的距离为10-50臟，以适应不同流速固相粉体的准确测量；所述第二金属电极(3)之间的距离为20-100！^，以消除敏感场的重叠；所述第一金属电极(2)与相邻第二金属电极(3)的距离为20-200111111，以避免所述第一金属电极(2)与所述第二金属电极(3)敏感场之间的互感作用。
[0020]作为优选地，安装于所述气力输送管道(4)的同一管段截面的所述弧形静电电极阵列(1)数量为1-12个；每个所述弧形静电电极阵列(1)通过法兰固定在所述气力输送管道(4)的所述金属基座(8)上，并嵌入所述气力输送管道(4)外壁，其内表面与所述气力输送管道(4)内表面平齐。
[0021]图2是本发明实施例提供的安装在圆形截面气力输送管道(4)上的弧形静电电极阵列(1)的轴向剖面示意图，图3是图2所示弧形静电电极阵列(1)安装的径向截面剖面示意图。由图2和图3可知，
作为优选地，所述气力输送管道(4)上根据要求尺寸切割出安装口，并将所述金属基座
(8)焊接于切口处；所述弧形静电电极阵列(1)装入所述金属基座(8),保证其内表面与所所述气力输送管道(4)的内径一致；所述弧形静电电极阵列(1)由3个等间距排列的轴向宽度为4111111的所述第一金属电极(2)和1个轴向宽度为20111111的所述第二金属电极(3)组成，其径向厚度均为所对圆心角为15。；所述第一金属电极(2)与相邻所述第二金属电极
(3)的距离为30臟；
作为优选地，静电信号通过与所述第一金属电极(2)和所述第二金属电极(3)直接相连的所述金属接线柱(10)引出。3个所述第一金属电极(2)和1个所述第二金属电极(3)与所述弧形静电电极阵列(1)主体金属材料之间通过所述绝缘材料(11)进行电气隔离；所述金属接线柱(10)与所述弧形静电电极阵列(1)主体金属材料之间通过所述绝缘材料(11)进行电气隔离，并通过所述金属屏蔽盖板(9)屏蔽外界电磁干扰；所述弧形静电电极阵列(1)和所述嵌入式信号处理单元(5)互相连通；
作为优选地，嵌入式信号处理单元(5)与所述弧形静电电极阵列(1)通过屏蔽电缆相连接，将输入的静电信号经过电阻/电容网络转换为电压信号、放大和滤波处理后再转换为数字信号，并利用所述第一金属电极(2)测量信号的时域和频域特征进行分析来辨识固相粉体流型，同时利用多通道互相关运算得到多个速度和信号互相关系数等数据进行数据融合，获得固相粉体的流动速度和流动稳定性参数，进而结合所述第二金属电极(3 )测量信号的平均值和均方根等时域或者频域特征计算出固相粉体质量流量参数；
作为优选的，中心控制单元(6)基于历史测量数据进行置信分布判断、加权平均和卡尔曼滤波等方法优化固相粉体的流动速度、质量流量和固相粉体流动稳定度，同时进行数据的实时显示和记录；并根据监测结果和工况变化对所述嵌入式信号处理单元(5)的工作参数进行实时调节配置；所述中心控制单元(6)输出的测量数据被现场监控系统(7)接收，进而能够实现固相粉体流动情况的实时监视或调节控制。
[0022]实施例2
本实施例提供一种基于弧形静电电极阵列的气固多相流在线测量方法，主要包括如下步骤:
步骤1、弧形静电电极阵列(1)获取局部固相粉体流动引起的静电波动信号；
步骤2、嵌入式信号处理单元(5)与所述弧形静电电极阵列(1)通过屏蔽电缆相连接，将输入的静电信号经过电阻/电容网络转换为电压信号、放大和滤波处理后再转换为数字信号；
步骤3、嵌入式信号处理单元(5)利用所述第一金属电极(2)测量信号的时域和频域特征进行分析来辨识固相粉体流型，同时利用多通道互相关运算得到多个速度和信号互相关系数等数据进行数据融合，获得固相粉体的流动速度和流动稳定性参数，进而结合所述第二金属电极(3)测量信号的平均值和均方根等时域或者频域特征计算出固相粉体质量流量参数；
步骤4，中心控制单元(6)基于历史测量数据进行置信分布判断、加权平均和卡尔曼滤波等方法优化固相粉体的流动速度、质量流量和固相粉体流动稳定度同时进行数据的实时显示和记录；并根据监测结果和工况变化对所述嵌入式信号处理单元(5)的工作参数进行实时调节配置；所述中心控制单元(6)输出的测量数据被现场监控系统(7)接收，进而能够实现固相粉体流动情况的实时监视或调节控制。
[0023]使用标准0^总线通讯协议，可以使所述中心控制单元(6)接收最多255个所述弧形静电电极阵列(1)的测量数据，并同时实现对所有测量结果进行综合分析、实时显示和数据记录；实时配置与各个所述弧形静电电极阵列(1)相连接的所述嵌入式信号处理单元
(5)的工作参数；并将测量数据传输到所述现场监控系统(7)；所述中心控制单元(6)与现场监控系统(7)之间可以通过硬接线或者83485等多种方式实现通讯。
[0024]本发明的装置能够实时监测工业生产中固相粉体在气力输送管道(4)中的速度、质量流量和流动稳定度信息。本发明通过弧形静电电极阵列〔0、嵌入式信号处理单元(5)和中心控制单元(6)等实现，其中弧形静电电极阵列(1)由两组不同轴向宽度的弧形静电电极阵列组成，用于测量带电固相粉体的波动信息，所述嵌入式信号处理单元(5)对测量信号进行调理并进行多路信号相关运算和多数据融合，从而得出固相粉体的流动参数，测量结果通过现场总线传送到所述中心控制单元(6)进行显示、记录，并实现与所述现场监控系统(7)的通讯。本发明的方法可以在不干扰固相粉体流动的情况下对其主要运动参数进行实时监测，准确度高、工作可靠、测量范围宽、结构简单、安装方便和维护量少，广泛适用于工业空气/固相粉体混合物流动参数的日常监测，并为在线调整生产参数和优化生产工艺提供可靠的科学依据。本发明采用多个所述弧形静电电极阵列(1)可以实现多个分散气力输送管道(4)中固相粉体流动参数的对比测量，尤其适用于需要定量调配固相粉体在多个气力输送管道(4)中流动参数的生产过程，具有施工简单、投资少、安全可靠等优势。
[0025]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种基于弧形静电电极阵列的气固多相流在线测量装置，包括弧形静电电极阵列(I)、嵌入式信号处理单元(5)和中心控制单元(6);所述弧形静电电极阵列(I)测量局部带电固相粉体运动引起的静电波动信号；所述嵌入式信号处理单元(5)与所述弧形静电电极阵列(I)通过屏蔽电缆相连接，用于静电信号的调理和处理，并通过多参数数据融合获得局部固相粉体的流动速度、质量流量和流体稳定度；所述中心控制单元(6)通过现场总线接收所述嵌入式信号处理单元(5)输出的数据，对数据进行后处理、综合分析、显示和记录，并同时对所述嵌入式信号处理单元(5)进行实时配置；所述生产现场监控系统(7)接收所述中心控制单元(6)发送的固相粉体流动参数。
2.根据权利要求1所述的弧形静电电极阵列(1)，其特征在于，所述弧形静电电极阵列(I)内周面上顺次并排布置一组所述第一金属电极(2)和一组所述第二金属电极(3)，其中所述第一金属电极(2)至少3个，所述第二金属电极(3)至少I个。
3.根据权利要求1-2任一项所述的弧形静电电极阵列(1)，其特征在于，所述第一金属电极(2)和第二金属电极(3)为弧状，所对圆心张角为1° -180°。
4.根据权利要求1-2任一项所述的弧形静电电极阵列(1)，其特征在于，所述第一金属电极(2)的轴向宽度小于所述第二金属电极(3)的轴向宽度；第一金属电极(2)轴向宽度为1-1Omm ;所述第二金属电极(3)的轴向宽度为5_100mm ;所述第一金属电极(2)和所述第二金属电极(3)的径向厚度均为l-10mm。
5.根据权利要求1-2任一项所述的弧形静电电极阵列(1)，其特征在于，所述第一金属电极(2)之间的距离为10-50mm，所述第二金属电极(3)之间的距离为20-200mm，所述第一金属电极(2)与所述相邻第二金属电极(3)的距离为20-200mm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的弧形静电电极阵列(1)，其特征在于，所述第一金属电极(2)和所述第二金属电极(3)与所述弧形静电电极阵列(I)的金属主体之间通过绝缘材料(11)实现电气隔离保护；所述弧形静电电极阵列(I)的金属主体与所述金属屏蔽盖板(9)接地构成对所述第一金属电极(2)和所述第二金属电极(3)的屏蔽空间。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于弧形静电电极阵列(I)的气固多相流在线测量装置，其特征在于，安装于所述气力输送管道(4)的同一管段截面的所述弧形静电电极阵列(I)数量为1-18个；每个所述弧形静电电极阵列(I)通过法兰固定在所述气力输送管道(4)的所述金属基座(8)上，并嵌入所述气力输送管道(4)外壁，其内表面与所述气力输送管道(4)内表面平齐。
8.根据权利要求1所述嵌入式信号处理单元(5)，将静电信号进行电流/电压转换、放大和滤波处理后转换为数字信号；利用所述第一金属电极(2)测量信号的时域和频域特征进行分析来辨识固相粉体流型，并利用多通道互相关运算得到多个速度和信号互相关系数等数据进行数据融合，获得固相粉体的流动速度和流动稳定性参数；同时，结合所述第二金属电极(3)测量信号的平均值和均方根等时域或者频域特征计算出固相粉体质量流量参数。
9.根据权利要求1所述中心控制单元(6)，对同一管段截面上的所述弧形静电电极阵列(I)得到的数据进行加权平均获得固相粉体在整个管道截面的平均运动参数，同时进行数据的实时显示和记录；并根据监测结果和工况变化对所述嵌入式信号处理单元(5)的工作参数进行实时调节配置；所述中心控制单元(6)输出的测量数据被现场监控系统(7)接收，有利于实现固相粉体流动情况的实时监视或调节控制。
10.一种基于弧形静电电极阵列(I)的气固多相流在线测量方法，其特征在于，主要包括如下步骤: 步骤1、多个权利要求1-7任一项所述的弧形静电电极阵列(I)获取局部固相粉体流动引起的静电波动信号； 步骤2、嵌入式信号处理单元(5)接收所述弧形静电电极阵列(I)获取的静电信号，并对信号进行调理并转化为满足嵌入式数字信号处理器处理要求的数字信号，然后通过互相关测速算法计算固相粉体的多个流动速度、流体稳定度，以及固相粉体质量流量信息；所述信号调理为将静电信号经过电流/电压转换、放大和滤波环节后进行模拟/数字信号转换； 步骤3、嵌入式信号处理单元(5)将初步计算得到的局部固相粉体流动特征进行流型辨识、数据筛选和加权平均，并根据所述固相粉体历史测量数据进行置信判断，消除系统和测量误差，再通过数据的滑动平均处理获得局部固相粉体的流动速度、质量流量和流动稳定度的融合结果； 步骤4，所述嵌入式信号处理单元(5)输出的数据被所述中心控制单元(6)接收，所述中心控制单元(6)对同一管段截面上的至少一个弧形静电电极阵列(I)得到的数据进行加权平均获得固相粉体在整个管道截面的平均运动参数，同时进行数据的实时显示和记录；并根据监测结果和工况变化对所述嵌入式信号处理单元(5)的工作参数进行实时调节配置；所述中心控制单元(6)输出的测量数据被现场监控系统(7)接收，辅助实现固相粉体流动情况的实时监视或调节控制。
【文档编号】G01D5/12GK104316113SQ201410668785
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】钱相臣, 黄孝彬, 胡永辉, 闫勇 申请人:北京华清茵蓝科技有限公司