基于蛛网式静电传感器的颗粒速度场的测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于气固两相流静电测量技术领域，具体涉及一种基于蛛网式静电传感器 的颗粒速度场的测量装置，还涉及上述测量装置的测量方法。
【背景技术】
[0002] 在粉体气力输送过程中，由于颗粒与颗粒，颗粒与管壁之间的碰撞会使得输送的 粉体带上电荷，从而在输送的管道中形成静电流噪声。静电传感器是基于静电感应的原理 来探测该静电流噪声的，结合相应的信号分析，可以从该静电流噪声中提取出颗粒的速度、 浓度、质量流量等信息。目前国内外对静电传感器应用的研究主要是气固两相流的速度和 浓度测量，以及实现流型识别的静电层析成像技术。其中颗粒的速度是描述气固两相流动 特性的一个重要参数，实现颗粒速度分布的实时检测对于了解流体内部流动状态、节能与 控制具有重要的意义。目前研究最多的是环状电极，针状电极，矩阵电极对速度的测量，以 及环状阵列式静电传感器，实现的静电层析成像技术(EST)。其中环状和矩阵静电传感器主 要应用在相关速度测量方面。而阵列式静电传感器主要应用在静电层析成像系统中。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种基于蛛网式静电传感器的颗粒速度场的测量装置，解决 了现有静电传感器无法获取流场内速度分布的问题。
[0004] 本发明的目的是还提供上述测量装置的测量方法。
[0005] 本发明所采用的第一种技术方案是，一种基于蛛网式静电传感器的颗粒速度场的 测量装置，包括依次连接的蛛网式静电传感器、信号调理电路、数据采集设备、计算机;蛛网 式静电传感器包括上层静电感应电极阵列和下层静电感应电极阵列，上层静电感应电极阵 列和下层静电感应电极阵列均镶嵌于绝缘管中，上层静电感应电极阵列和下层静电感应电 极阵列均有一端穿过绝缘管通过单芯屏蔽导线与信号调理电路连接，绝缘管外壁包裹一层 绝缘层，绝缘层的外部紧贴着金属屏蔽罩。
[0006] 本发明的第一种技术方案的特点还在于，
[0007] 信号调理电路为多路信号选择电路与一路放大滤波整流电路串联或者多路相互 并联的放大滤波整流电路。
[0008] 上层静电感应电极阵列包括相互平行的Μ根电极a，M根电极a在同一平面，Μ根电极 a中相邻的电极a间距离相同，Μ根电极a均通过单芯屏蔽导线与信号调理电路连接。
[0009] 下层静电感应电极阵列包括相互平行的Μ根电极b，M根电极b在同一平面，Μ根电极 b中相邻的电极b间距离相同，电极b均与电极a相互垂直，Μ根电极b均通过单芯屏蔽导线与 信号调理电路连接。
[0010] 上层静电感应电极阵列所在的平面和下层静电感应电极阵列所在的平面之间的 间距取2-10毫米。
[0011] 金属屏蔽罩的长度至少大于上层静电感应电极阵列所在的平面和下层静电感应 电极阵列所在的平面之间的间距，一般取上述间距的4-10倍。
[0012] 本发明所采用的第二种技术方案是:一种基于蛛网式静电传感器的颗粒速度场的 测量方法，具体按照以下步骤实施：
[0013] 步骤1:分别采集上层静电感应电极阵列和下层静电感应电极阵列的Μ路静电信号 XKnWPYdn)，然后对采集到的静电信号分别进行均方根值处理得到;:
[0014] (1)
[0015] (2)
[0016] 其中，η为采样点序列，Ν为静电信号总采样点数，i为第i路信号；
[0017]步骤2:对采集到的静电信号Xi(n)和Yi(n)分别进行傅里叶变换得到FXi(k)、FYi (k)为：
[0018] (.3)
[0019] (4) Jl=M
[0020] 其中，η为采样点序列，N为静电信号总采样点数，k为离散频率变量，i为第i路信 号；
[0021] 步骤3:根据步骤2得到的FXi(k)、FYi(k)的峰值[FXi(k)]max和[FYi(k)]max对应的离 散点数为Kx⑴、Κγ⑴；
[0022]步骤4:步骤3中得到的离散点数为Kx⑴、Κγ⑴处对应的频率fX( i)、fY( i)为：
[0023] fX(i)=Kx(i) · F (5)
[0024] fY(i)=Ky(i) · F (6)
[0025] 其中，F为频谱分析的频率分辨率；
[0026] 步骤5:上层静电感应电极阵列的第i根电极a探测的速度vxl为：
[0027] Vxi = ko · fX(i) (7)
[0028] 下层静电感应电极阵列的第i根电极b探测的速度vyl为：
[0029] vyi = ko · fY(i) (8)
[0030] 其中，ko为速度无量纲校正系数，由实验标定确定；
[0031] 步骤6 :MXM根电极的蛛网式静电传感器中上层静电感应电极阵列和下层静电感 应电极阵列两两相交的交织节点分别为J11、J12、…、J1M、J21、J22、~、J2M、~、JM1、
[0032] 假设所有流经蛛网式静电传感器的颗粒带相同电荷，则带电颗粒在交织节点处的 浓度分布为： 9)
[0033]
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[0036] 本发明的有益效果是:本发明一种基于蛛网式静电传感器的颗粒速度场的测量装 置，结构简单、形式多样、布置灵活、价格低廉、灵敏度高，并且由于其被动感应的特性，具有 较高的工作速度，具有极其优越的测量速度的特质;本发明中利用蛛网式静电传感器上层 静电感应电极阵列和下层静电感应电极阵列间电极a和电极b相互交错的特性，可以快速的 确定荷电颗粒在流动截面的浓度及其速度分布。
【附图说明】
[0037] 图1是本发明测量装置的结构示意图；
[0038] 图2是本发明测量装置中蛛网式静电传感器的主视图；
[0039] 图3是本发明测量装置中蛛网式静电传感器的俯视图；
[0040] 图4是本发明测量装置中信号调理电路的结构示意图一；
[0041] 图5是本发明测量装置中信号调理电路的结构示意图二；
[0042] 图6是本发明测量装置中蛛网式静电传感器的交织节点示意图。
[0043] 图中，1.蛛网式静电传感器，2.多路信号选择电路，3 .放大滤波整流电路，4.数据 采集设备，5.计算机，6.上层静电感应电极阵列，7.下层静电感应电极阵列，8.单芯屏蔽导 线，9.绝缘管，10.金属屏蔽罩，11.电极a，12.电极b。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0045] 本发明一种基于蛛网式静电传感器的颗粒速度场的测量装置，如图1所示，包括依 次连接的蛛网式静电传感器1、信号调理电路、数据采集设备4、计算机5。
[0046] 蛛网式静电传感器1主视图如图2所示，俯视图如图3所示，包括上层静电感应电极 阵列6和下层静电感应电极阵列7,上层静电感应电极阵列6和下层静电感应电极阵列7均镶 嵌于绝缘管9中并侵入颗粒流场，上层静电感应电极阵列6和下层静电感应电极阵列7均有 一端穿过绝缘管9通过单芯屏蔽导线8与信号调理电路连接，绝缘管9外壁包裹一层绝缘层， 绝缘层的外部紧贴着金属屏蔽罩10,金属屏蔽罩外裹绝缘管，对上层静电感应电极阵列6和 下层静电感应电极阵列7的外界干扰信号进行屏蔽。
[0047] 上层静电感应电极阵列6包括相互平行的Μ根电极all，M取2-10根，Μ根电极all在 同一平面，Μ根电极all中相邻的电极all间距离相同。下层静电感应电极阵列7包括与电极 all数量相等的相互平行的电极bl2,电极bl2也均在同一平面，Μ根电极bl2中相邻的电极 bl2间距离相同，电极bl2均与电极all相互垂直，Μ根电极all及Μ根电极bl2均通过单芯屏蔽 导线8与信号调理电路连接。上层静电感应电极阵列6所在的平面与下层静电感应电极阵列 7所在的平面平行，他们之间的间距应以对流场不造成太大扰动为宜，其间距取2-10毫米； 金属屏蔽罩10应该进行良好接地，金属屏蔽罩10的长度至少大于上层静电感应电极阵列6 所在的平面和下层静电感应电极阵列7所在的平面之间的间距，一般取上述间距的4-10倍。 [0048]信号调理电路可以为如图4所示多路信号选择电路2与一路放大滤波整流电路3串 联，Μ根电极all与Μ根电极bl2接入多路信号选择电路、放大滤波整流电路3使之成为分时复 用的单路输出的信号，信号调理电路也可以为如图5所示多路相互并联的放大滤波整流电 路3，Μ根电极a 11与Μ根电极b 12接入2M路并联的放大滤波整流电路，使之为2M路输出的信 号。单路输出的信号或者2M路输出的信号由数据采