专利名称：一种颗粒状测量装置及其原位测量方法
技术领域：
本发明涉及一种颗粒所在场信息的颗粒状测量方法及装置，特别涉及颗粒信息的原位测量方法及装置，属于微测量器件技术领域。
背景技术：
颗粒所在的场信息以及颗粒本身的运动测量是一个基本问题，而与之相关的多相流动更是过程工程科学中的基本问题。目前获得颗粒所在的场信息，例如浓度场、温度场、速度场往往是通过外置传感器探头间接获得场的信息。这样外场的引进一方面影响了颗粒的流动以及传递行为，不能够原位的反应颗粒所在场的绝对真实信息。另外一个方面，获得颗粒运动信息目前是通过颗粒以外的外界工具(仪器或设备)对颗粒的运动行为进行间接描述。与之相关的多相流动的表征技术，例如磷光颗粒示踪技术、激光多谱勒测速技术(PDPA)、三维颗粒速度场成像仪(PIV)、超声多普勒速度分析仪、CT技术等一般是通过外界给予一定信号，如激光、X光等与流动体系内部的物质相互作用产生信号，然后通过信号处理间接地获得流场信息。这些技术都有其一定的使用条件，例如CT技术对于边界的吸收过于敏感，激光成像则要求研究体系能够有激光透射过去。所以，这些间接的测量方法都具有一定的局限性。
随着微电子行业的进步，微加工技术以及微传感器技术的进步，机电一体化、通讯技术以及计算机技术的进一步发展，在一个等效直径小于100mm的外壳体的内部放置传感器以及实现与外部通讯已经成为可能。
发明内容
本发明的目的是提供一种颗粒状测量装置及其原位测量方法，使该颗粒状测量装置本身能够感知其所在的场信息以及颗粒运动的信息，以该颗粒状装置为研究对象，能够实现颗粒运动以及所在场的原位测量，从而避免现有测量方法必须借助外界信号相互作用后获得结果的间接处理途径。
本发明的技术方案如下一种颗粒状测量装置，其特征在于该装置包括等效直径为1～100mm的颗粒状外壳，传感器、微处理器、通讯设备、系统电源以及存储设备，所述传感器采集的信号传输给微处理器，经微处理器处理后的信号通过通讯设备输入到存储设备，该存储设备采用内置或外置形式，所述的传感器、微处理器、通讯设备、系统电源封装在颗粒状外壳内。
本发明所述颗粒状测量装置中，所述的传感器可以采用温度传感器、浓度传感器、速度传感器、加速度传感器或压力传感器中的一种或几种。
在本发明的技术方案中，该颗粒状测量装置其内部可以内置存储设备，通讯设备将信号直接存入存储器。对于外置式存储设备，该颗粒状测量装置通过通讯设备可以直接和外界进行通讯，通讯方式可以采用无线或有线方式进行。与外界通讯的设备是无线的，采用射频、微波或无线电波实现通讯。与外界通讯的设备是有线的，可采用串口、并口或USB接口实现通讯。
为了拓展颗粒状测量装置的应用场合，本发明的技术特征还在于在颗粒状外壳的内壁设有保温材料。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果本发明提供的颗粒状测量装置本身能够感知其所在的场信息以及颗粒运动的信息，以该颗粒状测量装置为研究对象，能够实现颗粒运动以及所在场的原位测量，不受场的透光性、密闭性干扰，使其获得的信息是原位测量的信息，从而避免了现有测量设备必须借助外界信号相互作用后获得结果的间接处理途径。另外，该颗粒测量装置可以进入各种测量体系，因此本发明相对于目前已有的测量设备，其适用面大为扩展。
图1为本发明提供的颗粒状测量装置的结构原理示意图。图1a为储存设备采用外置式，图1b为存储设备采用内置式。
图2为基于加速度传感器的外置存储设备的本发明实施例的结构示意图。
图3为基于加速度传感器的内置存储设备的本发明实施例的结构示意图。
图4为颗粒状测量装置原位测量自由落体轨迹和实际结果比较图。
图5为利用颗粒状测量装置测量气固流化床中的加速度信号，进而反应流化床中的颗粒受力信息，以及原位的流场信息。
图6为利用气固流化床的受力信号进行均值和标准差统计，获得鼓泡流态化向湍动流态化临界操作条件的判断。
图7为基于温度传感器的存储设备外置的本发明实施例的结构示意图。
图8为基于温度传感器的测量流化床内的温度分布图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的原理、具体实施作进一步的说明。
图1是本发明的结构原理示意图。该装置包括等效直径为1～100mm的颗粒状外壳1，被封装在该颗粒状外壳1内的传感器2、微处理器3、通讯设备4和系统电源，以及存储设备5，其中，传感器采集的信号传输给微处理器3，经微处理器处理后的信号通过通讯设备输入到存储设备5。根据存储设备和颗粒的位置，可以将该颗粒状测量装置分为内置存储设备和外置存储设备。
被封装在外壳内的传感器根据所测量的信息的不同可采用加速度传感器、浓度传感器、温度传感器、速度传感器或压力传感器，也可同时将几种不同种类的传感器封装在外壳内的空间内。
为了拓展颗粒状测量装置的应用场合，例如使其能在高温或强腐蚀极端条件下正常工作，可在颗粒状外壳的内壁设置保温材料或防腐蚀材料。
对于外置式存储设备，所述的通讯设备与存储设备之间采用无线或有线方式。例如无线通讯方式可采用射频、微波或无线电波通讯；有线通讯方式可采用串口、并口或USB接口通讯。
在实现原位测量中，可以将颗粒状测量装置内置于待研究场中，所述待研究的场可以是流场、温度场、浓度场或压力场。一方面传感器能够采集当时所在场的信息，通过微处理器、通讯设备、存储设备纪录下来。另一方面，如果颗粒是运动状态，通过传感器还可将运动信息纪录下来，即实现了一种在流场运动本身的颗粒能够自身纪录其流动的相关信息，发展一类拉格朗日流场原位测量装置，从而为我们了解一些密闭流场，例如工业湍动流化床内部信息提供了一种重要方法。
实施案例下面结合几个具体实施例以及实验结果对本发明作进一步说明以便于理解本发明。提供这些实施方案的目的是使本发明能够完全公开，向所属领域的技术人员充分传达本发明的思想和实施效果。然而，本发明可以按许多不同的方式实施。
实施例1基于加速度传感器的外置存储设备的颗粒状测量装置。
以基于加速度传感器为例设计的颗粒状测量装置，该传感器2采用MMA7260Q，存储设备5采用外置计算机，如图2所示。加速度传感器的模拟输出信号通过微处理器3(芯片型号HC908KX8)转换为数字信号，数字信号通过通讯设备4，即通过RS232串口引出连接计算机。其中加速度传感器MMA7260Q、微处理器HC908KX8、RS232串口集成在一块电路板上，将这些器件和系统电源一起封装在直径为60mm不锈钢材质的颗粒状外壳1内部。这样即形成一基于加速度传感器的外置存储设备的颗粒状测量装置。
实施例2基于加速度传感器的内置存储设备的颗粒状测量装置以基于加速度传感器为例设计的颗粒状测量装置，该传感器2采用MMA7260Q，存储设备5采用外置计算机，如图3所示。加速度传感器的模拟输出信号通过微处理器3(芯片型号HC908KX8)转换为数字信号，数字信号通过通讯设备4，即通过USB转换接口引出连接USB闪存。其中加速度传感器MMA7260Q、微处理器HC908KX8、RS232串口、USB转换接口、USB闪存集成在一块电路板上，将这些器件和系统电源一起封装在直径为65mm有机玻璃材质的颗粒状外壳1内部。这样即形成一基于加速度传感器的存储设备内置的颗粒状测量装置。
实施例3基于颗粒状测量装置的颗粒运动原位测量利用基于加速度传感器的颗粒状测量装置进行了颗粒运动测量实验。将该颗粒状测量装置置于空中进行自由落体运动，内部的加速度传感器感知到该装置自由下落过程的瞬时加速度，通过微处理器、通讯设备将瞬时加速度记录到存储设备中。然后从存储设备中读出该装置的自由落体的加速度，再通过对时间的二次积分获得物体自由落体的轨迹，结果参见图4。其中”线”表示通过自由落体计算得到其理论值的曲线，而“点”表示通过对该颗粒自身的加速度通过二次积分计算得到的轨迹值。可以看出，该装置反映的轨迹误差在5％以内，对于描述颗粒运动的轨迹信息具有较高的精度。
实施例4流化床中颗粒受力行为以及流化床颗粒流动流场信息原位测量流化床的流动行为是复杂的。例如对于流化床中颗粒的受力行为使用现有的多相流研究方法难以进行测量，而颗粒鼓泡运动到湍动运动的转变点更多的是根据压降进行经验性的判断，这些都是现有间接测量方法不易解决的问题。
本发明利用该颗粒状测量装置对流化床中颗粒受力行为以及流化床颗粒流动流场进行原位测量。即将该颗粒测量装置置于气固流化床中。其中流化介质为纳米二氧化硅R972，流化床直径为2800mm，高度为7m。该颗粒状测量装置原位反映的其加速度信息结果参见图5。通过图5可以研究纳米二氧化硅流化时内部的颗粒相互作用，在不同的操作气速下颗粒状测量装置的加速度有些差别。通过扣除基线，发现其运动的加速度在1m2/s，该颗粒状测量装置受力约为0.06N，这是在本方法提出以前，利用其它方法无法直接获得的信息。
对于不同的操作气速，发现颗粒状测量装置加速度脉动不同，因此对该原位测量方法获得的瞬时加速度信息进行方差统计(图6)，发现操作气速为0.12m/s时，加速度的系统方差最大。随着操作气速的增大，纳米二氧化硅的流化状态由鼓泡流态化转向了湍动流态化，在鼓泡流态化操作区域内，随着气速的增大，脉动逐渐增大；在湍动流态化流域内，随着气速的增大，脉动逐渐减小，因此操作气速为0.12m/s时可以初步认为是鼓泡流态化向湍动流态化的转变点。
实施例5基于温度传感器的存储设备内置的颗粒状测量装置以基于温度传感器为例设计的颗粒状测量装置，该传感器2采用LM92，存储设备5采用外置计算机，如图7所示。温度传感器的模拟输出信号通过微处理器3(芯片型号HC908KX8)转换为数字信号，数字信号通过通讯设备4，即通过RS232串口引出连接计算机。其中温度传感器LM92、微处理器HC908KX8、RS232串口集成在一块电路板上，将这些器件和系统电源一起封装在直径为30mm不锈钢材质的颗粒状外壳1内部。这样即形成一基于温度传感器的外置存储设备的颗粒状测量装置。
实施例6基于温度传感器的存储设备内置的颗粒状测量装置原位测量温度场将实施例5基于温度的颗粒状测量装置置于处于冷态湍动流化状态的流化床内部，纪录直径为3200mm流化床中的温度随其距离中心的变化。该颗粒可以原位的纪录其所在点对应的温度值，因此图8反应的一原位测量湍动流化状态的温度径向分布。
权利要求
1.一种颗粒状测量装置，其特征在于该装置包括等效直径为1～100mm的颗粒状外壳(1)，传感器(2)、微处理器(3)、通讯设备(4)、系统电源以及存储设备(5)，所述传感器采集的信号传输给微处理器，经微处理器处理后的信号通过通讯设备输入到存储设备，该存储设备采用内置或外置形式，所述的传感器、微处理器、通讯设备、系统电源封装在颗粒状外壳内。
2.如权利要求1所述的颗粒状测量装置，其特征在于所述的传感器为加速度传感器、浓度传感器、温度传感器、速度传感器或压力传感器中的一种或几种。
3.如权利要求1或2所述的颗粒状测量装置，其特征在于在颗粒状外壳的内壁设有保温材料或防腐蚀材料。
4.如权利要求1所述的颗粒状测量装置，其特征在于对于外置式存储设备，所述的通讯设备与存储设备之间采用无线或有线方式。
5.如权利要求4所述的颗粒状测量装置，其特征在于所述的无线通讯方式为射频、微波或无线电波通讯；所述的有线通讯方式采用串口、并口或USB接口通讯。
6.一种采用如权利要求1所述装置的颗粒状原位测量方法，其特征在于该方法按如下步骤进行1)将颗粒状测量装置放置在待研究的场中；2)使颗粒状测量装置内置的传感器原位采集信号，通过微处理器将采集的信号处理后，经通讯设备记录到存储设备中；3)从存储设备中读取数据，对数据进行处理后即获得该颗粒状测量装置的运动信息或原位的场信息。
7.如权利要求6所述的颗粒状原位测量方法，其特征在于所述待研究的场包括流场、温度场、浓度场或压力场。
全文摘要
一种颗粒状测量装置及其原位测量方法，涉及颗粒信息的原位测量方法及装置。该装置将一个或多个传感器、微处理器、系统电源以及通讯设备置于颗粒状外壳内部，该颗粒本身能够感知颗粒自身的运动以及颗粒所在的场信息，这样既可以获得颗粒运动以及相关的信息，也可以获得颗粒某时刻所在的场信息。利用该颗粒状测量装置，可以实现一种原位测量方法，即将该颗粒装置作为研究对象，将其放置在待研究的场中，通过颗粒装置本身感知纪录其运动以及其所在场的相关信息。
文档编号G01N35/00GK1877337SQ20061008938
公开日2006年12月13日 申请日期2006年6月23日 优先权日2006年6月23日
发明者魏飞, 张强, 钱震, 蒋东, 黄苍, 魏小波 申请人:清华大学