一种基于静电耦合电容双模式传感器的复杂气固两相流颗粒速度在线测量方法及装置与流程

本发明属于气固两相流流动检测技术领域，具体涉及一种基于静电耦合电容双模式传感器的复杂气固两相流颗粒速度在线测量方法及装置。

背景技术：

恶劣工业环境下的气固两相流在流动过程中存在相间质量、动量和热量的耦合，并受各相物性参数(如密度、粘度等)、管道条件等多种因素的影响，其流动呈现高度不规则性、随机性和不稳定性，给气固两相流固相颗粒流动速度参数在线检测带来很大的难度。为此，国内外纷纷探讨有效、可靠的气固两相流颗粒速度检测技术用于环境恶劣的工业现场，其中，基于电学原理的静电传感器和电容传感器具有结构简单、安全性好、响应速度快、价格低廉等优点得到了广泛关注。

静电传感器利用颗粒流动过程中的荷电现象发展起来的，对颗粒流动速度、空间位置以及携带的电荷量比较敏感，适用于稀相气固两相流颗粒速度在线检测；电容传感器则是通过检测流动介质的等效介电常数来获取流动参数信息，对颗粒速度、浓度及其分布比较敏感，更加适用于密相气固两相流的颗粒速度在线测量。

工业环境下的气固两相流动过程极为复杂，相浓度不断发生变化。然而，目前的静电传感器适用于稀相气固两相流颗粒速度在线检测，电容传感器则更加适用于密相气固两相流的颗粒速度在线测量。可见，采用单一原理的静电传感器或者电容传感器很难实现复杂气固两相流颗粒速度的在线准确测量。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提出一种基于静电耦合电容双模式传感器的复杂气固两相流颗粒速度在线测量方法及装置。静电耦合电容双模式传感器输出的静电信号和电容信号能够反映同一时间、同一区域的流体。通过双模式传感器输出电容信号实时提取出气固两相流颗粒浓度信息，根据颗粒浓度信息确定气固两相流在该时刻下的相浓度属性(稀相、中间相或者密相)：当为稀相气固两相流时，利用双模式传感器输出静电信号结合互相关算法实现气固两相流颗粒速度在线测量；当为密相气固两相流时，利用双模式传感器输出电容信号结合互相关算法实现气固两相流颗粒速度在线测量；当为中间相气固两相流时，则利用静电与电容加权融合算法实现气固两相流颗粒速度在线测量。本发明将为监控工业生产过程、探究气固两相流动特性提供有效测量手段。

本发明的技术方案如下：

本发明的第一个目的是提供一种基于静电耦合电容双模式传感器的复杂气固两相流颗粒速度在线测量方法，步骤如下：

步骤一：将静电耦合电容双模式传感器用于复杂气固两相流监测过程中，利用静电与电容信号分离与采集模块获取双模式传感器输出的上下游静电信号e1(t)和e2(t)，以及上下游电容信号c1(t)和c2(t)。

步骤二：通过电容信号c1(t)和c2(t)确定传感器范围内气固两相流颗粒浓度β(t):

β(t)＝f(c1(t),c2(t))；

式中，f为标定好的c1(t),c2(t)与β(t)之间的函数关系。

步骤三：根据β(t)进行气固两相流的相浓度属性(即稀相、中间相、密相)识别。通过相浓度属性选择相应的颗粒速度测量方法实现复杂气固两相流颗粒速度在线测量：

当相浓度属性为稀相时(即β(t)≤βl，βl为稀相浓度上限)，则利用上下游静电信号e1(t)和e2(t)求取颗粒经过上下游检测电极的延迟时间τe：

式中，re(τ)为上下游静电信号延迟时间τ的互相关函数；t为采样时间；互相关函数最大值所对应的延迟时间即为τe。已知上下游检测电极的轴向间隔为l，则基于静电法的复杂气固两相流颗粒速度测量值ve为：

ve＝l/τe；

当相浓度属性为密相时(即β(t)≥βh，βh为密相浓度下限)，则利用上下游电容信号c1(t)和c2(t)求取颗粒经过上下游检测电极的延迟时间τc：

式中，rc(τ)为上下游电容信号延迟时间τ的互相关函数；互相关函数最大值所对应的延迟时间即为τc。则基于电容法的复杂气固两相流颗粒速度测量值vc为：

vc＝l/τc；

当相浓度属性为中间相时(即βh＞β(t)＞βl)，复杂气固两相流颗粒速度测量值vec为：

步骤四：将复杂气固两相流颗粒速度测量数据传输到计算机，显示颗粒速度测量值v：

本发明的第二个目的是提出一种基于静电耦合电容双模式传感器的复杂气固两相流颗粒速度在线测量装置：

该测量装置主要包括顺序连接的静电耦合电容双模式传感器、静电与电容信号分离与采集模块、浓度信息测量模块、基于静电-电容法的颗粒速度测量模块以及显示计算机；其中静电耦合电容双模式传感器主要由电容激励电极(c1)和上下游两个静电-电容双模式检测电极(s1，s2)构成。

本发明的有益效果如下：

本发明提出的基于静电耦合电容双模式传感器的气固两相颗粒速度测量方法及装置可以实现恶劣工业环境下的复杂气固两相流颗粒速度在线准确测量。与传统的电学法气固两相流颗粒速度检测技术相比，利用该方法进行气固两相流颗粒速度测量时充分结合了静电和电容检测技术各自的优势，从而有效提高了复杂气固两相流颗粒速度测量的准确性。

附图说明

图1(a)为本发明中静电耦合电容双模式传感器电极展开图；

图1(b)为本发明中静电耦合电容双模式传感器三维示意图；

图2为本发明中测量装置的示意图；

图中：1、静电耦合电容双模式传感器；2、静电与电容信号分离与采集模块；3、浓度信息测量模块；4、基于静电-电容法的颗粒速度测量模块；5、显示计算机。

具体实施方式

本发明提出一种基于静电耦合电容双模式传感器的复杂气固两相流颗粒速度在线测量方法及装置。

其中，静电耦合电容双模式传感器如图1所示。该传感器主要由分布于管道表面的电容激励电极(c1)和上下游两个静电-电容双模式检测电极(s1，s2)构成，且上下游两个静电-电容双模式检测电极沿管道轴向分布。该测量装置主要包括顺序连接的静电耦合电容双模式传感器、静电与电容信号分离与采集模块、浓度信息测量模块、基于静电-电容法的颗粒速度测量模块以及显示计算机，如图2所示。

完整的一次颗粒速度测量过程步骤如下：

步骤一：利用静电与电容信号分离与采集模块获取双模式传感器输出的上下游静电信号e1(t)和e2(t)，以及上下游电容信号c1(t)和c2(t)。

步骤二：通过电容信号c1(t)和c2(t)确定传感器范围内气固两相流颗粒浓度β(t):

β(t)＝f(c1(t),c2(t))

式中，f为标定好的c1(t),c2(t)与β(t)之间的函数关系。

步骤三：根据β(t)进行气固两相流的相浓度属性(即稀相、中间相、密相)识别。通过相浓度属性选择相应的颗粒速度测量方法实现复杂气固两相流颗粒速度在线测量：

当相浓度属性为稀相时(即β(t)≤βl，βl为稀相浓度上限)，则利用上下游静电信号e1(t)和e2(t)求取颗粒经过上下游检测电极的延迟时间τe：

式中，re(τ)为上下游静电信号延迟时间τ的互相关函数；t为采样时间；互相关函数最大值所对应的延迟时间即为τe。已知上下游检测电极的轴向间隔为l，则基于静电法的复杂气固两相流颗粒速度测量值ve为：

ve＝l/τe

当相浓度属性为密相时(即β(t)≥βh，βh为密相浓度下限)，则利用上下游电容信号c1(t)和c2(t)求取颗粒经过上下游检测电极的延迟时间τc：

式中，rc(τ)为上下游电容信号延迟时间τ的互相关函数；互相关函数最大值所对应的延迟时间即为τc。则基于电容法的复杂气固两相流颗粒速度测量值vc为：

vc＝l/τc

当相浓度属性为中间相时(即βh＞β(t)＞βl)，复杂气固两相流颗粒速度测量值vec为：

步骤四：将复杂气固两相流颗粒速度测量数据传输到计算机，显示颗粒速度测量值v：