CN109374071A - 一种电容气固两相流测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于多相流检测技术领域，涉及气固两相流测量装置及方法。一种电容气固两相流测量装置，包括依次设置在管道上的阵列式电容传感器和螺旋式电容传感器，所述阵列式电容传感器与螺旋式电容传感器之间设置有屏蔽电极。本发明的装置，相应速度快、实施性好、造价便宜、环境适应性强，适用于各种恶劣工业现场环境。能够同时测量任意时刻气固两相流颗粒物的固相浓度分布、浓度以及速度，同时换算出某时刻管道内质量流量。

Description

一种电容气固两相流测量装置及方法

技术领域

本发明属于多相流检测技术领域，涉及气固两相流测量装置及方法。

背景技术

在冶金、发电、化工等工业领域，固体颗粒输运、实时在线监测、计量等需求较多，精确的对气固颗粒物在流动过程的流型监测、质量流量等的测量，能够更大程度提高工业生产的过程决策效率。因此，气固两相流的监测测量过程中，固体颗粒物的流动速度、流动截面浓度以及质量流量等参数，是气固两相流工业监测的重要组成部分。

在两相流的监测、计量过程中，受到环境温度、湿度、气相输送速度等众多因素的影响，固相颗粒物在输送管道截面上的浓度、速度等极为不均。因此，给气固两相流的计量、监测工作带来了较大困难，而在颗粒物的流动过程中，若不充分考虑管道截面固体颗粒物浓度与速度等因素，势必会对测量结果产生较大影响。

气固两相流监测计量方法主要有三大类：1，基于物理计量方法，如称重计量法，该类方法设计结构简单容易操作，目前应用较为广泛。但是，该方法可改造性、***兼容性较差，对于环境的适应性同样较差，不利于设备的整体智能升级、改造等。2，基于γ射线等射线法，该方法精度较高，***集成性较高。但是，该方法具有辐射、造价高、环境要求苛刻等缺点，因此不利于大规模工业化应用。3，基于电学的计量方法，如电容、静电等检测方法。该类方法结构简单，成本较低、对于环境适应性较好，同时拥有较高的***融合性，因此具有较好的发展前景，但是该方法仍有诸多需要改进的地方。

现有电学原理的仪器设备存在的一些缺点：

1，静电传感器可实现颗粒速度测量，该方法主要基于固体颗粒物的碰撞、摩擦等产生的电荷进而生成感应电荷，因此当固体颗粒物测量湿度较大时，会存在无电荷产生的情况，进而导致测量失效。同时，该方法需要固体颗粒物的充分摩擦、碰撞，因此容易出现测量时电荷生成不均匀、不充分而影响监测结果的情况。

2，电容传感器测量固体浓度时，多采用简单的电容传感器，因此所得结果只能计量颗粒物浓度，不能有效的监测出测量截面颗粒物浓度分布。

发明内容

基于现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供一种电容气固两相流测量装置及方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种电容气固两相流测量装置，包括依次设置在管道上的阵列式电容传感器和螺旋式电容传感器，所述阵列式电容传感器与螺旋式电容传感器之间设置有屏蔽电极。

进一步的，所述的阵列式电容电极传感器包括电极和屏蔽电极；所述的电极和屏蔽电极沿管道周壁间隔设置。

进一步的，在所述阵列式电容传感器外部设置有绝缘装置，所述的绝缘装置由绝缘材料填充层及其外部的屏蔽罩组成。

进一步的，所述的螺旋式电容传感器包括两组，两组之间设有屏蔽电极；每一组螺旋式电容传感器由螺旋式检测电极和螺旋式激励电极组成，且检测电极相对于激励电极沿管道轴向方向旋转180°。

本发明提供的另一种技术方案是：一种电容气固两相流测量方法，包括以下步骤：

步骤1，以气力输送颗粒料为测试对象，当有颗粒流过阵列式电容传感器时，通过测量阵列式电容传感器电极对之间的电容值；通过如下计算方法，以获得阵列式电容传感器内部固相平均浓度G以及浓度分布：

根据浓度计算公式，得到截面处颗粒物浓度分布g：

g＝S^TC(1)

式中，S为归一化的敏感场矩阵，C为所测电容值；

根据所得截面处浓度分布g可计算得到截面平均浓度G：

式中，i＝1～n为管道截面每个计算单元编号，gi表示各计算单元i处固体颗粒物浓度，Ai表示计算单元处面积，A表示管道截面积；

步骤2，通过对颗粒流动过程中的电容变化进行检测，先后分别从两组螺旋式电容传感器处测得信号x(t)和y(t)，其信号的互相关函数可表示为：

上式中，R(τ)是延迟时间的互相关函数，互相关函数最大值所对应的延迟时间为tm，已知上下游静电传感器的轴向间隔为L，则静电传感器局部一区域的粉体的速度V为:

V＝L/t_m(5)

通过上式，计算出固相颗粒的流动速度V，这样即可求出颗粒物流动速度；

步骤3，根据阵列式电容传感器获取的固相平均浓度G以及通过螺旋式电容式传感器得到的固相流动速度V，结合颗粒物密度ρ计算出颗粒流的质量流量Qm：

Qm＝ρVAG(6)。

本发明的一种电容气固两相流测量装置及方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明的浓度测量部分，采用阵列式电容传感器，对所得电容信号通过灵敏度矩阵的方式，既能得到颗粒物在管道内的浓度分布状态，同时也能计算得到相应浓度值。

2、浓度测量部分，对颗粒物在管道内的浓度计算，采用加权的方式，所得浓度值更加稳定、精确。

3、测速部分，采用双螺旋电容传感器，以电容激励的方式测量电压信号，得到的测量信号更加稳定。

4、较之静电法测量流速，该方法所测固体颗粒物的湿度范围更广泛，极大降低了被颗粒物湿度对测量结果的影响(静电法对固体颗粒湿度要求较高，需要被测颗粒物非常干燥)。

附图说明

图1是本发明的电容气固两相流测量装置示意图；

图2是阵列式电容传感器截面图；

图3是螺旋式电容传感器截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的电容气固两相流测量装置及方法进行进一步详细的阐述。

如图1所示，本发明的电容气固两相流测量装置，包括设置在管道上的阵列式电容传感器和两组螺旋式电容传感器。且在管道介质流动方向上，阵列式电容传感器的安装位置位于螺旋式电容传感器的上游。阵列式电容传感器用于测量管道内固相颗粒浓度及截面浓度分布；螺旋式电容传感器用于检测管道内固相的平均流速。

如图1和图2所示，阵列式电容传感器包括12片电极1，相邻电极1之间安装屏蔽电极2。在阵列式电容传感器的外部，设置有绝缘材料填充层4和外层屏蔽罩5组成的绝缘装置。该绝缘装置与阵列式电容传感器连接，起屏蔽干扰信号的作用。该绝缘装置的内、外管径尺寸可根据管道的尺寸确定，被测流体入口10与被测流体出口11可根据实际待测颗粒物的压力、温度等条件选择连接方式，连接方式可以根据需要加工为如下形式：丝扣、卡箍、法兰等。

在管道的被测流体入口10与阵列式电容传感器之间、阵列式电容传感器与螺旋式电容传感器之间，以及两组螺旋式电容传感器之间均设置有区域间屏蔽电极6，目的是减少信号之间的相互干扰。

如图1和图3所示，两组螺旋式电容传感器间隔一定的有效距离；每组包括1个螺旋式检测电极8和1个螺旋式激励电极7，且检测电极8相对于激励电极7沿管道轴向方向旋转180°。在检测电极8和激励电极7之间设置有螺旋电极间屏蔽电极9。

本发明的电容气固两相流测量装置工作原理如下：

根据待测管道的尺寸，按照图1所示的方式设计测量装置尺寸，被测固体颗粒物从被测流体入口10处进入到被测管段。

阵列式电容传感器的浓度测量：首先颗粒物经过浓度测量区域，该区域为阵列式电极激励测量区域，该区域以12组电极循环激励并检测的方式，得到管段截面66组电容值，根据所测电容直接利用成像公式(1)反算出管内截面处颗粒物浓度分布，根据颗粒物浓度分布求出被测管道截面颗粒物的平均浓度。

螺旋式电容传感器的速度测量：经过浓度测量后，颗粒物进入第一组螺旋式电容传感器测量区域，该区域由激励电极7与检测电极8组成一组电容，电极中间以螺旋电极间屏蔽电极9间隔，利用在T时段区域某一时刻t，激励电极7与检测电极8之间的电容测量信号x(t)与颗粒物进入第二组螺旋电容测量区域，该区域激励电极与检测电极之间的电容测量信号y(t)做互相关计算。得到相关函数时间变量，同时根据互相关函数所用时间tm以及两组电极之间的距离L，得到速度V＝L/tm。由此得到所测区域颗粒物速度。

结合颗粒物的浓度以及颗粒物速度，利用计算公式(6)计算得到相应的质量流量。

需要说明的是，该发明所涉及阵列式电容传感器的电极1的长宽比、两组螺旋式电容传感器之间的有效距离L、螺旋式电极的弯曲角度以及螺旋式电极的长度等，都需要根据实际测量管道设计，并非固定尺寸。

本发明的电容气固两相流测量方法，具体步骤如下：

步骤1，以气力输送颗粒料为测试对象，当有颗粒流过阵列式电容传感器时，通过测量阵列式电容传感器电极对之间的电容值；通过如下计算方法，以获得阵列式电容传感器内部固相平均浓度G以及浓度分布：

根据浓度计算公式，得到截面处颗粒物浓度分布g：

g＝S^TC(1)

式中，S为归一化的敏感场矩阵，C为所测电容值；

根据所得截面处浓度分布g可计算得到截面平均浓度G：

式中，i＝1～n为管道截面每个计算单元编号，gi表示各计算单元i处固体颗粒物浓度，Ai表示计算单元处面积，A表示管道截面积；

步骤2，通过对颗粒流动过程中的电容变化进行检测，先后分别从两组螺旋式电容传感器处测得信号x(t)和y(t)，其信号的互相关函数可表示为：

上式中，R(τ)是延迟时间的互相关函数，互相关函数最大值所对应的延迟时间为tm，已知上下游静电传感器的轴向间隔为L，则静电传感器局部一区域的粉体的速度V为:

V＝L/t_m (5)

通过上式，计算出固相颗粒的流动速度V，这样即可求出颗粒物流动速度；

步骤3，根据阵列式电容传感器获取的固相平均浓度G以及通过螺旋式电容式传感器得到的固相流动速度V，结合颗粒物密度ρ计算出颗粒流的质量流量Qm：

Q_m＝ρVAG (6)。

Claims (6)

1.一种电容气固两相流测量装置，其特征在于：包括依次设置在管道上的阵列式电容传感器和螺旋式电容传感器，所述阵列式电容传感器与螺旋式电容传感器之间设置有屏蔽电极。

2.根据权利要求1所述的电容气固两相流测量装置，其特征在于：所述的阵列式电容传感器包括电极和屏蔽电极；所述的电极和屏蔽电极沿管道周壁间隔设置。

3.根据权利要求2所述的电容气固两相流测量装置，其特征在于：在所述阵列式电容传感器外部设置有绝缘装置，所述的绝缘装置由绝缘材料填充层及其外部的屏蔽罩组成。

4.根据权利要求1-3任一项所述的电容气固两相流测量装置，其特征在于：所述的螺旋式电容传感器包括两组，两组之间设有屏蔽电极；每一组螺旋式电容传感器由螺旋式检测电极和螺旋式激励电极组成，且检测电极相对于激励电极沿管道轴向方向旋转180°。

5.一种电容气固两相流测量方法，包括以下步骤：

步骤1，以气力输送颗粒料为测试对象，当有颗粒流过阵列式电容传感器时，通过测量阵列式电容传感器电极对之间的电容值，经计算，获得阵列式电容传感器内部固相平均浓度G以及浓度分布；

步骤2，通过对颗粒流动过程中的电容变化进行检测，先后分别从两组螺旋式电容传感器处测得信号x(t)和y(t)，其信号的互相关函数可表示为：

上式中，R(τ)是延迟时间的互相关函数，互相关函数最大值所对应的延迟时间为tm，已知上下游静电传感器的轴向间隔为L，则静电传感器局部一区域的粉体的速度V为:

V＝L/t_m (5)

通过上式，计算出固相颗粒的流动速度V，这样即可求出颗粒物流动速度；

步骤3，根据阵列式电容传感器获取的固相平均浓度G以及通过螺旋式电容传感器得到的固相流动速度V，结合颗粒物密度ρ计算出颗粒流的质量流量Qm：

Q_m＝ρVAG (6)。

6.根据权利要求5所述的电容气固两相流测量方法，其特征在于：阵列式电容传感器内部固相平均浓度G以及浓度分布计算方法为：

根据浓度计算公式，得到截面处颗粒物浓度分布g：

g＝S^TC (1)

式中，S为归一化的敏感场矩阵，C为所测电容值；

根据所得截面处浓度分布g可计算得到截面平均浓度G：

式中，i＝1～n为管道截面每个计算单元编号，gi表示各计算单元i处固体颗粒物浓度，Ai表示计算单元处面积，A表示管道截面积；