[发明专利]颗粒速度分布的弧状静电传感器阵列测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于气固两相流测量技术领域，具体涉及一种颗粒速度分布的弧状静电传感器阵列测量方法及装置。

背景技术

气固两相流系统广泛存在于能源、化工、电力及冶金等工业领域。实现气固两相流颗粒速度分布测量对于推动气固两相流机理研究以及生产过程的粉体流量计量、节能与控制具有重要意义。目前，基于不同的测量原理，人们已开发了多种非接触式颗粒速度测量方法，如多普勒、互相关、空间滤波、直接观察法等。多普勒颗粒速度测量基本原理是利用颗粒的移动导致散射光产生频移测量颗粒速度，具有简单、可靠等特点，在流体实验研究领域得到了广泛的应用，流动测量可从毫米级到几米的管道直径范围。但是多普勒速度测量系统设备昂贵，且仅适用于稀相悬浮流动条件。直接观察法主要包括高速摄像、PIV技术、荧光粒子示踪等方法，可获得完整的颗粒流动速度分布测量，但结果分析耗时，仅适用于实验室研究，不适合工业现场应用。以相关技术为基础构成的两相流速度测量系统，具有测量范围宽、适应性强、不阻碍流动，可实现非接触测量等优点，在工业应用上，与其它测量方法相比有较大的优势，为解决气固两相流速度、流量测量问题提供了强有力的技术手段。光学空间滤波法可实现颗粒和物体移动速度的测量，具有系统结构简单，光学及机械性能稳定，光源选择范围广，数据处理方便等优点，但对于恶劣的工业现场环境，尤其是在稠密气固流动测量应用上，有待进一步完善。另外，限制相关法、多普勒和光学空间滤波法应用的一个至关重要的因素这些方法属于点/线测量方法或平均速度测量方法，而无法实现颗粒速度分布瞬态同时测量，因此对于揭示气固流动机理和粉体流量计量十分不利。

气固流动系统中颗粒与颗粒、颗粒与气体及颗粒与管壁的相互碰撞、摩擦及分离，导致颗粒产生荷电现象。近些年来，人们利用颗粒荷电研究并开发了静电相关法及静电感应空间滤波颗粒速度测速仪，测量系统具有结构简单、硬件成本低、适合于恶劣的工业现场环境等特点。但静电相关和空间滤波法，主要采用环状静电传感器，由于环状静电传感器输出信号是其敏感区域内的所有带电颗粒产生感应电荷的叠加，因而无法获得管道截面上颗粒速度分布信息。

发明内容

为了克服现有气固两相流速度测量方法的不足，本发明提出了一种颗粒速度分布的弧状静电传感器阵列测量方法及装置，本发明能够实现管道截面颗粒速度分布的测量，提高静电感应空间滤波器的选择性，降低速度信号中心频率测量的不确定性，进而提高了颗粒速度测量的准确性。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种颗粒速度分布的弧状静电传感器阵列测量方法，取一绝缘测量管道，在绝缘测量管道的外壁上设置电极阵列，所述的电极阵列为C×10电极阵列，C为电极阵列行数，每行电极沿绝缘测量管道的轴向分布，将每行电极中的奇数电极进行电连接，将每行电极中的偶数电极进行电连接，再分别将第i行电极中的奇数电极及第i行电极中的偶数电极连接于第i路电荷差分放大电路的第一、第二输入端，其中，i为电极阵列中任意一行电极的行数，且1≤i≤C，再将每路电荷差分放大电路的输出信号由数据采集电路送入计算机，由计算机对数据采集卡的每路输出信号进行频谱分析并确定频谱上的峰值频率，进而计算获得气固两相流颗粒速度分布。

本发明所述的一种用于实施颗粒速度分布的弧状静电传感器阵列测量方法的装置，包括：绝缘测量管道、数据采集卡及用于对数据采集卡的输出信号进行频谱分析并确定频谱上的峰值频率、进而计算获得气固两相流颗粒速度分布的计算机，所述装置还包括电荷差分放大电路以及在绝缘测量管道外壁上设置的电极阵列，所述的电极阵列为C×10电极阵列，C为电极阵列行数，每行电极沿绝缘测量管道的轴向分布，每行电极中的奇数电极进行电连接，每行电极中的偶数电极进行电连接，第i行电极中的奇数电极及第i行电极中的偶数电极分别与第i路电荷差分放大电路的第一、第二输入端连接，其中，i为电极阵列中任意一行电极的行数，且1≤i≤C，每路电荷差分放大电路的输出端分别与数据采集卡的第1～C个输入端连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)相比于单环及多环静电感应空间滤波器，本发明弧状静电传感器阵列结合差分放大电路，实现管道截面颗粒速度分布的测量，可用于复杂的气固两相流动测量；

2)静电传感器阵列提高了静电感应空间滤波器的选择性，降低了速度信号中心频率测量的不确定性，提高了颗粒速度测量的准确性；

3)弧状静电传感器阵列在结构上对流体的流动状况无影响，属于非接触式测量方法，具有结构简单，信号处理方便，价格低廉等特点，适合于恶劣的工业气力输送和气固两相流系统中应用。