[发明专利]一种螺旋输送管内粉体流型检测装置及压缩感知流型辨识方法

说明书

技术领域

本发明涉及工业生产管道内粉体在线检测装置，具体提供一种螺旋输送管内粉体流型检测装置及压缩感知流型辨识方法，属于物料输送检测装置技术领域，可应用于食品、化工、农业等行业。

背景技术

螺旋输送管道对粉体以及颗粒物料的输送有较好的可控制性和稳定性，广泛应用于工业矿物、农用物料、化工、食品加工原料成品等运输、配料和包装生产过程中。随着这些行业的迅速发展，研究螺旋输送管道中物料的流动机理、准确检测其各种参数是实现工业系统检测、分析和控制的基础，也是现代工业设备研制和开发的基础，对提高生产效率、节约能源、降低污染等具有重要的意义。

在工业上，多相流检测常用的参数有：相浓度、分相流量、流型等。固相浓度的获取对工业系统的工艺设计、运行状况监控，系统的自动控制和计量以及进一步的多相流测量等均有重要意义。目前应用于多相流测量的固相浓度的方法主要有三种：第一类是采用分离法，将多相流体的各项分离，测量各相含量。这类方法可以对两相流固相浓度进行计量，但由于要对两项流体进行分离，系统复杂，可能影响工业过程的连续性，限制了其应用范围。第二类是基于超声波技术、微波技术、光谱技术、核磁共振技术、辐射线技术、新型示踪技术、相关技术、电容法、过程层析成像技术等新型检测技术，但是基于这类技术的多相流测量目前大多仍处于实验研究阶段或是应用于特殊场合，离工业化生产还有一段距离。基于超声波方法的优势是传感器采用非侵入及非接触方式，但其传感器信号处理方法较为复杂，系统实时性较差；光学法的优点是固体颗粒的化学组分与湿度对系统输出基本上没有影响，但是固体颗粒的大小对测量结果影响很大，光学测量方法不适合浓相测量而且光学探头需要经常擦拭；核磁共振法属于非接触测量方式，适于测量腐蚀性和易聚合物质而且精度高，但结构复杂、成本高，并且经济性差；电容法具有安全可靠，成本低，采用非侵入式测量，易于安装，牢固耐用，响应速度快等优点，适合于工业上在线应用，能进行定量分析，但是存在着敏感场不均匀的问题；电容层析成像技术是一种非侵入式、快速测量的技术，能够在线显示输送管道中的固体浓度分布，但也同样具有自身的缺点，即测量场是一软场，测量结果受被测量介质的影响。第三类是基于软测量技术的测量方法。

现有的管道在线检测装置，如：2001年蔡小舒在申请专利管道煤粉在线监测装置（专利申请号01126941.3）中通过光学法对煤粉管的运行状况进行诊断，存在器件使用寿命短、较易被腐蚀和磨损的缺点；2005年郝莉莉在申请专利管道粉体在线监测装置（专利申请号200520065408.3）中将粉体传感器用于管道气力输送的粉体浓度检测，属于接触式测量，传感器容易被损坏，且对流场有一定的影响；2008年刘石等人利用电容层析成像测量旋流浓集的稀疏气固两相流的颗粒浓度（专利申请号200810240476.7），较好的解决了稀疏相的多相流检测。

多相流流型的不同，不但影响其流动特性、传热性能，而且影响系统运行的可靠性和效率。多相流流型的辨识对生产过程的监控、故障诊断等具有重要意义。流型的自动辨识有着重要的工业应用价值和学术价值。但是多相流流动是一个复杂的系统，各相间存在随机可变的相界面，致使流型的种类多种多样，并且导致流型在流体流动过程中的变化带有随机性。流型不仅受到各项介质自身特性的影响，而且受工业系统工况（包括压力、各分相流量、各分相含率、管道的几何形状、壁面特性以及安装方式等）的影响，因此流型的在线自动辨识十分困难。目前，流型识别方法有目测法、高速摄影法、射线衰减法、电容层析成像法（Electrical Capacitance Tomography，简记ECT），以及基于差压/压力、空隙率波动信号的信号分析技术等方法。但是现有的这些方法由于难以获取真正反映流型的管截面相分布信息，流型辨识准确率往往不够高，实际应用也十分有限。

ECT技术用于多相流流型的辨识主要通过以下途径：首先利用ECT传感器获取多相流介质分布的电容信息，再通过图像重建得到两相流的介质分布图像，通过对重建图像的进一步处理，得到两相流的流型信息。但是由于ECT传感器所能获取的信息量有限，导致ECT图像重建是一个欠定的病态方程的求解过程，虽经国内外学者的多年努力，ECT图像重建问题仍未很好解决，所得图像还较模糊，同时由于图像重建过程复杂，运算量大，实时性还较差，因此ECT流型识别的在线应用受到限制。