[发明专利]一种基于静电与电容传感器阵列的粉体质量流量测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于静电与电容传感器阵列的管道内粉体颗粒质量流量测量装置及方法，其中粉体质量流量测量装置包括静电传感器阵列、电容传感器阵列、数据采集模块以及数据处理模块；数据采集模块，采集静电传感器阵列每对静电极片间的静电信号以及电容传感器阵列两相邻电容极片间输出信号；所述数据处理模块，包括粉体速度计算单元、粉体浓度计算单元以及粉体质量计算单元。本发明装置及算法充分考虑了管道截面粉体的浓度分布和速度分布，从而实现粉体质量流量的精确测量。

技术领域

本发明属于流量测量技术领域，具体涉及一种基于静电与电容传感器阵列的管道内粉体颗粒质量流量测量装置及方法。

背景技术

气固两相流广泛存在于石油、电力、化工等工业生产过程。实现气固两相流流量的在线、准确测量，对提高工业生产效率，实现节能环保具有重要意义。目前，人们已经尝试开发了多种基于不同检测原理的流量计，并用于工业生产中，如电学法、光学法、声学法、辐射法等。

然而，工业气固两相流动过程中，由于固相颗粒受到环境温度、湿度、气相输送速度等众多因素的影响，输送管道截面上的颗粒浓度、流速分布极不均匀。在流量测量中，如果不考虑管道截面固相颗粒的浓度分布和速度分布，必然会导致较大的测量误差，从而无法实现粉体流量的精确测量与控制，不利于工业生产过程的安全高效运行。电容层析成像(ECT)技术可获取管道截面固相颗粒的浓度分布，但是由于其检测系统复杂，且图像重建带来较大的浓度测量误差。静电传感器可实现颗粒速度测量，但是对于存在截面速度分布的情况，导致平均速度测量存在较大偏差，因此流量也存在较大的测量误差。

发明内容

技术问题：针对上述问题，充分考虑管道截面粉体的浓度分布和速度分布，本发明提出一种基于静电与电容传感器阵列的管道内粉体颗粒质量流量测量装置及方法。该测量装置及方法结合了静电传感技术和电容传感技术各自的优点，可实现非接触、在线测量，具有可靠性高、低成本、安全等优点，适用于恶劣的工业现场条件。

技术方案：本发明考虑管道截面粉体的浓度分布和速度分布，提出一种基于静电与电容传感器阵列的管道内粉体颗粒质量流量测量装置及方法，其基本思路为：首先，分别利用静电传感器阵列和电容传感器阵列获取管道内粉体的局部速度与局部浓度；然后采用自适应加权融合估计算法，从测量到的粉体局部速度中获得管道截面粉体平均流速的最优估计；其次对测量到的粉体局部浓度数据进行加权求和，获得整个管道截面的粉体平均浓度；最后结合管道截面粉体的平均流速最优估计和平均浓度，得到准确的粉体颗粒质量流量。

一种基于静电与电容传感器阵列的管道内粉体颗粒质量流量测量装置，包括静电传感器阵列、电容传感器阵列、数据采集模块以及数据处理模块；

所述数据采集模块，采集所述静电传感器阵列每对静电极片间的静电信号以及所述电容传感器阵列两相邻电容极片间输出信号；

所述数据处理模块，包括粉体速度计算单元、粉体浓度计算单元以及粉体质量计算单元，

所述粉体速度计算单元，根据所述静电传感器阵列的静电信号及所述静电传感器阵列静电极片间互相关函数，计算静电传感器阵列每对静电极片对应区域的粉体速度v_k，k＝1～m，m为静电传感器阵列的静电传感器个数；根据m组管道截面粉体局部速度，估计粉体平均流速的最优值

其中，W_k为各静电传感器的加权因子，其计算公式为：

式中，σ_f²和σ_k²均为各静电传感器测量值的均方误差，其中k＝1～m；

所述粉体浓度计算单元，根据所述电容传感器阵列两相邻电容极片间的输出信号C_i，计算整个管道截面的粉体平均浓度