專利名稱：：方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量技術(shù)范圍，特別涉及一種方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)：
：氣固兩相流普遍存在于自然現(xiàn)象中，并涉及到國(guó)民生產(chǎn)的很多領(lǐng)域，與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有密切聯(lián)系。因?yàn)楣腆w物料的管道化輸送具有運(yùn)輸效率高、避免環(huán)境影響、增加安全性等優(yōu)點(diǎn)，所以它成為氣固兩相流與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)最為密切的一個(gè)應(yīng)用，并且廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電中煤粉的管道輸送，食品工業(yè)中面粉的管道輸送，醫(yī)藥制造中藥品的管道輸送，冶金工業(yè)中礦石的管道輸送和化工中化工原料的管道輸送等。正因如此，有關(guān)氣固兩相流的研究受到越來(lái)越多的重視。目前已產(chǎn)生了很多氣固兩相流測(cè)量方法，但由于沒(méi)有準(zhǔn)確的理論模型可以完全闡述氣固兩相流的流動(dòng)變化規(guī)律，所以這些方法都有一定的局限性。氣固兩相流的流動(dòng)狀況相當(dāng)復(fù)雜，參數(shù)眾多，流型多樣，并且其變化受到多種因素的影響。在氣力輸送中，由于固體顆粒之間的相互碰撞，固體顆粒與管道壁之間的碰撞和固體顆粒和氣流之間的摩擦，固體顆粒會(huì)攜帶一定量的電荷，且電荷量攜帶一定的兩相流信息。基于靜電感應(yīng)的基本原理，許多學(xué)者開(kāi)始嘗試將靜電法應(yīng)用于氣固兩相流的參數(shù)測(cè)量中。此外，靜電法幾乎可以用來(lái)測(cè)量氣固兩相流的所有參數(shù)，并且在測(cè)量某些參數(shù)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，所以近年來(lái)靜電法在氣固兩相流參數(shù)測(cè)量方面的發(fā)展很迅速并取得的不錯(cuò)的效果，特別是針對(duì)圓形管道的靜電法研究和應(yīng)用。在一些工業(yè)中，方形管道也被應(yīng)用在固體物料氣力輸送中。本發(fā)明針對(duì)方形氣力輸送管道，設(shè)計(jì)一靜電傳感和測(cè)量裝置，它通過(guò)測(cè)量氣力輸送固體顆粒所攜.帶電荷的電量來(lái)獲得方形氣力輸送管道中氣固兩相流的參數(shù)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量裝置及方法。其特征在于，所述方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量裝置是在方形輸送管道1上安裝靜電傳感器2，靜電傳感器2和前端電荷放大器3、信號(hào)處理電路4、數(shù)據(jù)采集卡5及計(jì)算機(jī)6串聯(lián)?！鲮o電傳感器2的電極為方形電極，與方形輸送管道相對(duì)應(yīng)。所述靜電傳感器安裝在方形輸送管道的外壁或內(nèi)壁。所述靜電傳感器2安裝在方形輸送管道的外壁是在管道的外壁上依次固定絕緣層8、靜電傳感器2、絕緣層8和屏蔽層9;所述靜電傳感器2安裝在方形輸送管道的內(nèi)壁是通過(guò)絕緣層8固定在方形輸送管道內(nèi)壁。所述方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量方法是靜電傳感器2通過(guò)靜電感應(yīng)反映出固體顆粒在方形管道中流過(guò)方形電極時(shí)所帶靜電荷的電量，前端電荷放大器3對(duì)靜電傳感器2電極上的微弱感應(yīng)電荷進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)增強(qiáng)信號(hào)，預(yù)處理之后的傳感器信號(hào)被傳送到信號(hào)處理電路4，完成信號(hào)放大、濾波、信號(hào)運(yùn)算、信號(hào)規(guī)整后輸入給數(shù)據(jù)采集卡5，數(shù)據(jù)采集卡5進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，使符合采樣頻率要求，并輸入計(jì)算機(jī)6，計(jì)算機(jī)6通過(guò)處理程序，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的分析處理，得到方形管道中氣固兩相流的相應(yīng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量。所述前端電荷放大器應(yīng)貼近方形電極安置，使其達(dá)到減少微弱電荷信號(hào)損失的目的。所述前端電荷放大電路采用高阻抗(達(dá)1012歐姆)放大芯片，信號(hào)經(jīng)前端電荷放大器后實(shí)現(xiàn)阻抗和后級(jí)信處理電路匹配，其處理靜電傳感器原始信號(hào)，對(duì)整個(gè)裝置功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。所述方形電極的軸向?qū)挾仁庆o電傳感器性能的決定參數(shù)，電極太窄，靜電傳感器的感應(yīng)信號(hào)太小，測(cè)量容易受到噪聲干擾；電極太寬，空間濾波效應(yīng)明顯，靜電傳感器輸出信號(hào)的頻帶將大大降低，由于巻積涂污作用導(dǎo)致上下游傳感器信號(hào)間的相關(guān)函數(shù)峰值區(qū)域平坦，根據(jù)相關(guān)函數(shù)決定渡越時(shí)間估計(jì)的不確定度(或誤差)增加并進(jìn)而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。所述靜電傳感器單獨(dú)使用一個(gè)則測(cè)量方形管道中氣固兩相流的固相濃度；兩個(gè)配合使用，則測(cè)量方形管道中氣固兩相流的固相質(zhì)量流量和固體顆粒的速度。本發(fā)明的有益效果是利用本發(fā)明分別對(duì)方形管道中自由落體顆粒和氣力輸送微細(xì)顆粒進(jìn)行了測(cè)量，相關(guān)法測(cè)速結(jié)果顯示實(shí)測(cè)顆粒速度和顆粒理論參考速度吻合。本測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)方形氣力輸送管道中氣固兩相流多個(gè)參數(shù)的測(cè)量，使用一個(gè)靜電可以測(cè)量方形管道中氣固兩相流的固相濃度；兩個(gè)靜電傳感器配合使用則測(cè)量方形管道中氣固兩相流的固相質(zhì)量流量和固體顆粒的速度。利用上述測(cè)量的多個(gè)參數(shù)，給各行業(yè)使用的方形氣力輸送管道的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考，大大加快工程進(jìn)度。圖l、應(yīng)用于方形氣力輸送管道的靜電傳感和測(cè)量裝置示意圖。圖2應(yīng)用于方形氣力輸送管道的靜電傳感器安裝截面示意圖，(X)電極安裝在方形管道外壁；(b)電極安裝在方形管道內(nèi)壁。圖3、電荷放大電路原理示意圖。圖4、方形靜電傳感器典型輸出信號(hào)(a)單顆粒信號(hào)；(b)多顆粒信號(hào)。圖5、信號(hào)相關(guān)函數(shù)(a)相應(yīng)于圖4(a)中信號(hào)的相關(guān)函數(shù)；(b)相應(yīng)于圖4(b)中信號(hào)的相關(guān)函數(shù)。具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量裝置及方法。在圖l所示的應(yīng)用于方形氣力輸送管道的靜電傳感和測(cè)量裝置示意圖中，在方形輸送管道1上安裝靜電傳感器2，靜電傳感器2和前端電荷放大器3、信號(hào)處理電路4、數(shù)據(jù)采集卡5及計(jì)算機(jī)6串聯(lián)。圖2(a)所示為靜電傳感器2方形電極安裝在方形管道外壁示意圖，在管道的外壁上依次固定絕緣層8、靜電傳感器2、絕緣層8和屏蔽層9;圖2(b)為靜電傳感器2方形電極安裝在方形管道內(nèi)壁示意圖，方形電極是通過(guò)絕緣層8固定在方形輸送管道1內(nèi)壁。所述方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量方法的基本工作原理如圖1所示，當(dāng)利用氣流在管道中輸送固體顆粒7時(shí)，由于固體顆粒7之間、與管道l的壁碰撞以及與氣流的摩擦，固體顆粒7攜帶一定量的靜電荷。靜電傳感器2方形電極是整個(gè)裝置的關(guān)鍵所在，它主要通過(guò)靜電感應(yīng)反映出固體顆粒7在方形管道1中流過(guò)靜電傳感器2方形電極時(shí)所帶靜電荷的電量。由前端電荷放大器3對(duì)靜電傳感器2方形電極上的微弱感應(yīng)電荷進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)可以增強(qiáng)信號(hào)，以便后期再對(duì)傳感器的輸出信號(hào)分析處理。為盡量減少微弱電荷信號(hào)的損失，前端電荷放大器3貼近方形電極安置。預(yù)處理之后的傳感器信號(hào)被傳送到信號(hào)處理電路。信號(hào)處理電路4主要完成信號(hào)放大、濾波、信號(hào)運(yùn)算、信號(hào)規(guī)整后輸入給數(shù)據(jù)采集卡5，數(shù)據(jù)采集卡5進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，使符合采樣頻率要求，并輸入計(jì)算機(jī)6，計(jì)算機(jī)6通過(guò)處理程序，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的分析處理，得到方形管道中氣固兩相流的相應(yīng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量。靜電法在圓形管道和方形管道的最大不同之處在于靜電傳感器，而傳感器的最大不同之處又在傳感器的電極形狀。由于電極形狀的區(qū)別，靜電傳感器在固體顆粒流經(jīng)傳感器電極時(shí)的感應(yīng)特性也有十分明顯的區(qū)別，主要體現(xiàn)在方形電極的四個(gè)角落。方形電極的軸向?qū)挾仁庆o電傳感器性能的決定參數(shù)，電極太窄，靜電傳感器的感應(yīng)信號(hào)太小，測(cè)量容易受到噪聲干擾；電極太寬，空間濾波效應(yīng)明顯，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。靜電傳感器方形電極被安裝在方形管道的外壁和內(nèi)壁的截面圖如圖2。電荷放大電路處理靜電傳感器原始信號(hào)，對(duì)整個(gè)裝置功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。采用高阻抗(達(dá)10'2歐姆)放大芯片，信號(hào)經(jīng)前端電荷放大器后實(shí)現(xiàn)阻抗和后級(jí)信處理電路匹配。電荷放大電路原理示意圖如圖3，元器件清單見(jiàn)表l。表l電荷放大電路電子元器件清單<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>利用本發(fā)明分別對(duì)方形管道中自由落體顆粒和氣力輸送微細(xì)顆粒進(jìn)行了測(cè)量，相關(guān)法測(cè)速結(jié)果顯示實(shí)測(cè)顆粒速度和顆粒理論參考速度吻合。實(shí)測(cè)典型傳感器信號(hào)如圖4(a)為單顆粒信號(hào)；圖4(b)為多顆粒信號(hào)所示。對(duì)庫(kù)信號(hào)的相關(guān)函數(shù)如圖5(a)相應(yīng)于圖4(a)中信號(hào)的相關(guān)函數(shù)；圖5(b)相應(yīng)于圖4(b)中信號(hào)的相關(guān)函數(shù)。利用本發(fā)明的靜電傳感器及其測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)方形氣力輸送管道中氣固兩相流多個(gè)參數(shù)的測(cè)量。若單獨(dú)使用一個(gè)靜電傳感器，則測(cè)量方形管道中氣固兩相流的固相濃度，若兩個(gè)靜電傳感器配合使用，則測(cè)量方形管道中氣固兩相流的固相質(zhì)量流量和固體顆粒的速度。權(quán)利要求1.一種方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于，所述方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量裝置是在方形輸送管道(1)上安裝靜電傳感器(2)，靜電傳感器(2)和前端電荷放大器(3)、信號(hào)處理電路(4)、數(shù)據(jù)采集卡(5)及計(jì)算機(jī)(6)串聯(lián)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于，所述靜電傳感器(2)的電極為方形電極，與方形輸送管道相對(duì)應(yīng)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于，所述靜電傳感器(2)安裝在方形輸送管道的外壁或內(nèi)壁。4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于，所述靜電傳感器(2)安裝在方形輸送管道的外壁是在管道的外壁上依次固定絕緣層(8)、靜電傳感器(2)、絕緣層(8)和屏蔽層(9);所述靜電傳感器(2〉安裝在方形輸送管道的內(nèi)壁是通過(guò)絕緣層(8)固定在方形輸送管道內(nèi)壁。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于，所述前端電荷放大器(3)應(yīng)貼近方形電極安置，使其達(dá)到減少微弱電荷信號(hào)損失的目的。6.—種方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，該測(cè)量方法是靜電傳感器(2)通過(guò)靜電感應(yīng)反映出固體顆粒在方形管道中流過(guò)方形電極時(shí)所帶靜電荷的電量，前端電荷放大器(3)對(duì)靜電傳感器(2)電極上的微弱感應(yīng)電荷進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)增強(qiáng)信號(hào)，預(yù)處理之后的傳感器信號(hào)被傳送到信號(hào)處理電路(4)，完成信號(hào)放大、濾波、信號(hào)運(yùn)算、信號(hào)規(guī)整后輸入給數(shù)據(jù)釆集卡(5)，數(shù)據(jù)釆集卡(5)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，使符合采樣頻率要求，并輸入計(jì)算機(jī)(6)，計(jì)算機(jī)(6)通過(guò)處理程序，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的分析處理，得到方形管道中氣固兩相流的相應(yīng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，所述前端電荷放大電路采用高阻抗(達(dá)1012歐姆)放大芯片，信號(hào)經(jīng)前端電荷放大器后實(shí)現(xiàn)阻抗和后級(jí)信處理電路匹配，其處理靜電傳感器原始信號(hào)，對(duì)整個(gè)裝置功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，所述方形電極的軸向?qū)挾仁庆o電傳感器性能的決定參數(shù)，電極太窄，靜電傳感器的感應(yīng)信號(hào)太小，測(cè)量容易受到噪聲干擾；電極太寬，空間濾波效應(yīng)明顯，靜電傳感器輸出信號(hào)的頻帶將大大降低，由于巻積涂污作用導(dǎo)致上下游傳感器信號(hào)間的相關(guān)函數(shù)峰值區(qū)域平坦，根據(jù)相關(guān)函數(shù)決定渡越時(shí)間估計(jì)的不確定度(或誤差)增加并進(jìn)而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，所述靜電傳感器單獨(dú)使用一個(gè)則測(cè)量方形管道中氣固兩相流的固相濃度；兩個(gè)配合使用，則測(cè)量方形管道中氣固兩相流的固相質(zhì)量流量和固體顆粒的速度。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了屬于輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量技術(shù)范圍的一種方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量裝置及方法。該測(cè)量裝置是在方形輸送管道上安裝靜電傳感器，靜電傳感器和前端電荷放大器、信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)串聯(lián)。測(cè)量方法是靜電傳感器通過(guò)靜電感應(yīng)反映出固體顆粒在方形管道中流過(guò)方形電極時(shí)所帶靜電荷的電量，前端電荷放大器對(duì)電極上的微弱感應(yīng)電荷進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路，數(shù)據(jù)采集卡，并輸入計(jì)算機(jī)，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的分析處理，得到方形管道中氣固兩相流的相應(yīng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)方形氣力輸送管道中氣固兩相流參數(shù)的測(cè)量。文檔編號(hào)G01F1/74GK101173865SQ20071015203公開(kāi)日2008年5月7日申請(qǐng)日期2007年9月27日優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日發(fā)明者巖張,彭黎輝,勇閻,耿陸申請(qǐng)人:清華大學(xué)