颗粒速度分布的差分式平面电容传感器阵列测量方法技术

本发明专利技术公开了一种颗粒速度分布的差分式平面电容传感器阵列测量方法，采用差分式平面电容传感器阵列测量装置，包括测量探头，测量探头依次连接有P路并行设置的差分电容检测电路、数据采集卡以及计算机；测量方法为：当固相颗粒沿绝缘测量管道轴向方向运动时，沿轴向相邻电容产生两组反映气固流动信息的电容信号，将信号传输给差分电容检测电路进行差分放大后输出给数据采集卡采集进而送入计算机，由计算机对数据采集卡采集输出信号进行空间滤波算法处理，获得气固两相流颗粒速度分布信息。解决了现有技术中存在的无法获得管道截面上速度场的分布以及空间频率选择性低的问题。

Measurement of particle velocity distribution based on differential planar capacitance sensor array

The invention discloses a differential planar capacitance sensor array measurement method with a particle velocity distribution, and uses a differential planar capacitance sensor array measuring device, including a measuring probe. The measuring probe is connected with a differential capacitance detection circuit, a data acquisition card and a computer in which the P road is set in parallel. The measurement method is: When the solid particles move along the axial direction of the insulated pipeline, two groups of capacitance signals that reflect the gas solid flow information are generated along the axial adjacent capacitance. The signals are transmitted to the differential capacitance detection circuit for the differential amplification and then output to the data acquisition card and then sent to the computer. The output letter of the data acquisition card is collected by the computer. The spatial filtering algorithm is applied to obtain particle velocity distribution information of gas solid two phase flow. The problem that the velocity field distribution on the cross section of the pipeline and the low spatial frequency selectivity can not be obtained in the existing technology are solved.

【技术实现步骤摘要】
颗粒速度分布的差分式平面电容传感器阵列测量方法
本专利技术属于气固两相流测量方法
，涉及一种颗粒速度分布的差分式平面电容传感器阵列测量方法。
技术介绍
气固两相流广泛存在于能源、化工、电力及冶金等工业领域。颗粒速度是反应气固两相流动特性的重要参数，实现颗粒速度分布的实时检测对于流体流动状态的监测及生产过程中计量、节能和控制具有重要意义。目前，根据不同的传感器测量原理，已有多种非接触式检测方法用于固相颗粒速度的测量，如多普勒、互相关、空间滤波、核磁共振、示踪法等。多普勒法是利用颗粒的移动会导致其散射光频率产生位移的特性测量颗粒速度，具有实验简单、数据可靠等特点，广泛应用于流体的实验研究中，测量的管道直径范围可从毫米级到几米。但多普勒测速系统设备昂贵，且仅适用于稀相悬浮的流动条件。利用同步相关检测技术为基础构成的两相流测速系统，与其它检测方法相比具有测量动态范围宽、适应性强、不阻碍流动，非接触测量等优点，为气固两相流速度、流量测量问题提供了有效的技术手段，因此广泛应用在工业测量领域中。但相关法测速只有在流动状态稳定，固相弥散度均匀且满足“凝固”流型的状况下，才能够获得具有明确峰值的相关函数曲线，这在实际测量过程中难以保证。荧光粒子示踪、高速摄像等方法，可实现颗粒流动速度分布测量，但算法处理复杂且分析过程耗时，因此仅适用于实验室研究，不适合工业现场的应用。光学空间滤波法利用其空间频率选择特性可实现固体颗粒移动速度的测量，具有机械及光学性能稳定，光源选择范围广，数据处理方便等优点，但测量系统相对复杂且不适用于恶劣的工业环境，尤其是在浓相稠密气固流动测量应用上。另外，限制同步相关法、多普勒法和光学空间滤波法推广应用的一个重要因素是此类方法属于点/线测量方法或截面颗粒平均速度测量方法，而无法获得管道截面颗粒速度场分布信息，因此不利于流动参数的测量和气固流动机理的研究。气力输送系统中颗粒的流动会导致特定管道区域内流动介质的介电特性发生变化。近年来，人们利用电容传感器空间滤波效应，相继研究并开发了电容空间滤波测量颗粒速度系统，测量系统具有结构简单、成本低廉、适合于复杂的工业现场环境等特点。在实际气力输送管道中，流体的速度和浓度往往是不均匀分布。但上述电容空间滤波法主要采用半圆环或圆环状电容传感器，其输出信号是管道截面内所有颗粒介电特性的叠加，因而获得的是管道截面上固体颗粒的平均加权速度，而无法获得管道截面上速度场的分布信息。此外，由于电容传感器的电极具有一定的几何形状和尺寸，用电容传感器的“敏感窗口“检测流体的流动状况时，电容电极对流动噪声将以特定的空间权函数进行加权平均。但半圆环或圆环电容传感器输出信号频带范围较宽且受颗粒空间位置分布影响较大，降低了滤波器的空间选择性，在功率谱特性曲线上，表现为各点离散程度较大，信噪比较低，频带宽度难以确定，从而影响速度测量的准确性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供种颗粒速度分布的差分式平面电容传感器阵列测量方法，解决了现有技术中存在的无法获得管道截面上速度场的分布以及空间滤波频率选择性低的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种颗粒速度分布的差分式平面电容传感器阵列测量方法，采用差分式平面电容传感器阵列测量装置，包括测量探头，测量探头依次连接有P路并行设置的差分电容检测电路，P路差分电容检测电路共同连接有数据采集卡，数据采集卡连接有计算机，测量探头包括绝缘测量管道，绝缘测量管道外壁上布置有电极阵列和金属屏蔽罩，电极阵列包括一个圆环状激励电极，激励电极两侧沿绝缘测量管道轴向对称设置有Q对圆弧状感应电极，即圆弧状感应电极沿绝缘测量管道轴向共分为上下两层，分别为第一层感应电极阵列和第二层感应电极阵列，圆弧状感应电极远离激励电极的一侧设置有用以限定传感器轴向灵敏范围的轴向保护电极，每路差分电容检测电路均包括两个输入端，分别为第一输入端、第二输入端，其中1≤Q≤P，第i对圆弧状感应电极的两个感应电极分别连接第j路差分电容检测电路的第一输入端和第二输入端，其中1≤i≤Q，1≤j≤P；测量方法具体为：当固相颗粒沿绝缘侧测量管道轴向方向运动时，每对圆弧状感应电极中的两个圆弧状感应电极分别产生一组反映气固两相流流动信息的电容信号，两组信号分别传输给对应的差分电容检测电路的第一输入端、第二输入端，对电容信号进行差分放大并输出给数据采集卡采集，数据采集卡将采集到的信号送入计算机，由计算机对数据采集卡采集输出信号进行空间滤波算法处理，通过对其频谱进行分析并确定频带宽度，进而计算获得气固两相流颗粒速度，Q对圆弧状感应电极相组合可获得管道截面颗粒速度分布分布信息。本专利技术的特点还在于，当固体颗粒在不同径向位置沿轴向运动时，关于圆环状激励电极对称的每对圆弧状感应电极电容变化规律完全相同，整体上呈现双峰变化规律，峰值点位置相差的距离为p，即是轴向相邻电容电极对的轴向间隔，单位为mm，从模拟计算结果分析，每一电极对电容值变化沿轴向近似于高斯函数分布，在电极间距处达到峰值，其沿轴向电容值变化可用式(1)进行曲线拟合：其中，z是颗粒的轴向位置坐标值，Z为传感器在管道轴向方向的灵敏空间长度，单位为mm，A、ɑ、b、c、d、g、m为曲线拟合系数，与传感器结构以及颗粒空间位置有关；由第1路差分电容检测电路至第Q路差分电容检测电路差分放大后，产生Q组差分电容信号可表示为：其中：C1i(z)和C2i(z)分别为第i对感应电极中的两个圆弧状感应电极产生的电容变化信号，Cd(z)是差分电容信号。在计算机内对采集的信号处理的过程为：步骤1，通过编程对采集到的Q组差分电容信号序列Cdi(n)进行傅里叶变换，得到其频谱Edi(k)，然后取其幅值的平方|Edi(k)|2并除以差分电容离散数据信号长度N，作为差分电容信号序列Cdi(n)的功率谱估计Pi(k)，i＝1，2…Q，则可以得到：其中：E1i(k)是轴向第一层圆弧状感应电极阵列6输出电容信号的频谱，ωz是管道轴向方向的空间角频率，n是时域差分电容信号的离散点，k为频域离散点；由公式(3)可知，差分电容信号的功率谱相当于单通道电容功率频谱受正弦因子sin(pωz/2)调制所得；步骤2，根据步骤1得到的Q组功率谱特性函数的频率通带宽度确定每一组截止频谱fi，用如下公式：其中：Ki为功率谱函数截止频率对应位置的离散点数，Fs是功率谱分析的频率分辨率，p是轴向相邻电容电极对的轴向间隔；步骤3，根据功率谱截止频率值fi和第一层感应电极和第二层感应电极轴向间隔p，确定管道截面上不同区域气固两相颗粒流平均流动速度vi，计算公式如下：vi＝k0·p·fi(5)，p＝w+d(6)，其中：k0是速度测量无量纲校正常数，由实验标定，p是轴向相邻电容电极对的轴向间隔，w是电极轴向宽度，d是圆环形激励电极与圆弧状感应电极之间的间距。k0的标定方法为：在气粒输送颗粒流条件下，用相位多普勒测速仪对差分式平面电容传感器阵列测量装置颗粒流速度系统无量纲校正系数进行对比标定，具体标定过程为：相位多普勒测速仪(PDA)与差分式平面电容传感器阵列测量装置同步测量，速度测量系统记录测量数据并保存，取与PDA同时间，同区间同时间测量值的平均值与PDA测量值组成一个数据对，每次标定至少要获得20对数据，以差分式平面电容传本文档来自技高网...

【技术保护点】
颗粒速度分布的差分式平面电容传感器阵列测量方法，其特征在于，采用差分式平面电容传感器阵列测量装置，包括测量探头(1)，所述测量探头(1)依次连接有P路并行设置的差分电容检测电路(2)，P路所述差分电容检测电路(2)共同连接有数据采集卡(3)，所述数据采集卡(3)连接有计算机(4)，所述测量探头(1)包括绝缘测量管道(10)，所述绝缘测量管道(10)外壁上布置有电极阵列和金属屏蔽罩(9)，所述电极阵列包括一个圆环状激励电极(5)，所述激励电极(5)两侧沿绝缘测量管道(10)轴向对称设置有Q对圆弧状感应电极，即圆弧状感应电极沿绝缘测量管道(10)轴向共分为上下两层，分别为第一层感应电极阵列(6)和第二层感应电极阵列(7)，所述圆弧状感应电极远离激励电极(5)的一侧设置有轴向保护电极(8)，所述每路差分电容检测电路均包括两个输入端，分别为第一输入端(11)、第二输入端(12)，其中1≤Q≤P，第i对圆弧状感应电极的两个感应电极分别连接第j路差分电容检测电路的第一输入端(11)和第二输入端(12)，其中1≤i≤Q，1≤j≤P；测量方法具体为：当固相颗粒沿绝缘侧测量管道(10)轴向方向运动时，每对圆弧状感应电极中的两个圆弧状感应电极分别产生一组反映气固两相流流动信息的电容信号，两组信号分别传递给对应路的差分电容检测电路的第一输入端(11)、第二输入端(12)，对电容信号进行差分放大并输出给数据采集卡(3)采集，数据采集卡(3)将采集到的信号送入计算机(4)，由计算机(4)对数据采集卡采集(3)输出信号进行空间滤波算法处理，通过对其频谱进行分析并确定频带宽度，进而计算获得气固两相流颗粒速度分布信息。...

【技术特征摘要】
1.颗粒速度分布的差分式平面电容传感器阵列测量方法，其特征在于，采用差分式平面电容传感器阵列测量装置，包括测量探头(1)，所述测量探头(1)依次连接有P路并行设置的差分电容检测电路(2)，P路所述差分电容检测电路(2)共同连接有数据采集卡(3)，所述数据采集卡(3)连接有计算机(4)，所述测量探头(1)包括绝缘测量管道(10)，所述绝缘测量管道(10)外壁上布置有电极阵列和金属屏蔽罩(9)，所述电极阵列包括一个圆环状激励电极(5)，所述激励电极(5)两侧沿绝缘测量管道(10)轴向对称设置有Q对圆弧状感应电极，即圆弧状感应电极沿绝缘测量管道(10)轴向共分为上下两层，分别为第一层感应电极阵列(6)和第二层感应电极阵列(7)，所述圆弧状感应电极远离激励电极(5)的一侧设置有轴向保护电极(8)，所述每路差分电容检测电路均包括两个输入端，分别为第一输入端(11)、第二输入端(12)，其中1≤Q≤P，第i对圆弧状感应电极的两个感应电极分别连接第j路差分电容检测电路的第一输入端(11)和第二输入端(12)，其中1≤i≤Q，1≤j≤P；测量方法具体为：当固相颗粒沿绝缘侧测量管道(10)轴向方向运动时，每对圆弧状感应电极中的两个圆弧状感应电极分别产生一组反映气固两相流流动信息的电容信号，两组信号分别传递给对应路的差分电容检测电路的第一输入端(11)、第二输入端(12)，对电容信号进行差分放大并输出给数据采集卡(3)采集，数据采集卡(3)将采集到的信号送入计算机(4)，由计算机(4)对数据采集卡采集(3)输出信号进行空间滤波算法处理，通过对其频谱进行分析并确定频带宽度，进而计算获得气固两相流颗粒速度分布信息。2.根据权利要求1所述的颗粒速度分布的差分式平面电容传感器阵列测量方法，其特征在于，当固体颗粒在管道不同径向位置沿轴向运动时，关于圆环状激励电极(5)对称的每队圆弧状感应电极电容变化规律完全相同，整体上呈现双峰变化规律，峰值点位置相差的距离为p，即是轴向相邻电容电极对的轴向间隔，单位为mm，每一电极对电容值变化沿轴向近似于高斯函数分布，在电极间距处达到峰值，其沿轴向电容值变化可用式(1)进行曲线拟合：其中，z是颗粒的轴向位置坐标值，Z为传感器在管道轴向方向的灵敏空间长度，单位是，mm，A、ɑ、b、c、d、g、m为曲线拟合系数，与传感器结构以及颗粒空间位置有关；由第1路差分电容检测电路至第Q路差分电容检测电路差分放大后，产生Q组差分电容信号可表示为：其中：C1i(z)和C2i(z)分别为第i对感应电极中的两个圆弧状感应电极产生的电容变化信号，Cd(z)是差分电容信号。3.根据权利要求2所述的颗粒速度分布的差分式平面电容传感器阵列测量方法，其特征在于，在计算机(4)内对采集的信号处理的过程为：步骤1，通过编程对采集到的Q组差分电容信号序列Cdi(n)进行傅里叶变换，得到其频谱Edi(k)，然后取其幅值的平方|Edi(k)|2并除以差分电容离散数据信号长度N，作为差分电容信号序列Cdi(n)的功率谱估计Pi(k)，i＝1，2…Q，则可以得到：其中：E1i(k)是轴向第一层圆弧状感应电极阵列6输出电容信号的频谱，ωz是管道轴向方向的空间角频率，n是...

【专利技术属性】
技术研发人员：高鹤明，邓惠文，王冰，范兵艳，闵莹星，刘君，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61