粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统和方法，系统包括有采集粒子流截面速度信息的阵列通道；给所述阵列通道提供粒子流的粒子流循环装置；以及对所述阵列通道采集的数据进行处理和控制的数据处理控制装置。本发明专利技术通过同一小通道内的两组电容采集后两组数据，并进行互相关算法计算，将粒子流的相同特征提取，并且记录时间，电极间的距离已知，就可以得到小通道内粒子流的流速特征。将所有小通道内的粒子流的流动速度提取，组合成整个管道截面粒子流的截面速度场。本发明专利技术是基于电容介电常数与极板物质相关原理，以及与互相关算法结合计算，最终将所有小通道内粒子的速度合成截面速度场。粒子的速度合成截面速度场。粒子的速度合成截面速度场。

【技术实现步骤摘要】
粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统和方法


[0001]本专利技术涉及粒子流速度场测量领域，具体地说是一种粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统和方法。

技术介绍

[0002]目前，流体中，粒子流速测量方法主要有光学、超声、电学等技术。
[0003]电容式传感器已经被广泛的应用于角度、角速度、位置、压力和液位等的测量中。在之前国内外的研究中，已经提出了很多实用有效的电容式传感器的测量方法，如，开关电容检测法、电容频率转换法、A
‑
D转换法、充放电电流法、A
‑
工法、电路相位检测法、PWM法等。电容式传感器具有耗散功率小，输出阻抗低，静电引力小，动态性能好，灵敏度高,可实现非接触测量，对高温、辐射、强振等恶劣条件适应性强等优点，已被广泛用于位移、振动、角度、加速度、压力、差压、液面、水分含量等方面的测量。但由于寄生电容，生产工艺，电容检测电路输出信号与电容大小呈现非线性等影响，使得电容式传感器的分辨率和测量范围受到很大的限制。而对于现阶段流量测量中，电容也被使用在气液、固液等多相流的测量之中。
[0004]光学主要以示踪粒子跟踪方法为主测量速度场，粒子图像测速技术(PIV)开始越来越多地应用于现代工业研究中，例如核工程、流体机械工程、化学工程和环境工程等。目标流场也从单点、均匀流场向全流场、非均匀流场发展。而粒子跟踪测速法(PTV)是一种典型的、用于湍流的测量方法。此外，还有激光技术、红外技术等。
[0005]声学技术，主要以超声技术为主，超声测量的体积流量不受被测流体的温度﹑压力粘度及密度等热物性参数的影响。由于声波能够在不同介质中的传播特性,超声技术可以应用于测量强腐蚀性介质和非导电介质的流量。因此,超声技术能够很好应用于实际工程中流体流量测量。
[0006]此外，多相流量测量方法还有差压、热式、以及体积等多种方法，在管道内部的流量测量已经日趋成熟，但是关于多相流量速度场的测量仍是一大难题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的之一是提供一种粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统，以解决现有技术中多相流量速度场的测量难度大的问题。
[0008]本专利技术的目的之一是这样实现的：一种粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统，其特征是，包括有：采集粒子流截面速度信息的阵列通道；给所述阵列通道提供粒子流的粒子流循环装置；以及对所述阵列通道采集的数据进行处理和控制的数据处理控制装置；
[0009]所述阵列通道包括有设置在迎流面一端的数据提取管段、设置在中间的观测管段和设置在背流面一端的稳流管段；所述数据提取管段由多个横截面为方形的小通道阵列而成；在每个所述小通道的两端分别设置有电容，形成两组阵列电容传感器，所述阵列电容传感器与所述数据处理控制装置相连接。
[0010]进一步地，本专利技术可以按如下技术方案实现：
[0011]所述阵列电容传感器通过数据采集卡与所述数据处理控制装置相连接，所述数据采集卡与巡检仪相连接。
[0012]所述稳流管段由多个横截面为方形的小通道阵列而成；所述观测管段为透明的亚力克管段；在所述阵列通道两端分别设置有法兰。
[0013]所述粒子流循环装置包括有水源单元、气源单元和检定管路单元；
[0014]水源单元包括有串接的水箱、水泵、水塔；
[0015]气源单元包括有串接的气泵、稳压罐、干燥器；
[0016]检定管路单元，包括有连接混合器的三条管线，第一条管线与所述水塔连接并串接有标准流量计、压力表、粒子投放端和温度表；第二条管线与所述干燥器连接并串接有压力表和标准流量计；第三条管线通过压力表与所述水箱连接；
[0017]所述阵列通道设置在检定管路单元的第一条管线上；
[0018]所述数据处理控制装置与所述粒子流循环装置相连接，控制所述粒子流循环装置进行水源和气源的循环工作。
[0019]所述数据处理控制装置包括有工业控制计算机、PLC模块、继电器和电源。
[0020]本专利技术的目的之二是提供一种粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测方法，以解决现有方法中无法对多相流量速度场进行测量的问题。
[0021]本专利技术的目的之二是这样实现的：一种粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测方法，包括如下步骤：
[0022]A、所述粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测方法应用于权利要求1所述的粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统；
[0023]B、由粒子流循环装置给阵列通道提供带有PIV示踪粒子的循环粒子流，在阵列通道内的电容两端产生电信号，并且输出到数据处理控制装置中，电容的求解方程为
[0024]C＝εS/4πkd
[0025]C
‑‑
介电常数，
[0026]s
‑‑
为电容极板的正对面积，
[0027]d
‑‑
为电容极板的距离，
[0028]k
‑‑
则是静电力常量；
[0029]C、数据处理控制装置对数据提取管段两端的两组电容产生的电信号进行互相关计算，得到粒子流经两组电容的时间差，互相关的计算公式如下：
[0030]两个函数f(t)和g(t)的互相关，由含参变量t的无穷积分定义，即
[0031]R
fh
(t)＝∫f
*
(t)g(x+t)dt
[0032]用互相关来衡量两个时间序列f(t)和g(t)在两个不同时刻的取值之间的相似程度,并且寻找的最大值，记录此时的时间为：
[0033]Δt
i
＝t
i1
‑
t
i2
；
[0034]D、数据处理控制装置逐步计算单个小通道内的粒子流的速度，计算公式是：
[0035][0036]式中：
[0037]v
(x,y)
为某小通道内的粒子流速，单位是m/s；
[0038]L为两电极间的距离，为常数；
[0039]Δt
(x,y)
为互相关算法算出的粒子流过某小通道两电容的时间差；
[0040]E、数据处理控制装置对每一组小通道内的粒子流的速度进行整合，最后得到管道内粒子流的截面速度场。
[0041]进一步地，本专利技术可以按如下技术方案实现：
[0042]在所述B步骤中，接通电源，打开检定管路单元的旋拧阀门，打开水源单元和气源单元，水泵将水箱中的水抽出并流向水塔高处，形成水压差从底端流出，水依次流过标准流量计、压力表、阵列通道和温度表，水箱中的水和气源单元中的气体一起通入混合器，最后到达水箱形成闭环。
[0043]在粒子投放端投放适量的PIV示踪粒子，运行五分钟，使得PIV示踪粒子均匀分布在粒子流循环装置中。
[0044]本专利技术通过阵列通道内设置由多个横截面为方形的小通道阵列而成的数据提取管段，在每个小通道的两端分别设置有电容，形成两组阵列电容传感器。通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统，其特征是，包括有：采集粒子流截面速度信息的阵列通道；给所述阵列通道提供粒子流的粒子流循环装置；以及对所述阵列通道采集的数据进行处理和控制的数据处理控制装置；所述阵列通道包括有设置在迎流面一端的数据提取管段、设置在中间的观测管段和设置在背流面一端的稳流管段；所述数据提取管段由多个横截面为方形的小通道阵列而成；在每个所述小通道的两端分别设置有电容，形成两组阵列电容传感器，所述阵列电容传感器与所述数据处理控制装置相连接。2.根据权利要求1所述的粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统，其特征是，所述阵列电容传感器通过数据采集卡与所述数据处理控制装置相连接，所述数据采集卡与巡检仪相连接。3.根据权利要求1所述的粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统，其特征是，所述稳流管段由多个横截面为方形的小通道阵列而成；所述观测管段为透明的亚力克管段；在所述阵列通道两端分别设置有法兰。4.根据权利要求1所述的粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统，其特征是，所述粒子流循环装置包括有水源单元、气源单元和检定管路单元；水源单元包括有串接的水箱、水泵、水塔；气源单元包括有串接的气泵、稳压罐、干燥器；检定管路单元，包括有连接混合器的三条管线，第一条管线与所述水塔连接并串接有标准流量计、压力表、粒子投放端和温度表；第二条管线与所述干燥器连接并串接有压力表和标准流量计；第三条管线通过压力表与所述水箱连接；所述阵列通道设置在检定管路单元的第一条管线上；所述数据处理控制装置与所述粒子流循环装置相连接，控制所述粒子流循环装置进行水源和气源的循环工作。5.根据权利要求1所述的粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统，其特征是，所述数据处理控制装置包括有工业控制计算机、PLC模块、继电器和电源。6.一种粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测方法，其特征是，包括如下步骤：A、所述粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测方法应用于权利要求1所述的粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统；B、由粒子流循环装置给阵列通道提供带...

【专利技术属性】
技术研发人员：方立德，陈啸，刘旭，翟科，韦子辉，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：