[发明专利]一种集成式电容-激光测量粉尘浓度的装置

说明书

技术领域

本发明属于粉尘浓度测量设备领域，尤其涉及一种集成式电容-激光测量粉尘浓度的装置。

背景技术

气固两相流研究涉及工业生产过程的各个方面，化工、能源、电力中都有不同程度的粉尘排放，检测其浓度、粉尘大小对环境保护有非常重要的指导意义；目前，利用声学、光学与电学测量原理可以对粉尘浓度进行测量；通过对其浓度进行测量，进而实现过程的优化控制，提高生产效率、降低能耗、节约能源。

电容层析成像技术是随着计算机技术和检测技术的进步发展起来的新一代参数检测技术，其英文名称为Electric Capacitance Tomography，简称ECT。ECT是传感器件以电极阵列从外部环绕流动通道的被测截面，通过扫描的方式依次测定所有电极对之间的电容值。被测截面内物质分布的变化将造成所测电容值的相应变化，ECT则根据所测的电容值，通过图像重建的过程重建出被测截面内的物质分布。

电容层析成像主要用于工业管道内的多相流检测，这种技术可提供常规仪器无法探测的封闭管道及容器中多相介质的浓度、分布、运动状态等可视化信息，与其它测量技术或仪表相配合还可应用于多相流总质量流量、分相质量流量以及流速的实时检测。

激光全息技术主要用于测量粒子的流场，此外，激光全息技术在微米级和亚微米级的测量方面也有很好的表现。激光全息测量技术结合了光学测量技术、计算机处理技术、CCD以及图像处理技术，通过对衍射图像处理，最终测量得到气固两相流中粒子浓度；所述装置是将两种方法集成为一种基于电容-激光的测量装置，实现对被测空间中气固两相流浓度的测量。

电容层析成像和激光全息测量，二者都是非介入式测量方式，对于被测空间的内部运动都几乎不造成影响，同时，这两种检测方式测量原理不同、互不干扰，特别的，在某些工业应用领域(如发电厂、变电站)，会存在极强的电磁干扰，电容层析成像测量值将会产生严重偏差，在这种情况下，激光测量方法可以弥补了这一不足。因此，将二者综合运用是一种非常理想的检测方案。

发明内容

本发明目的是提出了一种集成式电容-激光测量粉尘浓度的装置，其特征在于，该装置是通过数据采集仪器和多路开关将电容层析成像装置、激光全息测量装置和上位机三部分集成在一起；其电容层析成像测量装置所在的轴线与激光全息测量装置所在的轴线相互垂直；电容层析成像测量装置中传感器阵列紧贴被测通道的外壁，被测通道的开孔管段放在激光全息测量装置光路上的透镜组和滤光片之间；激光全息测量装置与电容层析成像装置(ECT测量装置)的输入端分别连接多路开关，输出端分别连接数据采集系统，上位机分别连接多路开关和数据采集系统，组成集成式电容-激光测量粉尘浓度的装置；其中，图像分析和浓度分析过程由上位机完成；激光全息测量装置与电容层析成像装置因其测量原理不同而互不干扰，两者均完全不影响通道内的所有状态。

所述电容层析成像装置由电容传感器阵列、激励信号、运算放大器、交流放大电路、解调和滤波电路依次连接组成，电容传感器阵列是由在被测管道外侧任多个截面上均匀布置电容极板构成；当流体流动时，任意的两极板组成一对电容，管道内流动的介质在通过电容极板时会产生不同的介电常数，也因此产生了不同大小的电容值，运用正则化算法对管道的浓度场完成重建，完成对粒子浓度的测定。

所述激光全息测量装置由激光器、空间滤波器、透镜组、开孔管段、滤光片和CCD相机组成；所有元件都处于同一轴线上。

所述激光全息测量装置的测量过程是通过激光器发出一窄束光，经过空间滤波器变成均匀的发散光束，在空间滤波器后面加上透镜组，对空间滤波器发出的光进行汇聚；调节透镜组轴向上的位置及光束的大小，使发出的光变成平行光束射出；然后用CCD相机对有激光照射的管道内粒子进行拍摄，得到釆集图像，之后对拍摄到的图像进行去噪、去背景及目标识别处理，得到粒子的二维位置，最后通过重建方法确定粒子的轴向位置，获得了粒子在测量管道内的三维空间分布即粒子浓度。

本发明的有益效果是解决了在粉尘浓度的检测中，无法实现在不影响设备的结构和机械性能的同时，以不干扰流体流动的方式进行管道截面多相分布的测量问题，具有如下特点：

(1)电容层析成像装置测量气固两相流浓度会受到电磁干扰，因而不适于在发电厂、变电站等存在强电磁的地方进行测量，而激光全息测量装置则不易受到电磁干扰的影响，可以极大的弥补在电容层析成像不能完成的工况下完成浓度测量。