[发明专利]基于螺旋式电容‑圆环式静电传感器的气固两相流检测装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对管道中气固两相流的多参数检测方法，属于多相流检测的技术领域。

背景技术

用于气固两相流检测的方法很多，如电容层析成像法、高速成像、微波法、静电法等。

电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT)技术是上世纪80年代发展起来的一种多相流检测技术，通过电容传感器获得管道截面上介质的介电常数分布从而获得介质的分布图像，具有成本低廉、响应速度快、非侵入性、适用范围广、安全性好的优点，在石油管道的气/油两相流和油/水两相流，气力输送的气/固两相流等方面具有广泛的应用。

从ECT重建的图像中可以提取固相浓度，采用双截面电容传感器则可从浓度序列中提取速度。但由于其自身理论尚不够完善，比如软场效应、非线性误差等问题，使得成像精度不够高。另外，由于ECT图像重建算法复杂，难以做到实时成像，可靠性差，仅适合于科学研究，不太适用于工业过程参数的检测。

电极电容传感器结构简单，不需要电极切换，采样速率高。采用螺旋电极结构可以有效改善流型对传感器特性的影响，在浓度测量上具有良好的线性度和稳定性。但是螺旋结构轴向长度大，不太适合用双截面结构相关获得速度，所以需要其他传感器配合实现速度的测量，以实现流量的测量。

静电法是基于流动固相颗粒荷电特性实现两相流参数检测的。在气力输送过程中，由于颗粒与管道壁面以及颗粒之间的碰撞、摩擦、分离，颗粒会携带大量的电荷。通过对颗粒流动过程中产生的静电噪声的检测，并结合适当的信号处理方法，可实现提取颗粒的浓度，甚至颗粒粒径的有效信息。静电法检测装置具有结构简单、成本低、灵敏度高的优点。但在检测气固两相流的浓度时，由于固相颗粒的许多物理特性(如颗粒形状、大小、分布、导电率、介电常数、化学组分、含水量等)以及流动条件(如管道尺寸、管壁的粗糙度等)都对相浓度的测量结果有较大影响，标定过程负载且没有通用性，所有目前还没有很好的解决办法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述背景技术中存在的缺陷和不足，本发明提出一种螺旋式电容-圆环式静电传感器的气固两相流检测的方法,主要实现对气固两相流流动过程中的颗粒相的浓度、速度及流量等参数的精准检测。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明首先提出一种输送管道中气固两相流检测装置，所述装置包括设置在管道上的圆环式静电传感器、螺旋式电容传感器，且在管道介质流动方向上所述圆环式静电传感器的安装位置位于螺旋式电容传感器的上游；其中，所述圆环式静电传感器包括2个依次设置的静电检测圆环，且2个静电检测圆环之间存在间隔L；所述螺旋式电容传感器包括1个螺旋式检测极板和1个螺旋式激励极板，且检测极板相对于激励极板沿管道轴向方向旋转180°设置；所述圆环式静电传感器用于测量管道内固相颗粒的平均流动速度，螺旋式电容传感器用于检测管道内固相的平均浓度。

进一步的，本发明的输送管道中气固两相流检测装置，还包括用于完全包裹住圆环式静电传感器、螺旋式电容传感器的屏蔽层。

进一步的，本发明的输送管道中气固两相流检测装置，所述间隔L由传感器所处实际测量环境中管道的内径以及管壁厚度、管道材料的介电常数决定。

进一步的，本发明的输送管道中气固两相流检测装置，螺旋式检测极板和螺旋式激励极板之间设置有保护电极。

另一方面，本发明还提出一种基于上述输送管道中气固两相流检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤A，通过对颗粒流动过程中产生的静电噪声进行检测，先后分别从2个静电检测圆环处测得信号x(t)和y(t)，通过互相关算法计算出固相颗粒的流动速度V；

步骤B，在管道中，当有颗粒流过螺旋式电容传感器时，以气力输送颗粒料为测试对象，通过测量螺旋式电容传感器的2个螺旋电极间电容以获得螺旋式电容传感器内部固相平均浓度；

步骤C，根据螺旋式电容传感器获取的固相平均浓度以及通过圆环式静电传感器得到的固相速度V计算出固相的体积流量，从而可进一步算得固相质量流量。

进一步的，上述检测方法中，所述步骤A互相关算法是利用互相关法获取两组信号间的延迟时间τ，根据公式V＝L/τ，进一步计算得到颗粒速度V。

进一步的，上述检测方法中，所述步骤B通过有限元分析方法得到螺旋式电容传感器的输出电容和固相平均浓度之间的关系，从而由测出的螺旋电极间电容计算出固相平均浓度。