[发明专利]基于三角电极电容传感器的金属颗粒流速测量装置及方法

权利要求书

1.基于三角电极电容传感器的金属颗粒流速测量方法，其特征在于：利用基于三角电极电容传感器的金属颗粒流速测量装置，该装置包括依次电性连接的用于检测的三角电极差分式电容传感器(1)、信号采集电路(2)和计算机(3)；所述三角电极差分式电容传感器(1)包括绝缘管道(4)，所述绝缘管道(4)上设有上游电极对和下游电极对，所述上游电极对的上方、上游电极对与下游电极对之间、下游电极对下方均设有屏蔽电极(8)，所述绝缘管道(4)外侧套接有金属屏蔽罩(5)；

测量方法具体为:当金属颗粒在绝缘管道(4)中运动时，金属颗粒经过三角电极差分式电容传感器(1)的灵敏空间，灵敏空间指从最上面的屏蔽电极(8)到最下面的屏蔽电极(8)之间的空间，产生两组包含有反应颗粒流动信息的分量的电容信号ΔC₁(t)和ΔC₂(t)，该电容信号被信号采集电路(2)采集，信号采集电路(2)将该电容信号经过转换传递给计算机(3)，通过计算机软件基于互相关测速原理对输入电信号进行相关运算，并基于空间滤波测速原理分别对两路输出信号和差分信号频谱进行分析，通过提取两路信号的渡越时间τ_m和差分前后信号的等效峰值频率f_m1，f_m2，f_md，进而初步得到金属颗粒的运动速度信息，再使用基于加权平均法的特征层数据融合算法对基于不同原理得来的四个速度v_c，v_m1，v_m2，v_md进行进一步的处理以获得更高精度的测量结果；

在计算机内对采集到的信号进行处理的过程具体为：

步骤1，通过编程对采集到的两组信号ΔC₁(t)和ΔC₂(t)进行互相关运算，根据相关定理计算传感器两路电容输出信号的相关函数R_xy(τ)，表示为：

式中，ΔC₁(t)和ΔC₂(t)为传感器的两路输出信号，通过确定相关曲线R_xy(τ)的峰值对应的时间，即渡越时间τ_m，可以得到金属颗粒的速度v_c：

v_c＝λ/τ_m＝(w₁+w₂+2d)/τ_m (2)

式中，λ为上游电极对C₁与下游电极对C₂之间的轴向间隔，w₁为检测电极宽度，w₂为屏蔽电极宽度，d为构成电容的激励电极和检测电极与屏蔽电极的间距；

步骤2，为了更好的得到金属颗粒经过传感器灵敏空间时引起的电容变化规律，将三角电极差分式电容传感器的轴向灵敏度分布由以下等式定义：

式中：Z是传感器灵敏空间的轴向总长度，S_i(z)是金属颗粒处在不同轴向位置z时传感器的灵敏度，C_i(z)是颗粒位于轴向位置z处时传感器的两路输出信号，C_εl和C_εh是传感器充满空气和金属颗粒时所对应的空管电容值、满管电容值，μ是与金属颗粒粒径有关的校正因子，定义为传感器的灵敏空间体积和金属颗粒体积之比，a,b,c为轴向灵敏度分布曲线的高斯拟合系数；

步骤3，当确定位置的颗粒仅在z轴方向有速度分量，其他方向速度分量为零，空间权函数只在z轴方向具有周期性，在其方向上是相同的，则电容传感器的输出电容信号ΔC_i(t)表示为：

ΔC_i(t)＝k₀∫∫∫ρ(x,y,z+v_zt)·s_i(x,y,z)dxdydz,i＝1,2 (4)

其中，k₀是与金属颗粒的介电特性和几何特征有关的常数，输出信号ΔC_i(t)是空间粒子分布函数ρ(x,y,z,t)和空间灵敏度函数s_i(x,y,z)的卷积积分；

通过编程对输出信号ΔC_i(t)进行傅里叶变换，对得到的频谱幅值取平方得到测量输出信号的功率谱密度函数P_ΔCi(f)，表示为：

式中，S_ΔCi(f)为传感器输出信号ΔC_i(t)的傅里叶变换，m为与颗粒介电特性，几何尺寸，空间位置有关的常数，时间频率f表示为空间频率f_z和速度v_z的乘积，使用有限元分析的方法对传感器的空间灵敏度分布规律进行分析，可知在确定径向位置处，空间灵敏度函数的轴向分布s_i(z)可以用高斯函数进行拟合，电容输出信号的功率谱密度函数P_ΔCi(f)表示为

式中，a,b,c为轴向灵敏度分布曲线的高斯拟合系数，F(·)表示傅里叶变换；

步骤4，针对现有的频域特征参数提取方法的局限性，引入等效峰值频率f_m概念，其定义为将功率谱密度函数的幅值P_d(f_z)与对应频率f_z的加权和的结果除以幅值之和的商，对未经差分的两路输出信号ΔC_i(t)进行功率谱分析得到的等效峰值频率f_mi：

校正后的结果可以在一定程度上减小频域特征参数提取对空间滤波法速度测量结果的影响，在实际应用中，由于颗粒分布和尺寸，速度分布，流体均匀性和稳定性的影响，引入一个无量纲比例系数k，金属颗粒的速度v_mi定义为：

v_mi＝k·λf_mi＝k·(w₁+w₂+2d)f_mi,i＝1,2 (8)

式中，λ为三角电极差分式电容传感器的上游电极对C₁与下游电极对C₂之间的轴向间隔，无量纲比例系数k是由实验确定的，v_m1和v_m2是对上下游两路输出信号ΔC₁(t)和ΔC₂(t)进行功率谱分析得到的金属颗粒流动速度；

步骤5，对三角电极差分式电容传感器的两路输出信号ΔC_i(t)进行差分处理，得到的差分输出信号的灵敏度函数s_d(z)表示为：

式中，λ为上下游电极对之间的轴向间隔，a,b,c为轴向灵敏度分布曲线的高斯拟合系数；

步骤6，通过编程对差分输出信号ΔC_d(t)进行傅里叶变换，对得到的频谱幅值取平方得到测量输出信号的差分电容输出信号的功率谱密度函数P_d(f_z)，表示为：

从上式中可以看出，差分处理可以减少输出信号中的直流分量的基带频率对频域特征参数提取准确度的影响；

步骤7，对差分输出信号ΔC_d(t)进行功率谱分析得到的等效峰值频率f_md，即

引入一个无量纲比例系数k，金属颗粒的速度v_md定义为

v_md＝k·λf_md＝k·(w₁+w₂+2d)f_md (12)

式中，λ为上游电极对C₁与下游电极对C₂之间的轴向间隔，无量纲比例系数k是由实验确定的，使用相位多普勒测速仪，对系数k进行标定；

步骤8，通过编程结合基于加权平均法的特征层数据融合算法对四个速度v_c，v_m1，v_m2，v_md进行进一步的处理以获得更高精度的测量结果。