专利名称：流化床内局部颗粒速度的静电感应测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于气固两相流测量技术领域，具体涉及一种流化床内局部颗粒速度的静电感应测量装置。
背景技术：
循环流化床锅炉内颗粒速度的大�。唤鲇跋熳趴帕Ｔ诖材诘耐Ａ羰奔浜兔芏确植迹怪苯佑跋炜帕Ｓ胧苋让娴拇惹慷龋跋焓苋让娴木咛宀贾�。目前，基于不同的测量原理，人们已研究和开发了多种方法和装置测量循环流化床内颗粒速度，如光纤探头法、冲击力法、等速取样法、多普勒激光测速技术(LDV)和粒子图像技术(PIV)等。光纤探头法可用于较高颗粒浓度条件下(如循环流化床锅炉内下部密相区和上部边壁区附近)的颗粒速度测量，光纤探头具有重量轻、尺寸小、几何形状可以根据需要灵活选择、灵敏度高等的优点，但需要有外部光源激励，系统相对较为复杂。冲击力法不受炉内颗粒浓度的影响， 可用于循环流化床内不同高度和区域内颗粒速度测量，但测量元件对床内固体颗粒流动产生较大的干扰作用。等速采样法的最大优点在于测量设备非常简单，但由于测量过程中假定颗粒流为连续流，故只适用于循环流化床锅炉下部密相区和上部边壁区域高颗粒浓度条件下的颗粒速度测量，而不适用于上部核心区的颗粒速度测量。多普勒颗粒速度测量是利用颗粒的移动导致散射光产生频移测量颗粒速度，具有简单、可靠等特点，在流体实验研究领域得到了广泛的应用，但是多普勒速度测量系统设备昂贵，且仅适用于稀相悬浮流动条件。PIV技术可实现完整的颗粒流动速度分布测量，但结果分析耗时，仅适用于实验室研究， 高浓度时无法测量，不适合工业现场应用。气固流动系统中颗粒与颗粒、颗粒与气体及颗粒与管壁的相互碰撞、摩擦及分离， 导致颗粒产生荷电现象。近些年来，人们利用颗�：傻缪芯坎⒖⒘司驳缦喙胤熬驳绺杏占渎瞬ǹ帕Ｋ俣炔馑僖牵饬肯低尘哂薪峁辜虻�、硬件成本低、适合于恶劣的工业现场环境等特点。对于静电相关和空间滤波法，主要采用外置式环状或弧状静电感应阵列，环状静电感应只能获得管道截面上颗粒的平均速度，而弧状静电感应阵列外置于测量管道外部，所获得的信息只能反映近管壁处的颗粒局部速度，而无法反映整个管道截面上的颗粒速度分布信息。
实用新型内容为了克服现有循环流化床内局部颗粒速度测量装置的不足，本实用新型提出了一种流化床内局部颗粒速度的静电感应测量装置。本实用新型具有较高的空间选择性，提高了频谱尖峰频率和速度测量的准确性，实现了流化床内局部颗粒速度的测量。本实用新型采用如下技术方案一种流化床内局部颗粒速度的静电感应测量装置，包括测量探针、前置电荷差分放大电路、数据采集卡及计算机，测量探针的两电极阵列导线分别与前置差分放大电路的两输入端连接，前置电荷差分放大电路的输出端与数据采集卡输入端连接，数据采集卡的输出端与计算机的输入端连接并由计算机对数据采集卡的输出信号进行频谱分析并确定频谱上的峰值频率，进而计算获得气固两相流颗粒局部速度，所述测量探针包括金属屏蔽管，在金属屏蔽管的一端填充绝缘隔离材料以形成的绝缘隔离块，在绝缘隔离块内部设有的第一静电感应电极阵列及第二静电感应电极阵列，所述第一静电感应电极阵列至少包括第11电极、第12电极、第13电极、第14电极、第15电极，并且第一静电感应电极阵列中相邻的电极之间的径向间距P相等，第一静电感应电极阵列中的各个电极由第一静电感应电极阵列导线连接，所述第二静电感应电极阵列至少包括第21电极、第22电极、第23电极、 第24电极、第25电极，第二静电感应电极阵列中的各个电极由第二静电感应电极阵列导线连接，所述第一静电感应电极阵列中的各个电极以及所述第二静电感应电极阵列的各个电极位于同一平面内且相互平行，第21电极设在第11电极与第12电极之间且第21电极至第11电极之间的径向距离等于第21电极至第12电极之间的径向距离，第22电极设在第 12电极与第13电极之间且第22电极至第12电极之间的径向距离等于第22电极至第13 电极之间的径向距离，第23电极设在第13电极与第14电极之间且第23电极至第13电极之间的径向距离等于第23电极至第14电极之间的径向距离，第M电极设在第14电极与第15电极之间且第M电极至第14电极之间的径向距离等于第M电极至第15电极之间的径向距离，第25电极与第15电极之间的距离为第一静电感应电极阵列(5)中相邻的电极之间的径向间距P的二分之一。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点1)气固流动系统中颗粒与颗粒、颗粒与气体及颗粒与管壁的相互碰撞、摩擦及分离，导致颗粒产生荷电现象，本实用新型基于颗�：傻缦窒蠛途驳绺杏υ砩杓凭驳绺杏Φ缂罅校迪至司植靠帕Ｋ俣鹊牟饬浚捎谑峭ü帕Ｋ牡绾衫床饬靠帕Ｋ俣龋饬啃藕欧从Φ氖强帕４缌浚肟帕１旧砦锢砘匦晕拗苯庸叵担圆饬坎皇芸帕Ｅǘ鹊南拗疲饬糠段Ч悖捎糜诟丛拥钠塘较嗔鞫饬�。2)目前静电空间滤波法测量气固两相流速度主要采用单极片结构，极片充当一个空间滤波器，然后从时空分布的静电流噪声中提取特殊频率，但由于频带较宽，所确定的特殊频率准确性不高，本实用新型采用的静电感应电极阵列的频率特性主要由电极阵列的结构所决定，空间滤波选择性相比于单极片更高，频带更窄，速度信号中心频率测量的不确定性更低，从而有较高的颗粒速度测量准确性。3)本实用新型利用粉体颗粒自然荷电特性，属于被动式测量方法，与现有循环流化床锅炉内颗粒速度测量方法相比具有明显的优势。光纤探头法用于较高颗粒浓度条件下颗粒速度测量，需要有外部光源激励，系统相对较为复杂，本实用新型与光纤探头法相比， 无需外部光源激励，测量不受颗粒浓度的限制，系统结构简单。冲击力法测量元件对床内固体颗粒流动产生较大的干扰作用，本实用新型所用探头尺寸可设计较�。粤鞒〉母扇乓簿透�。等速采样法只适用于高颗粒浓度条件下的颗粒速度测量，测量范围要比本实用新型的小得多。多普勒颗粒速度测量是利用颗粒的移动导致散射光产生频移测量颗粒速度， 具有简单、可靠等特点，在流体实验研究领域得到了广泛的应用，但是多普勒速度测量系统设备昂贵，且仅适用于稀相悬浮流动条件，本实用新型与多普勒法相比，无需外部激励源， 测量探头结构更为简单，测量系统设备成本低，且测量范围不局限于稀相悬浮流动。PIV技术可实现完整的颗粒流动速度分布测量，但结果分析耗时，仅适用于实验室研究，高浓度时无法测量，不适合工业现场应用，本实用新型与PIV技术相比，可以实现颗粒流动速度分布测量，且信号处理方便快捷，测量不受颗粒浓度限制。
图1是流化床内局部颗粒速度的静电感应测量装置示意图，其中，1-测量探针； 2-前置电荷差分放大电路；3-数据采集卡；4-计算机。图2是本实用新型静电感应电极阵列测量探针结构简图，(a)是横截面结构图， (b)是纵截面剖视图，其中，5-第一静电感应电极阵列；6-第二静电感应电极阵列；7-第一静电感应电极阵列导线；8-第二静电感应电极阵列导线；9-绝缘隔离块；10-金属屏蔽管。图3是静电感应电极阵列前置电荷差分放大电路图，其中，11-第一输入端；12-第二输入端；13-信号输出端。
具体实施方式
一种流化床内局部颗粒速度的静电感应测量装置，包括测量探针1、前置电荷差分放大电路2、数据采集卡3及计算机4，测量探针1的两电极阵列导线分别与前置差分放大电路2的两输入端连接，前置电荷差分放大电路2的输出端与数据采集卡3输入端连接， 数据采集卡3的输出端与计算机4的输入端连接并由计算机4对数据采集卡3的输出信号进行频谱分析并确定频谱上的峰值频率，进而计算获得气固两相流颗粒局部速度，所述测量探针1包括金属屏蔽管10，在金属屏蔽管10的一端填充绝缘隔离材料以形成的绝缘隔离块9，在绝缘隔离块9内部设有的第一静电感应电极阵列5及第二静电感应电极阵列6， 所述第一静电感应电极阵列5至少包括第11电极、第12电极、第13电极、第14电极、第15 电极，并且第一静电感应电极阵列5中相邻的电极之间的径向间距ρ相等，第一静电感应电极阵列5中的各个电极由第一静电感应电极阵列导线7连接，所述第二静电感应电极阵列6 至少包括第21电极、第22电极、第23电极、第M电极、第25电极，第二静电感应电极阵列 6中的各个电极由第二静电感应电极阵列导线8连接，所述第一静电感应电极阵列5中的各个电极以及所述第二静电感应电极阵列6的各个电极位于同一平面内且相互平行，第21电极设在第11电极与第12电极之间且第21电极至第11电极之间的径向距离等于第21电极至第12电极之间的径向距离，第22电极设在第12电极与第13电极之间且第22电极至第12电极之间的径向距离等于第22电极至第13电极之间的径向距离，第23电极设在第 13电极与第14电极之间且第23电极至第13电极之间的径向距离等于第23电极至第14 电极之间的径向距离，第M电极设在第14电极与第15电极之间且第M电极至第14电极之间的径向距离等于第M电极至第15电极之间的径向距离，第25电极与第15电极之间的距离为第一静电感应电极阵列5中相邻的电极之间的径向间距ρ的二分之一。本实用新型是基于流化床内局部颗粒速度的静电感应测量方法来设计测量装置的1)两组具有相同结构和尺度的静电感应电极阵列安装在金属屏蔽管10内部，产生两组反映气固两相流流动信息的静电感应信号，两组信号分别接入前置电荷差分放大电路2的两输入端进行差分放大后，由数据采集卡3送入计算机4。2)对采集到的差分静电信号e (η)进行傅里叶变换处理得到，然后再取其幅值的平方，并除以静电信号离散数据点数长度N，作为序列e (η)的功率谱P(k)的估计，则母)=去酬2(1)其中，η为时域差分静电信号离散点，k为频域离散点。3)根据步骤2)得到的功率谱特性函数的峰值位置确定尖峰频率值&，公式如下f0 = K · F (2)其中，K为功率谱函数峰值对应位置的离散点数；F为功率谱分析的频率分辨率。4)根据功率谱尖峰频率值&和线性静电感应电极阵列电极间隔P，确定管道内气固两相流颗粒流动局部速度vm，计算公式如下vm = k0 · ρ · fο(3)k0为速度无量纲校正系数，由实验标定确定。在实际粉体颗粒输送条件下，利用相位多普勒测速仪(PDA)对静电感应速度测量进行对比标定。具体的标定过程如下相位多普勒测速仪与静电感应速度测量同步测量，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15对数据。以静电感应法速度测量系统测量的颗粒速度为横坐标(X)，PDA测得的颗粒速度为纵坐标(y)。将相关系数大于0. 85的数据对定义为有效数据点，有效测点的数量m应在10个以上。运用一元线性回归，给出标定曲线，进而获得标定系数1
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xj因此由式(3)可见获得了差分静电信号功率谱特性的尖峰频率值&，即可计算出颗粒局部速度vm。参照图1、图2和图3所示，用于流化床内局部颗粒速度的静电感应测量装置主要包括测量探针1、前置电荷差分放大电路2、数据采集卡3和计算机4。探针内第一静电感应电极阵列5和第二静电感应电极阵列6的输出信号，通过导线分别与前置电荷差分放大电路2的两输入端相连，经差分放大后，通过数据采集卡3与计算机4相连接相连。在计算机4内由自行编制的数据采集与处理软件包，将差分静电信号进行预处理后，进行分析与处理，获得颗粒的流动局部速度的测量值。测量装置中所用线性静电感应电极阵列测量探针1，在金属屏蔽管10的内部安装结构相同的第一静电感应电极阵列5和第二静电感应电极阵列6，并且两阵列的电极按间距为P/2的相对位置进行交叉布置，并且以上所述电极均处于同一平面内。由于两个线性静电感应电极阵列的相对位置为各自电极间距P的一半，带电颗粒经过两个线性静电感应电极阵列时，产生相位差为η的两个输出信号。第一静电感应电极阵列5和第二静电感应电极阵列6分别通过第一静电感应电极阵列导线7和第二静电感应电极阵列导线8与前置电荷差分放大电路2的第一输入端11和第二输入端12相连，经差分放大后，窄带周期性信号成分得以保留，而基频直流部分被剔除。线性静电感应电极阵列由q个结构和尺寸相同的金属电极构成，q个电极在颗粒流动方向上以相同电极间隔P沿金属屏蔽管径向均勻平行布置于绝缘隔离块9内部，并通过导线连为一体。电极的数目q—般取5-10个。电极的间隔P取决于所需获得管道内局部速度的区域的大小。线性静电感应电极阵列前置电荷差分放大电路2的连接方式为第一电容C1 一端和第一电阻R1 —端与第一运算放大器A1的反向输入端相连接，第一电容C1另一端、第一电阻R1另一端和第三电阻民一端与第一运算放大器A1的输出端相连接，第二电容C2 —端和第二电阻& 一端与第二运算放大器A2的反向输入端相连接，第二电容C2另一端、第二电阻 &另一端和第四电阻R4—端与第二运算放大器4的输出端相连接，第一运算放大器A1的正向输入端和第二运算放大器A2的正向输入端接地，第三电阻民另一端和第五电阻&一端与第三运算放大器^的反向输入端相连接，第五电阻&另一端与第三运算放大器A3的输出端相连接，第四电阻R4另一端和第六电阻& 一端与第三运算放大器A3的正向输入端相连接， 第六电阻&另一端接地。前置电荷差分放大电路2的输出端通过数据采集卡PCI9112(凌华科技生产)与计算机4相连接。该放大电路采用三个放大器组成差动放大电路，具有输入阻抗高、共模抑制比高、失调电压低、漂移小、放大倍数稳定和输出阻抗低等优点。静电感应电极阵列输出的感应电荷信号是一种低频的微弱信号，因此有必要采取抗干扰措施1) 元器件的选择微弱信号检测的首要问题就是尽量降低放大器本身的噪声。本电路中第一运算放大器和第二运算放大器采用的是高输入阻抗放大器0PA128，频率范围在ΙΟΗζ-ΙΟΚΗζ 时，等效噪声的电压值为2.4μν;在0. 1Ηζ-20ΚΗζ时，iN = 0. 12fA/(Hz)1气第三运算放大器0P07是一种高精度的仪用放大器，eN和iN的值均较小。电路中电阻均采用低噪声的金属膜电阻，精度为1%，功率为1/2(W)。信号线上的电容均采用渡银云母电容，以降低电路中的噪声。2)金属屏蔽抗干扰采用接地金属屏蔽盒可以消除电磁干扰，防止电路元件受到湿度、光线的照射，造成电路元件的性能参数的变化。此外，必须避免振动造成元器件变形或电路连接线发生移动带来的影响。本实用新型的原理如下仪器的工作过程是首先针对实际应用流化床，在粉体颗粒流动条件下，利用相位多普勒测速仪(PDA)对静电感应速度测量进行对比标定，获得无量纲标定系数1 ;应用静电感应装置速度测量时，由静电感应电极阵列及计算机数据采集系统对气固两相流颗粒静电噪声进行数据采集，通过傅里叶变换计算差分静电信号的功率谱密度函数，之后即在功率谱特性曲线的趋势项上读出尖峰频率值4，进而根据Vm = h · ρ · &，计算获得气固两相流局部颗粒的速度。
权利要求1. 一种流化床内局部颗粒速度的静电感应测量装置，包括测量探针(1)、前置电荷差分放大电路O)、数据采集卡(3)及计算机G)，测量探针(1)的两电极阵列导线分别与前置差分放大电路O)的两输入端连接，前置电荷差分放大电路(2)的输出端与数据采集卡 ⑶输入端连接，数据采集卡⑶的输出端与计算机⑷的输入端连接并由计算机⑷对数据采集卡(3)的输出信号进行频谱分析并确定频谱上的峰值频率，进而计算获得气固两相流颗粒局部速度，其特征在于，所述测量探针(1)包括金属屏蔽管(10)，在金属屏蔽管 (10)的一端填充绝缘隔离材料以形成的绝缘隔离块(9)，在绝缘隔离块(9)内部设有的第一静电感应电极阵列(5)及第二静电感应电极阵列(6)，所述第一静电感应电极阵列(5) 至少包括第11电极、第12电极、第13电极、第14电极、第15电极，并且第一静电感应电极阵列(5)中相邻的电极之间的径向间距ρ相等，第一静电感应电极阵列(5)中的各个电极由第一静电感应电极阵列导线(7)连接，所述第二静电感应电极阵列(6)至少包括第21电极、第22电极、第23电极、第M电极、第25电极，第二静电感应电极阵列(6)中的各个电极由第二静电感应电极阵列导线⑶连接，所述第一静电感应电极阵列(5)中的各个电极以及所述第二静电感应电极阵列(6)的各个电极位于同一平面内且相互平行，第21电极设在第11电极与第12电极之间且第21电极至第11电极之间的径向距离等于第21电极至第12电极之间的径向距离，第22电极设在第12电极与第13电极之间且第22电极至第12 电极之间的径向距离等于第22电极至第13电极之间的径向距离，第23电极设在第13电极与第14电极之间且第23电极至第13电极之间的径向距离等于第23电极至第14电极之间的径向距离，第M电极设在第14电极与第15电极之间且第M电极至第14电极之间的径向距离等于第M电极至第15电极之间的径向距离，第25电极与第15电极之间的距离为第一静电感应电极阵列(5)中相邻的电极之间的径向间距ρ的二分之一。
专利摘要一种流化床内部颗粒速度的静电感应测量装置包括测量探针、前置电荷差分放大电路、数据采集卡及计算机，测量探针的两电极阵列导线分别与前置差分放大电路的两输入端连接，前置电荷差分放大电路的两个输入端分别与测量探头内的第一静电传感器电极阵列及第二静电传感器电极阵列相连接，前置电荷差分放大电路的输出端与数据采集卡输入端连接，数据采集卡的输出端与计算机相连接并由计算机对数据采集卡的输出信号进行频谱分析并确定频谱上的峰值频率，进而计算获得流化床内局部颗粒速度。测量探针包括金属屏蔽管，在金属屏蔽管一端设置的绝缘隔离块，在绝缘隔离块内均匀平行布置多个电极以构成的第一静电感应电极阵列和第二静电感应电极阵列。
文档编号G01P5/08GK201955349SQ20102050810
公开日2011年8月31日 申请日期2010年8月27日 优先权日2010年8月27日
发明者付飞飞, 宋飞虎, 李健, 王式民, 许传龙, 高鹤明 申请人:东南大学
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