旋流濃集的稀疏氣固兩相流電容層析成像測量方法及裝置的製作方法

2023-07-21 04:36:26

專利名稱：旋流濃集的稀疏氣固兩相流電容層析成像測量方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於氣固兩相流測量技術，具體的說是涉及將稀疏氣固兩相流經旋流
濃集後使用電容層析成像(Electrical capacitance tomography, ECT)進行測 量的一種旋流濃集的稀疏氣固兩相流電容層析成像測量方法及裝置。
背景技術：
氣固兩相流是物質轉換、能源利用和環境保護過程中的重要操作方式之一， 在電力、冶金、化工、食品等工業部門中，廣泛應用管道氣力輸送技術來輸送煤 粉、礦石、塑料顆粒、鹽類以及麵粉等，這些都屬於氣固兩相流的範疇。在這當 屮，氣固兩相流質量流量測量和控制是一個急需解決又長期未能很好解決的難題。
電容層析成像技術是應用於多相流測量與控制的一種新型技術，其原理是 利用一組電極從外部環繞被測區域，利用被測區域內物質分布而導致的各電極之 問的電容關係，由測得的電容值重現被測區域內的物質分布。相比於其他測量技 術，電容層析成像技術具有很多優點價格低廉，不會對流場產生幹擾，不受固
體顆粒濃度、加k度、透明度的限制，是一種非侵入式的快速測量技術。
電容層析成像技術在實際應用存在下面兩個問題其一，兩相流動過程十分 複雜，檢測場內固相顆粒分布不均勻，流型變化快；其二，電容傳感器檢測場屬 於"軟場"，有其固有的靈敏度分布不均勻性問題，使測量結果不僅與固相濃度 有關，而且受固相分布及流型變化的影響很大，測量誤差較大。

發明內容
為了克服現有的ECT傳感器對大直徑管子敏感性弱、空間解析度差以及敏 感場分布不均勻等不足，尤其是針對稀疏氣固兩相流這種缺點更加明顯，本發明 提供一種經旋流濃集後再進行ECT測量裝置，該方法不僅可以提高ECT測量的 空間解析度，並且合理利用了ECT的敏感場特性，進而提高了測量精度。
本發明的目的是提供一種稀疏氣固兩相流經旋流濃集的電容層析成像測量裝置，將稀疏氣固兩相流通過旋流濃集裝置進入電容層析成像的測試管段，使得 固體顆粒主要集中在測試管段的內壁面，合理利用了電容層析成像技術的敏感場 特性，並且避免了電容層析成像技術直接在大管徑通道測量中敏感性弱及空間分 辨率差的問題。測量電極粘貼在測試管段上，濃度測量採用單層電容層析傳感器， 速度利用雙層傳感器間的相關技術計算得出，結合濃度和速度測量值可以求出氣 固兩相流的質量流量。
所述旋流濃集裝置，由旋風分離器、測試管段及屏蔽罩組成，旋風分離器出 口與測試管道連接，兩者管徑相同，連接旋流濃集裝置的兩端直管段，形成一個 直通道，旋流濃集裝置與屏蔽罩通過螺紋及法蘭連接在一起，將整個傳感器連成 一個整體並起到固定及保護作用。
所述電容傳感器安裝在旋流濃集裝置的測試管道上，電容傳感器主要由測量 電極、隔離電極、端屏蔽和屏蔽罩組成，可根據測量需要設為單層、雙層或三層。
所述單層電容傳感器只用於濃度測量，濃度測量傳感器電極數目在6~16個。 所述雙層電容傳感器，其中一層用於濃度測量，另外一層用於速度測量。 所述三層電容傳感器，其中一層用來進行濃度測量，另外兩層用於速度測量。 所述電容傳感器，還包括端屏蔽以及電極層間屏蔽，屏蔽線與端屏蔽和屏蔽
罩相連接地保持零電勢。
所述電容傳感器，傳感器電極、端屏蔽以及層間屏蔽採用銅材料製作。 本發明的有益效果是，稀疏氣固兩相流經旋流濃集後ECT系統的測量精度
和空間解析度相比於普通ECT系統都有很大提高，從而拓寬了 ECT技術的應用範圍。


圖1是電容層析成像旋流濃集裝置的立體示意圖。 圖2是實際氣固兩相流管道使用流程示意圖； 圖3是本發明測試管段橫截面的濃度分布圖； 圖4是本發明上層傳感器電容信號原始分布圖；圖5是本發明下層傳感器電容信號原始分布圖6是本發明下遊原始信號平移一定時間與上遊信號比較圖7是本發明上下遊電容原始信號的概率密度分布圖8是本發明分離器頂部不同抽吸風量下徑向體積分數分布圖。
具體實施例方式
在圖1中可以看到本發明的旋流濃集結構示意圖，其中(1)為旋風分離器 入口， (2)為傳感器電極，(3)為絕緣測試管段，(4)為屏蔽罩。傳感器電極為 兩層，上層用於濃度的測量，下層傳感器用來捕捉電容信號與上層電容信號進行
相關計算。電極長度沒有具體的規定，這裡電極長度為測試管段外徑的1.2倍，
電極寬度按照電極數目均分測試管段外周長，兩層電極傳感器的中心距離為測試
段管徑的1.5 2倍。為了獲得更好的成像質量，提高濃度的測量精度，上層電極 數目一般為6 16個；同時為了增強測量速度，下層電極數目一般為2 8個。
圖2是本發明測量過程示意圖，其中(5)為閥門，(6)為氣泵。在稀疏氣 固兩相流管道上相隔一定距離打兩小孔，上遊小孔與分離器入口相接，流體經旋 流濃集後進入測試管段，經上下遊傳感器測量後，由氣泵(6)補充壓頭損失將 固體顆粒經下遊小孔進入原來的管道中繼續流動，閥門(5)的開啟可以調節分 離器頂部的抽吸風量進而調解旋流濃集裝置中的濃度分布以及固體顆粒速度。
下面接合附圖進一步解釋本發明的工作原理
氣固兩相流經旋流濃集進入測試管段後，先由上遊電容傳感器測量出體積濃 度分布，圖3為採用等值線表示的斷面濃度分布。然後依據相關理論中的"凝固" 流型假設，下遊傳感器捕捉與上遊傳感器相似的信號，為了儘量不破壞流型，在 測試管段下端繼續連接一段相同管徑的通道，圖4、 5分別為上下遊電容傳感器 捕捉到的原始電容信號分布，圖6是下遊電容信號平移一定時間與上遊信號比較 圖，圖7是上下遊信號的概率密度分布圖，從圖6及圖7可以看出上下遊信號具 有很強的相似性，將兩電容原始信號進行相關分析，設上遊傳感器檢測得到的信 號為x(f)，下遊得到的信號為J(/)，經相關分析得到相關函數i^(^),該圖形峰值對應的時間、就是流體截面從上遊傳感器到下遊傳感器的流動時間，其相關計 算公式為
K乂) 4H WW +刀，7 = 0,1,2,…，M -1,M iV 一
式中X(O為上遊傳感器測得的電容信號，力'+力為下遊傳感器得到的電容 信號。/為相關取樣個數，乂為延遲時間對應的取樣個數。延遲時間對應的計算 公式為
、=,
式中A「為電容系統測量一組數據所用的時間，由電容採集系統確定。
當延遲時間^確定，上下遊傳感器幾何中心距離L已知，則可以得出流體流
動的相關速度，計算公式為 7"
m
將速度與第一層電容傳感器測量得到的固體斷面濃度結合，可以得出固體的
質量流量，計算公式如下
式中A為固體物料的密度，K(O為截面平均速度，^代表管道的橫截面面積， / ,W為上遊傳感器測得的固體顆粒截面體積分數。閥門5可以調節旋流濃集裝
置的頂部抽吸風量，圖8是三種不同大小風量的截面體積分數沿徑向的分布圖， 其中工況l，工況2，工況3的抽吸風量依次增加。
本發明上述實施例僅用來說明本發明的技術方案，其不應限定本發明的保護 範圍，若對上述實施例中技術方案做出的等效變換，均應屬於本發明保護的範圍。
權利要求
1，一種旋流濃集的稀疏氣固兩相流電容層析成像測量裝置，其特徵在於，在稀疏氣固兩相流的通道上連接旋流濃集裝置，在旋流濃集裝置的上埠連接一個控制閥門，旋流濃集裝置的下埠與控制閥門一起連接到氣泵的入口，氣泵的出口冉連接到稀疏氣固兩相流的通道上。
2. 根據權利要求1所述旋流濃集的稀疏氣固兩相流電容層析成像測量裝置， 其特徵在於，所述旋流濃集裝置，由旋風分離器、測試管段及屏蔽罩組成，測量 電極分層粘貼在測試管段上，形成多層電容傳感器，旋風分離器出口與測試管道 連接，兩者管徑相同，連接旋流濃集裝置的兩端直管段，形成一個直通道，旋流 濃集裝置與屏蔽罩通過螺栓及法蘭連接在一起，將整個傳感器連成一個整體並起 到固定及保護作用。
3. 根據權利要求2所述旋流濃集的稀疏氣固兩相流電容層析成像測量裝置， 其特徵在於，所述電容傳感器安裝在旋流濃集裝置的測試管道上，電容傳感器主 要由測量電極、隔離電極、端屏蔽和屏蔽罩組成，測量電極等間隔貼於測試管道 的外周，相鄰電極之間設置隔離電極，電極兩端設置端屏蔽， 一圓筒形屏蔽罩將 整個傳感器包圍於內，隔離電極、端屏蔽和屏蔽罩接地保持零電勢，電容傳感器 可根據測量需要設為單層、雙層或三層。
4. 根據權利要求3所述旋流濃集的稀疏氣固兩相流電容層析成像測量裝置， 其特徵在於，所述單層電容傳感器只用於濃度測量，濃度測量傳感器電極數目在 6 16個。
5. 根據權利要求3所述旋流濃集的稀疏氣固兩相流電容層析成像測量裝置， 其特徵在於，所述雙層電容傳感器，其中第一層用於濃度測量，電極數目為6 16 個，第二層用於速度測量，電極數目為2 8個，雙層電容傳感器利用相關性原理測量固體顆粒的質量流量。
6. 根據權利要求3所述旋流濃集的稀疏氣固兩相流電容層析成像測量裝置， 其特徵在於，所述三層電容傳感器，其中一層用來進行濃度測量，另外兩層用於 速度測量。
7. 根據權利要求3所述旋流濃集的稀疏氣固兩相流電容層析成像測量裝置， 其特徵在於，所述電容傳感器，還包括端屏蔽、隔離電極和屏蔽罩，端屏蔽用於 電極兩端屏蔽，隔離電極由於電極間屏蔽，屏蔽線與端屏蔽、隔離電極和屏蔽罩相連接地保持零電勢。
8. 根據權利要求3所述旋流濃集的稀疏氣固兩相流電容層析成像測量裝置， 其特徵在於，所述電容傳感器，傳感器電極、端屏蔽以及隔離電極採用銅材料製作。
9. 一種旋流濃集的稀疏氣固兩相流電容層析成像測量方法，其特徵在於，將 稀疏氣固兩相流經過旋流濃集裝置的進口進入電容層析成像的測試管段，使得固 體顆粒豐要集中在測試管段的內壁面，合理利用了電容層析成像技術的敏感場特 性，並且避免了電容層析成像技術直接在大管徑通道測量中敏感性弱及空間分辨 率差的問題，傳感器圍繞測試管段分層設置測量電極，電容層析成系統依靠傳感 器檢測區域內物質分布變化而引起的電容變化，籍以確定內部物質濃度分布；其 中，濃度測量採用單層電容層析傳感器，速度利用雙層傳感器間的相關技術計算 得出，結合濃度和速度測量值可以求出氣固兩相流的質量流量。
全文摘要
本發明公開了屬於氣固兩相流測量技術的一種旋流濃集的稀疏氣固兩相流電容層析成像測量方法及裝置。該裝置是在稀疏氣固兩相流的通道上連接旋流濃集裝置，旋流濃集裝置連接一個控制閥門和氣泵，氣泵的出口再連接到稀疏氣固兩相流的通道上。其方法是將稀疏氣固兩相流經旋流濃集後，固體顆粒將集中在壁面處，固體顆粒濃度採用單層電容傳感器測量，速度採用雙層電容傳感器測量，將兩者結合起來可以計算得出固體顆粒的質量流量。使用電容層析成像技術測量提高測量的精度。本發明提出的測量方法和傳感器，集濃度、速度和質量流量測量於一體，結構簡單，標定方便，解決了電容層析成像技術測量大直徑管道中稀疏氣固兩相流的問題，應用領域廣泛。
文檔編號G01F1/76GK101441099SQ20081024047
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月22日 優先權日2008年12月22日
發明者石 劉, 猛 孫, 李志宏, 李驚濤, 韓振興 申請人:華北電力大學