陣列式環形靜電傳感器、氣力輸送粉體測量裝置及方法
2023-08-01 08:00:21 1
陣列式環形靜電傳感器、氣力輸送粉體測量裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種陣列式環形靜電傳感器、氣力輸送粉體測量裝置及方法，所述陣列式環形靜電傳感器，包括金屬管狀主體，所述金屬管狀主體的內周面上順次並排繞設有至少一組第一金屬電極和至少一組第二金屬電極，所述第一金屬電極及所述第二金屬電極為環狀，且第一金屬電極的軸向寬度小於所述第二金屬電極的軸向寬度。本發明還涉及基於所述傳感器的氣力輸送粉體測量裝置及方法。本發明的方法可以在不幹擾粉體流動的情況下對其主要運動參數進行實時監測，可測範圍寬、傳感器壽命長、安裝維護方便，可廣泛用於含有氣力輸送粉體的工業生產過程中。
【專利說明】陣列式環形靜電傳感器、氣力輸送粉體測量裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及工業氣力輸送粉體測試【技術領域】，特別涉及一種陣列式環形靜電傳感器、氣力輸送粉體測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002]氣力輸送粉體廣泛存在於火力發電、冶金、食品加工、水泥和化工等行業中。粉體運動參數的準確連續在線測量對保證生產安全和提高生產效率具有重要的意義。粉體在氣流中運動的高度複雜性和工業生產現場的惡劣條件使得基於電容、光學、電磁波、放射、熱傳導和聲學等技術的測量方法無法在工業環境中長時間、可靠的、穩定的運行。
[0003]靜電技術由於其工作性能穩定、造價低廉、結構簡單和安裝維護容易等特點，具有廣闊的工業應用前景。已有的靜電式氣力輸送粉體測量方法通常使用棒狀、弧狀和環狀電極作為信號感應元件。棒狀電極由於侵入流體而引起的磨損、幹擾粉體流動和安全等方面的問題限制了其在工業中的應用。相對於弧形電極，環形電極在敏感度、測量範圍、可靠性和穩定性等方面具有優勢。但是，由於粉體運動的複雜性，傳統的單個或者雙環形電極系統在工業應用時經常出現測量錯誤導致儀表失效，可靠性不高。
[0004]為了克服現有氣力輸送粉體流動參數測量方法存在的不足，本發明提出一種全新的基於環形靜電傳感器陣列的氣力輸送粉體測量方法。本發明所包含的環形靜電傳感器陣列與先進的嵌入式電路和優化的多路信號相關及多數據融合算法相結合，可以實現對粉體瞬時速度和流量的連續在線測量。本發明具有測量範圍寬、測量準確度高、結構簡單、安裝方便、工作可靠性高和極低維護需求等優點，適用於氣力輸送設備內粉體流動參數的日常監測，並可以為在線調整生產參數和優化生產工藝提供可靠的科學依據。
【發明內容】
[0005]在下文中給出關於本發明的簡要概述，以便提供關於本發明的某些方面的基本理解。應當理解，這個概述並不是關於本發明的窮舉性概述。它並不是意圖確定本發明的關鍵或重要部分，也不是意圖限定本發明的範圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍後論述的更詳細描述的前序。
[0006]本發明的目的在於提供一種陣列式環形靜電傳感器、氣力輸送粉體測量裝置及方法。
[0007]第一方面，本發明涉及一種陣列式環形靜電傳感器，包括金屬管狀主體，所述金屬管狀主體的內周面上順次並排繞設有至少一組第一金屬電極和至少一組第二金屬電極，所述第一金屬電極及所述第二金屬電極為環狀，且第一金屬電極的軸向寬度小於所述第二金屬電極的軸向寬度。
[0008]第二方面，本發明涉及一種基於陣列式環形靜電傳感器的氣力輸送粉體測量裝置，包括:
[0009]多個前述的陣列式環形靜電傳感器，用於獲取粉體流動引起的靜電信號；
[0010]嵌入式信號處理模塊，用於接收處理陣列式環形靜電傳感器獲取的靜電信號，以獲得靜電數位訊號，並根據所述靜電數位訊號獲得所述粉體的流動速度信息和流量信息；所述處理為將靜電信號經過電流/電壓轉換、放大和濾波環節後進行模擬/數位訊號轉換；
[0011]多數據融合模塊，用於獲取多組粉體流動速度信息和流量信息，並對多組流動速度信息和流量信息進行篩選和加權平均，並根據所述粉體流動速度和流量的歷史測量數據進行置信判斷，消除系統和測量誤差，再通過數據滑動平均處理獲得粉體流動速度和流量的融合結果；
[0012]中心分析模塊，用於接收所述多數據融合模塊獲得的融合結果，對所述融合結果進行綜合分析、實時顯示和記錄數據，實時配置所述嵌入式信號處理模塊的工作參數。
[0013]第三方面，本發明還涉及一種基於陣列式環形靜電傳感器的氣力輸送粉體測量方法，主要包括如下步驟:
[0014]步驟1、多個前述的陣列式環形靜電傳感器，獲取粉體流動引起的靜電信號；
[0015]步驟2、嵌入式信號處理模塊接收陣列式環形靜電傳感器獲取的靜電信號，以獲得靜電數位訊號，並根據所述靜電數位訊號獲得所述粉體的流動速度信息和流量信息；所述處理為將靜電信號經過電流/電壓轉換、放大和濾波環節後進行模擬/數位訊號轉換；
[0016]步驟3、多數據融合模塊接收所述嵌入式信號處理模塊獲得的粉體流動速度和流量信息，並對多組流動速度信息和流量信息進行篩選和加權平均，並根據所述粉體流動速度和流量的歷史測量數據進行置信判斷，消除系統和測量誤差，再通過數據滑動平均處理獲得粉體流動速度和流量的融合結果；
[0017]步驟4，所述多數據融合模塊獲得的數據被所述中心分析模塊接收，所述中心分析模塊對數據進行綜合分析、實時顯示和記錄數據，實時配置所述嵌入式信號處理模塊的工作參數；所述中心分析模塊獲得的測量數據被監控系統模塊接收，進而能夠實現粉體流動情況的實時監視或調節控制。
[0018]本發明具有如下的有益效果:
[0019]本發明的裝置能夠實時監測工業生產中粉體在氣力輸送設備中的速度和流量信息；
[0020]本發明通過環形靜電傳感器陣列、嵌入式信號處理模塊和中心分析模塊等實現，其中環形靜電傳感器陣列測量帶電粉體的波動信息，嵌入式信號處理模塊對測量信號進行調理並進行多路信號相關運算和多數據融合，從而得出粉體的速度和流量等參數，測量結果通過現場總線傳送到中心分析模塊進行顯示、記錄，並實現與監控系統的通訊；
[0021]本發明的方法可以在不幹擾粉體流動的情況下對其主要運動參數進行實時監測，可測範圍寬、傳感器壽命長、安裝維護方便，可廣泛用於含有氣力輸送粉體的工業生產中；
[0022]本發明的測量裝置可以準確、連續在線監測粉體在整個氣力輸送設備截面的速度和流量；
[0023]本發明採用多個傳感器探頭即可實現多個分散氣力輸送設備中粉體流動參數的對比測量，尤其適用於需要平衡粉體在多個氣力輸送設備中流動參數的工況，具有實施簡單、投資少、安全可靠等優勢。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]參照下面結合附圖對本發明實施例的說明，會更加容易地理解本發明的以上和其它目的、特點和優點。附圖中的部件只是為了示出本發明的原理。在附圖中，相同的或類似的技術特徵或部件將採用相同或類似的附圖標記來表示。
[0025]圖1是本發明實施例提供的氣力輸送粉體測量裝置的結構；
[0026]圖2為本發明實施例提供的陣列式環形靜電傳感器的結構示意圖；
[0027]圖3為圖2所示傳感器及安裝法蘭的A-A剖面示意圖。
[0028]附圖標記說明:第一金屬電極1、金屬管狀主體2、第二金屬電極3、屏蔽電纜4、多數據融合模塊5、現場總線6、中心分析模塊7、監控系統模塊8、嵌入式信號處理模塊9、金屬接線柱10、電極絕緣層11、接線柱絕緣層12、金屬屏蔽罩13、法蘭14。
【具體實施方式】
[0029]下面參照附圖來說明本發明的實施例。在本發明的一個附圖或一種實施方式中描述的元素和特徵可以與一個或更多個其它附圖或實施方式中示出的元素和特徵相結合。應當注意，為了清楚的目的，附圖和說明中省略了與本發明無關的、本領域普通技術人員已知的部件和處理的表示和描述。
[0030]實施例1
[0031]圖2為本發明實施例提供的陣列式環形靜電傳感器的結構示意圖；圖3為圖2所示傳感器及安裝法蘭的A-A剖面示意圖。由圖2和圖3可知:
[0032]本實施例提供的陣列式環形靜電傳感器，包括金屬管狀主體2，所述金屬管狀主體2的內周面上順次並排繞設有至少一組第一金屬電極I和至少一組第二金屬電極3，所述第一金屬電極I及所述第二金屬電極3為環狀,且第一金屬電極I的軸向寬度小於所述第二金屬電極3的軸向寬度。所述第二金屬電極用於粉體流量測量，第一金屬電極用於粉體流速測量，並起到輔助流量測量的作用。所述第一金屬電極軸向敏感區域窄，利於精確測量粉體流動速度，所述第二金屬電極軸向敏感區域大，利於精確測量粉體濃度。
[0033]作為優選地，所述金屬管狀主體2的內周面上順次並排等間距繞設有至少3個所述第一金屬電極1，獲得多路信號用於數據融合。
[0034]作為優選地，相鄰所述第一金屬I電極之間的距離為10_50mm，以實現不同流速條件下對粉體速度的準確測量。
[0035]作為優選地，所述金屬管狀主體2的內周面上設有至少I個所述第二金屬電極3，以滿足傳感器安裝的空間限制。
[0036]作為優選地，所述金屬管狀主體的內周面上順次並排等間距繞設有至少2個所述第二金屬電極，相鄰電極之間的軸向間距為10-50mm，以避免所述第二金屬電極敏感場之間的相互幹擾，保證粉體濃度的測量精度。
[0037]作為優選地，所述第一金屬電極I及所述第二金屬電極3的徑向厚度為1-10_，以保證電極的測量敏感度和耐壓強度；所述第一金屬電極I的軸向寬度為2-10mm，以實現粉體流速的準確測量；所述第二金屬電極3的軸向寬度為lO-lOOmm，以保證足夠的敏感空間和合適的空間濾波效應；所述厚度為徑向厚度，所述徑向為垂直於流體運動方向；所述寬度為軸向寬度，所述軸向為平行於流體運動方向。
[0038]作為優選地，所述第一金屬電極I和所述第二金屬電極3與金屬管狀主體2之間有絕緣層，以保證第一金屬電極I和所述第二金屬電極3與其他部件的電氣隔離屬性；所述金屬管狀主體2與金屬屏蔽罩13接地構成對所述第一金屬電極和所述第二金屬電極的屏蔽空間，以避免外界信號的幹擾。
[0039]作為優選地，相鄰的所述一組第一金屬電極I和所述一組第二金屬電極3之間的距離為20-150mm，以保證第一金屬電極I和所述第二金屬電極3之間的敏感區域無重合部分。
[0040]作為優選地，所述管狀主體2的兩端均固定連接有法蘭14，以實現與氣力輸送設備的連接和滿足工業儀表安裝規範。
[0041]作為優選地，所述陣列式環形靜電傳感器所包含的電極陣列由第一金屬電極I和第二金屬電極3組成，其中電極陣列由3個等間距排列的軸向寬度為5毫米的第一金屬電極I和I個軸向寬度為20mm的第二金屬電極3組成,其徑向厚度均為5mm ;第二金屬電極3與相鄰第一金屬電極I的距離為25mm。所述陣列式環形靜電傳感器的管狀主體與其中的電極陣列，構成傳感器探頭，靜電信號通過與第一金屬電極I和一個第二金屬電極3直接相連的金屬接線柱10引出。第一金屬電極I和I個第二金屬電極3與傳感器探頭之間通過電極絕緣層11進行電氣絕緣。金屬接線柱10與傳感器探頭之間通過接線柱絕緣層12進行電氣絕緣，並通過金屬屏蔽罩13屏蔽外界電磁幹擾；傳感器探頭的金屬部分和嵌入式數位訊號處理模塊互相連通。
[0042]實施例2
[0043]本實施例提供一種基於陣列式環形靜電傳感器的氣力輸送粉體測量裝置。圖1為本發明實施例提供的氣力輸送粉體測量裝置的結構示意圖。由圖1可知，本實施例涉及的基於陣列式環形靜電傳感器的氣力輸送粉體測量裝置，包括陣列式環形靜電傳感器、嵌入式信號處理模塊、多數據融合模塊和中心分析模塊:
[0044]多個前述的陣列式環形靜電傳感器，用於獲取粉體流動引起的靜電信號；
[0045]嵌入式信號處理模塊，用於接收處理陣列式環形靜電傳感器獲取的靜電信號，以獲得靜電數位訊號，並根據所述靜電數位訊號獲得所述粉體的流動速度信息和流量信息；所述處理為將靜電信號經過電流/電壓轉換(靜電信號經過電阻轉換為電壓信號)、放大和濾波環節後進行模擬/數位訊號轉換；同時使用嵌入式微處理器處理得出粉體流動速度和流量信息；
[0046]多數據融合模塊，用於獲取多組粉體流動速度信息和流量信息，並對多組流動速度信息和流量信息進行篩選和加權平均，並根據所述粉體流動速度和流量的歷史測量數據進行置信判斷，使用卡爾曼濾波法消除系統和測量誤差，再通過滑動平均處理獲得粉體流動速度和流量的融合結果；
[0047]中心分析模塊，用於接收所述多數據融合模塊獲得的融合結果，對所述融合結果進行綜合分析、實時顯示和記錄數據，實時配置所述嵌入式信號處理模塊的工作參數。
[0048]其中，所述陣列式環形靜電傳感器的金屬管狀主體與其中的電極陣列，構成傳感器探頭，所述傳感器探頭嵌入氣力輸送設備；嵌入式信號處理模塊9與傳感器探頭通過屏蔽電纜4相連接，並通過多數據融合模塊5輸出粉體流動數據；中心分析模塊7通過現場總線6接收粉體流動數據，並對數據進行處理，同時根據現場工況對嵌入式信號處理模塊9進行實時的優化配置；監控系統模塊8接收中心分析模塊7發送的粉體流動實時數據，實現測量。
[0049]陣列式環形靜電傳感器通過法蘭14與氣力輸送管道進行連接，其內徑與所嵌入的氣力輸送管道內徑一致，主體為金屬材料；陣列式環形靜電傳感器所包含的環形金屬電極陣列內外徑尺寸相同，並沿粉體運動的垂直方向平行排列；金屬電極陣列與傳感器探頭的其它部分通過絕緣材料實現電氣隔離，同時採用金屬屏蔽罩13隔離外界電磁幹擾；其輸出信號由與其直接相連的金屬接線柱10引出，並通過屏蔽電纜連接到嵌入式信號處理模塊9 ;優選地，所述陣列式環形靜電傳感器的金屬部分和嵌入式數位訊號處理模塊9互相連通。
[0050]實施例3
[0051]本實施例提供一種基於環形靜電傳感器的氣力輸送粉體測量方法，主要包括如下步驟:
[0052]步驟1、多個前述的陣列式環形靜電傳感器，用於獲取粉體流動引起的靜電信號；
[0053]步驟2、嵌入式信號處理模塊接收陣列式環形靜電傳感器獲取的靜電信號，以獲得靜電數位訊號，並根據所述靜電數位訊號獲得所述粉體的流動速度信息和流量信息；所述處理為將靜電信號經過電流/電壓轉換(靜電信號經過電阻轉換為電壓信號)、放大和濾波環節後進行模擬/數位訊號轉換；同時使用嵌入式微處理器處理得出粉體流動速度和流量信息；
[0054]步驟3、多數據融合模塊接收所述嵌入式信號處理模塊獲得的粉體流動速度和流量信息，並對多組流動速度信息和流量信息進行篩選和加權平均，並根據所述粉體流動速度和流量的歷史測量數據進行置信判斷，使用卡爾曼濾波法消除系統和測量誤差，再通過滑動平均處理獲得粉體流動速度和流量的融合結果；
[0055]步驟4，所述多數據融合模塊獲得的數據被所述中心分析模塊接收，所述中心分析模塊對數據進行綜合分析、實時顯示和記錄數據，實時配置所述嵌入式信號處理模塊的工作參數；所述中心分析模塊獲得的測量數據被監控系統模塊接收，進而能夠實現粉體流動情況的實時監視或調節控制。
[0056]具體而言，嵌入式信號處理模塊9接收屏蔽電纜4導入的靜電信號，經過電流/電壓轉換、放大和濾波環節後進行模擬/數位訊號轉換；
[0057]使用嵌入式微處理器通過信號互相關算法得到粉體流動速度，通過靜電信號的均方根值計算出粉體流量信息；
[0058]多數據融合模塊5通過對嵌入式信號處理模塊9輸出的粉體流動速度和流量的多個計算值進行置信分布判斷、可信度篩選、加權平均、卡爾曼濾波等處理獲得粉體流動速度和流量的融合結果；
[0059]在使用標準CAN總線通訊協議的情況下，中心分析模塊7可以接收I至255個傳感器探頭的測量結果，實現對所有測量結果進行綜合分析、實時顯示和數據記錄；所述綜合分析包括進行超限判斷、平滑處理、異常值剔除分析。所述中心分析模塊7通過CAN總線通訊協議將工作參數傳送至嵌入式信號處理模塊9，實時配置與各個傳感器探頭相連接的嵌入式信號處理模塊9的工作參數，並將測量數據傳輸到生產現場的監控系統模塊8，能夠實現粉體流動情況的實時監視或調節控制；
[0060]中心分析模塊7與嵌入式信號處理模塊9和監控系統模塊8之間的通訊可以由硬接線、Ethernet，OPC, Modbus, CAN, TCP/RTU, RS485 等多種通訊協議實現。
[0061]本發明的裝置能夠實時監測工業生產中粉體在氣力輸送設備中的速度和流量信息，本發明通過環形靜電傳感器陣列、嵌入式信號處理模塊和中心分析模塊等實現，其中環形靜電傳感器陣列測量帶電粉體的波動信息，嵌入式信號處理模塊對測量信號進行調理並進行多路信號相關運算和多數據融合，從而得出粉體的速度和流量等參數，測量結果通過現場總線傳送到中心分析模塊進行顯示、記錄，並實現與集控室的通訊。本發明的方法可以在不幹擾粉體流動的情況下對其主要運動參數進行實時監測，可測範圍寬、傳感器壽命長、安裝維護方便，可廣泛用於含有氣力輸送粉體的工業生產中。本發明若採用多個傳感器探頭即可實現多個分散氣力輸送設備中粉體流動參數的對比測量，尤其適用於需要平衡粉體在多個氣力輸送設備中流動參數的工況，具有實施簡單、投資少、安全可靠等優勢。
[0062]最後應說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。
【權利要求】
1.一種陣列式環形靜電傳感器，包括金屬管狀主體，所述金屬管狀主體的內周面上順次並排繞設有至少一組第一金屬電極和至少一組第二金屬電極，其特徵在於，所述第一金屬電極及所述第二金屬電極為環狀，且第一金屬電極的軸向寬度小於所述第二金屬電極的軸向寬度。
2.根據權利要求1所述的陣列式環形靜電傳感器，其特徵在於，所述金屬管狀主體的內周面上順次並排等間距繞設有至少3個所述第一金屬電極，獲得多路信號用於數據融入口 ο
3.根據權利要求2所述的陣列式環形靜電傳感器，其特徵在於，相鄰所述第一金屬電極之間的軸向間距為10-50mm。
4.根據權利要求1所述的陣列式環形靜電傳感器，其特徵在於，所述金屬管狀主體的內周面上設有至少I個所述第二金屬電極。
5.根據權利要求1所述的陣列式環形靜電傳感器，其特徵在於，當所述金屬管狀主體的內周面上順次並排等間距繞設有至少2個所述第二金屬電極時，相鄰電極之間的軸向間距為 10-50mm。
6.根據權利要求1-5任一項所述的陣列式環形靜電傳感器，其特徵在於，所述第一金屬電極及所述第二金屬電極的徑向厚度為1-1Omm ;所述第一金屬電極的軸向寬度為2-10mm ;所述第二金屬電極的軸向寬度為10-100mm。
7.根據權利要求1-5任一項所述的陣列式環形靜電傳感器，其特徵在於，所述第一金屬電極和所述第二金屬電極與金屬管狀主體之間有絕緣層；所述金屬管狀主體與金屬屏蔽罩接地構成對所述第一金屬電極和所述第二金屬電極的屏蔽空間。
8.根據權利要求1-5任一項所述的陣列式環形靜電傳感器，其特徵在於，相鄰的所述第一金屬電極和所述第二金屬電極之間的距離為20_150mm。
9.一種基於陣列式環形靜電傳感器的氣力輸送粉體測量裝置，其特徵在於，包括: 多個權利要求1-8任一項所述的陣列式環形靜電傳感器，用於獲取粉體流動引起的靜電信號； 嵌入式信號處理模塊，用於接收處理陣列式環形靜電傳感器獲取的靜電信號，以獲得靜電數位訊號，並根據所述靜電數位訊號獲得所述粉體的流動速度信息和流量信息；所述處理為將靜電信號經過電流/電壓轉換、放大和濾波環節後進行模擬/數位訊號轉換； 多數據融合模塊，用於獲取多組粉體流動速度信息和流量信息，並對多組流動速度信息和流量信息進行篩選和加權平均，並根據所述粉體流動速度和流量的歷史測量數據進行置信判斷，消除系統和測量誤差，再通過數據滑動平均處理獲得粉體流動速度和流量的融合結果； 中心分析模塊，用於接收所述多數據融合模塊獲得的融合結果，對所述融合結果進行綜合分析、實時顯示和記錄數據，實時配置所述嵌入式信號處理模塊的工作參數。
10.一種基於陣列式環形靜電傳感器的氣力輸送粉體測量方法，其特徵在於，主要包括如下步驟: 步驟1、多個權利要求1-8任一項所述的陣列式環形靜電傳感器獲取粉體流動引起的靜電信號； 步驟2、嵌入式信號處理模塊接收陣列式環形靜電傳感器獲取的靜電信號，以獲得靜電數位訊號，並根據所述靜電數位訊號獲得所述粉體的流動速度信息和流量信息；所述處理為將靜電信號經過電流/電壓轉換、放大和濾波環節後進行模擬/數位訊號轉換； 步驟3、多數據融合模塊接收所述嵌入式信號處理模塊獲得的粉體流動速度和流量信息，並對多組流動速度信息和流量信息進行篩選和加權平均，並根據所述粉體流動速度和流量的歷史測量數據進行置信判斷，消除系統和測量誤差，再通過數據滑動平均處理獲得粉體流動速度和流量的融合結果； 步驟4，所述多數據融合模塊獲得的數據被所述中心分析模塊接收，所述中心分析模塊對數據進行綜合分析、實時顯示和記錄數據，實時配置所述嵌入式信號處理模塊的工作參數；所述中心分析模塊獲得的測量數據被監控系統模塊接收，進而能夠實現粉體流動情況的實時監視或調節控制。
【文檔編號】G01D21/02GK104316779SQ201410637612
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月5日 優先權日:2014年11月5日
【發明者】錢相臣, 黃孝彬, 胡永輝, 閆勇 申請人:北京華清茵藍科技有限公司