基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置，包括測試管段、一次儀表和二次儀表三大部分。濃密膏體在管道輸送中流經激磁線圈1或2時，其載流子在外加磁場中作切割磁感線運動，形成垂直于膏體流動方向的電動勢，電極將兩激磁線圈中的電動勢信號引出，進行采集、處理、分析，利用兩個測點的互相關分析法計算出兩個激磁線圈的延遲時間，兩個激磁線圈的間距與延遲時間的商即為濃密膏體的流速。本實用新型解決了工程現場濃密膏體流速測量沒有專用測量裝置與測量方法的難題，可實現流速參數的實時獲取、數據的自動化處理和存儲，還可以將數據上傳至中控計算機（或上位機）中顯示，為工程現場狀態監測、精確控制濃密膏體的流量提供條件。
【專利說明】基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種濃密膏體管道輸送領域的流量測量方法，特別是涉及一種基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置。
【背景技術】
[0002]高濃度黏稠固體廢棄物，是指工業生產及市政污水處理過程中產生的含固量高、粘度大、顆粒細的固-液兩相廢棄物或副產品，含固量一般為該行業機械固液分離后的最大值，常溫常壓下一般不具流動性，在高壓管道輸送時呈“不沉降似均質濃密膏體”，因此亦稱濃密膏體。包括煤炭行業的原生煤泥、給排水行業的脫水污泥、制造行業的工業污泥、石化行業的油渣和油泥及有色金屬行業的赤泥等，涉及二十余個與國民經濟息息相關的行業。
[0003]在設計濃密膏體管道輸送系統時，處理、處置及資源化利用濃密膏體工藝均要求能夠精確監控濃密膏體的流量。然而，至今沒有能夠用于濃密膏體現場輸送的流量計。為了解決濃密膏體流量測量問題，相關研究人員論證、試用過幾種流量計，但都沒有成功:
[0004]渦輪流量計，采用多葉片的轉子(渦輪)感受流體平均流速。由于膏體粘度大，會與葉片產生很大的摩擦力矩，且濃密膏體輸送流速低，在葉片上產生的轉動力矩較小，很難克服摩擦力矩和流體阻力使葉片產生穩定的轉動，因此該流量計難以測量濃密膏體的流量。
[0005]超聲波流量計，通過檢測流體對超聲波脈沖的作用來進行流量測量。濃密膏體流速遠小于聲速，產生的多普勒效應微弱，且多普勒流量計適合測量中值粒徑在0.3mm~
1.7_之間的兩相流，而不適合濃密膏體(如:煤泥的中值粒徑d5(l ^ 37.56 μ m,城市脫水污泥的中值粒徑d5(d50≈ 44.88 μ m)。
[0006]電磁流量計，采用法拉第電磁感應定律作為測量原理。由于濃密膏體含水率低(質量百分數23%~33%)，所以它的電導較小(約為IiT5 s/cm),而電磁流量計的原理要求被測介質的電導率不能低于iff5 S/cm, 二者較為接近，可能造成電磁流量計靈敏度不高，電信號與流速呈非線性關系。實際上，該流量計也測不準濃密膏體管道流量。
[0007]專利號為ZL 2011 I 0270135.6，授權公告日2012年10月31日的發明專利“一
種濃密膏體管道流速測量的裝置及方法”，該專利案的設計提出了一種通過人工投放示蹤磁塊，利用示蹤磁塊經過兩線圈的時間差法測量濃密膏體管道輸送中的流速、流量參數，該專利雖可測出濃密膏體的流速，但該專利目前只適用實驗室環境，而在工業現場，投放示蹤物難度較大，數據不能連續測量與實時顯示。所提供的較佳實例的示速磁塊投放裝置改進困難，因此該專利應用于濃密膏體管道輸送工程流速與流量的測量還需進一步研究。
[0008]鑒于上述現有的濃密膏體流速測量技術存在的缺陷，本發明人基于豐富的專業知識，積極研究創新，提出了基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置。經過不斷的研究、設計，并經反復試作樣品及改進后，終于創設出確具實用價值的本實用新型。
【發明內容】
[0009]本實用新型的目的在于:解決濃密膏體工業現場流量測量無專用方法及裝置的難題，提出基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置，完成工業現場濃密膏體管道流量的測量，此方法可實現管道輸送過程中流速、流量參數的實時獲取、數據的自動化處理和存儲，降低操作人員的勞動強度，具有很大工程應用價值。
[0010]本實用新型的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。依據本實用新型提出的兩個測點的互相關分析法，將上下游兩個傳感器測量的信號進行相關分析。傳感器采用廣義的霍爾原理:濃密膏體在管道輸送過程中，其載流子在外加磁場中作切割磁感線運動，由于電極安裝在管道截面垂直于磁場的直徑兩端，這樣兩電極間就會產生電荷積累，形成垂直于物料流動方向的電動勢，即為一個用于互相關分析的電信號。
[0011]本實用新型是一個機電結合的產品，包括測試管段、一次儀表和二次儀表三大部分。其中測試管段是體現測量方法的部分，一次儀表進行信號的采集、處理及轉換部分，二次儀表主要是用于數據的顯示或者將數據上傳至中控計算機中(或上位機)顯示。測試管段依次由法蘭A、激磁線圈A、激磁線圈B、測試管、外殼、鐵芯A、鐵芯B、襯里和法蘭B組成；一次儀表依次由電極A、電極B、調理電路和微型處理器系統組成；二次儀表由顯示器組成，實時顯示數據。其中法蘭A和法蘭B分別焊接在測試管兩端，用于安裝在濃密膏體輸送管道上；外殼焊接在測試管中間；襯里緊貼在測試管內壁上；電極安裝與磁場方向垂直，即測試管的直徑方向上，且要求與襯里齊平，以便膏體流通時不受阻礙；鐵芯A和鐵芯B固定在外殼上；激磁線圈A、激磁線圈B緊箍在測試管管段上，同時保證兩個激磁線圈要相隔一個由測量精度規定的距離，所述距離的精度由激磁線圈裝置加工廠在加工時保證定位尺寸精度；一次儀表封裝在外殼內，每一對電極的導線通過一個雙線插頭接入調理電路中，引出的電信號接入微型處理器系統的端子上，微型處理器系統通過專用I/O接口連接到二次儀表上，即可實時顯示數據。
[0012]本實用新型的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。
[0013]前述的基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置，為保證測試管段內部磁場不被測試管段各結構所使用的材料屏蔽，法蘭A、測試管、鐵芯A、鐵芯B和法蘭B均采用抗磁性材料或順磁性材料，常見的抗磁性材料的牌號有lCrl8Ni9，即工程上常用的304不銹鋼；為隔離外磁場的干擾，線圈外殼應使用鐵磁材料制成。由于濃密膏體一般具有腐蝕性，所以襯里要選用耐磨性、耐腐蝕性好的材料，可選用氯丁橡膠，同時保證了襯里的絕緣性能；電極一般用非導磁的不銹鋼材料制成，且具有良好的耐腐蝕性。
[0014]本實用新型的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。
[0015]前述的基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置，其中所述的激磁線圈A和激磁線圈B應能保證產生均勻的磁場，馬鞍形線圈能夠提供一個均勻度很高的磁場，本實用新型所提供的線圈形式為常見、適用的馬鞍形線圈。激磁線圈A和激磁線圈B具有完全相同的結構和功能。前述的兩個激磁線圈緊箍在測試管管段上，同時要保證兩個激磁線圈相隔一個由測量精度規定的距離，所述距離的精度由激磁線圈裝置加工廠在加工時保證定位尺寸精度。
[0016]本實用新型的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。
[0017]前述的基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置，其中所述的電極應能夠引出和被測量有關的感應電勢信號。本實用新型所提出的電極用非導磁的不銹鋼材料制成，安裝時要與磁場的方向垂直，即測試管的直徑方向上，且與襯里齊平，以便膏體流通時不受阻礙。
[0018]本實用新型的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。
[0019]前述的測量信號為電勢信號，通過調理電路及微型處理器系統的處理和計算，最終將得到的數據傳入二次儀表中顯示，或者還可以將數據上傳至中控計算機(或上位機)中顯示；編制的軟件程序不僅能利用采集到的數據計算出濃密膏體的流速，還能計算出濃密膏體管道輸送系統中的流量參數。
[0020]本實用新型基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置與現有技術相比，具有明顯的優點與有益效果。由以上技術方案可知，本實用新型提供的一種濃密膏體流速測量的方法，可達到相當的技術進步性及實用性，并具有產業上的廣泛利用價值，至少具有下列優點:
[0021](I)本實用新型基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置利用測試管段、一次儀表和二次儀表的有機結合解決了現有流量計無法用于工程現場濃密膏體管道流量測量中濃密膏體中值粒徑小、電導率低、流速低等測量難題；
[0022](2)本實用新型基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置能夠在線測量，即管道輸送系統不停泵的情況下可隨時測量濃密膏體管道輸送中的流速與流量，可實時顯示流速與流量的參數，具有實時性；
[0023](3)本實用新型基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置無需投放示蹤物質即可檢測到物料流動信號，通過利用兩個測點的互相關分析法測量濃密膏體的流速，能方便、有效地測量出濃密膏體的流速，這種方法具有原理簡單、可靠性高、安裝和調節操作簡單快捷等優點；
[0024](4)本實用新型基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置，主要誤差來源于兩磁場形態不一致而導致的兩信號時間差的誤差，通過標定可以減小這一誤差，總將誤差控制在0.5%以內，即本實用新型具有精度高的優點；
[0025](5)本實用新型基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置，安裝調試完畢、進入使用階段后，只需要一人進行以下操作即可:流量計通電，此時二次儀表自動顯示測量結果；運行中控系統軟件，可以從二次儀表中人工讀取實時管道流量參數，中控計算機也會自動存儲流速、流量參數。由此看來，本實用新型所提出的基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置可以做到少人、無人化操作，顯著提高了測量過程的自動化水平；
[0026](6)本實用新型基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置，所采用的原理簡單，所選用的材料均為常用工程材料，信號處理和數據計算過程簡單實用，總體成本較低。
[0027]綜上所述，本實用新型特殊結構的濃密膏體流速測量系統，利用霍爾原理作為測量原理，設計出測試管段、一次儀表和二次儀表的有機結合的形式，提出了基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置。本實用新型所提出的兩個測點的互相關分析法解決了目前市場上的流量計無法用于濃密膏體工程管道流量測量的難題。本實用新型便于操作，可以減少濃密膏體流速測量工作的操作人員數，具有良好的實用效果。其具有上述諸多的優點及實用價值，其測量原理和結構設計未見公開發表或使用而確屬創新，其不論在結構上還是功能上都有較大的突破，在濃密膏體流量測量【技術領域】有較大的進步，并產生了積極的實用效果，目前還沒有已經公開的專利在其測量原理和結構上有任何相似之處，從而非常適于實用，而具有產業的廣泛利用價值，誠為一新穎、進步、實用的新設計。
[0028]上述說明僅為本實用新型技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本實用新型的較佳實施例并配合附圖詳細說明如下。
[0029]本實用新型的【具體實施方式】由以下實施例及其附圖詳細給出。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1是本實用新型的測試方法示意圖；
[0031]圖2是本實用新型的總體結構示意圖；
[0032]圖3是本實用新型數學模型示意圖；
[0033]其中:
[0034]1:激磁線圈A2:激 磁線圈B
[0035]3:測試管4:調理電路
[0036]5:微型處理器系統6:一次儀表
[0037]7: 二次儀表8:中控計算機(上位機)
[0038]9:法蘭A10:外殼
[0039]11:電極 A12:電極 B
[0040]13:鐵芯 A14:鐵芯 B
[0041]15:襯里16:法蘭 B。
【具體實施方式】
[0042]為更進一步闡述本實用新型為達成預定發明目的所采取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本實用新型提出的基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置的【具體實施方式】、結構、特征及其功效，進行詳細說明。
[0043]有關本實用新型的前述及其他技術內容、特點及功效，在以下配合參考圖式的較佳實施例的詳細說明中將可清楚呈現。通過【具體實施方式】的說明，可對本實用新型為達成預定目的所采取的技術手段得以更加深入且具體的了解，然而所附圖式僅是提供參考與說明之用，并非用來對本實用新型加以限制。
[0044]如圖1所示為本實用新型基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置的測試方法示意圖。濃密膏體在管道內由法蘭A 9流向法蘭B 16，流經激磁線圈I或2時，其載流子在外加磁場中作切割磁感線運動，在管道3截面垂直于磁場的直徑兩端，形成垂直于膏體流動方向的電動勢。但由于濃密膏體的濃度高，黏度大，電導率低，使電動勢與流速難以線性對應。而濃密膏體管流狀態呈柱塞狀結構流，使得每一截面相對位置幾乎不變，因此考慮在上下游使用兩組廣義霍爾原理傳感器。在某一段物料順次經過這兩組傳感器后，會在時間軸上順次產生兩個相似的電勢信號，將這兩個信號用于互相關分析。具體實施過程為:當某一段物料經過激磁線圈A I處時，電極A 11會檢測到一段電勢信號，該信號經過調理電路4濾波、放大后，由微型處理器系統5采樣、存儲；當物料經過激磁線圈B 2處時，電極B 12同樣會檢測到另一個電勢信號，該信號經過調理電路4濾波、放大后，由微型處理器系統5采樣、存儲，并對每一段經過電極B 12的物料信號與所存的電極A 11檢測的信號進行互相關計算，最終相關函數最大值對應的延時時間f就是該段物料通過兩傳感器的時間差，將最終計算出的流速、流量數據輸入到二次儀表7中(或在遠程中控計算機8)上顯示。如果微處理器系統難以存儲大量數據，還可以將兩信號直接上傳至中控計算機，由其中編制的軟件進行后續計算。
[0045]本實用新型較佳實施例的基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置，如圖1、圖2所示，包括測試管段、一次儀表和二次儀表三大部分。測試管段依次由法蘭A 9、激磁線圈A 1、激磁線圈B 2、測試管3、外殼10、鐵芯A 13、鐵芯B 14和法蘭B 16組成；一次儀表依次由電極A 11、電極B 12、調理電路4、微型處理器系統5組成；二次儀表7由顯示器組成，實時顯示數據，還可以將數據上傳至中控計算機(或上位機)8上。
[0046]其中法蘭A 9和法蘭B 16分別焊接在測試管3兩端，用于安裝在濃密膏體輸送管道上，兩個法蘭上分別配有整套的密封件和緊固件；外殼10焊接在測試管3中間；襯里15緊貼在測試管3內壁上；電極A 11和電極B 12安裝在管道的垂直方向上，且要求與襯里15齊平，以便膏體流通時不受阻礙；鐵芯A 13和鐵芯B 14固定在外殼10上；激磁線圈A I和激磁線圈B 2緊箍在測試管管段上；同時要保證兩個激磁線圈相隔一個由測量精度規定的距離，所述距離的精度由激磁線圈裝置加工廠在加工時保證定位尺寸精度；一次儀表封裝在外殼內，電極A 11和電極B 12通過一個雙線插頭接入調理電路4中，引出電信號，再串聯到微型處理器系統5的端子板上，微型處理器系統5通過專用I/O接口連接到二次儀表7上，即可實時顯示數據。
[0047]如圖3所示為本實用新型基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置的數學模型示意圖，是濃密膏體管道輸送與濃密膏體管道流速測量裝置連接的示意圖，其中:
[0048]D1——濃密膏體輸送管道的內徑；
[0049]D2——測試管3的內徑；·
[0050]L——激磁線圈A I與激磁線圈A I之間的距離；
[0051 ] τ——激磁線圈A I與激磁線圈B 2之間的延遲時間；
[0052]K7—濃密膏體管道輸送的流速；
[0053]^—測試管3中濃密膏體的流速；
[0054]一兩傳感器的響應；
[0055]Q——濃密膏體管道輸送單位時間內的流量。
[0056]互相關函數值越大表示兩個響應越相似，即相關系數的最大值對應的延時時間I就是某一截面通過兩傳感器的時間差。利用兩個測點的互相關分析對信號波形進行相似程度的判別方法求出濃密膏體流經激磁線圈A I和激磁線圈B 2的延遲時間f。用激磁線圈A I和激磁線圈B 2之間的距離與這個延遲時間 做商即為濃密膏體的流速。數據處理軟件能夠自動計算出管道內濃密膏體單位時間內的流量。
[0057]可利用下式計算延遲時間'f:
【權利要求】
1.基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置，包括測試管段、一次儀表和二次儀表三大部分，其特征在于:測試管段依次由法蘭A (9)、激磁線圈A (I)、激磁線圈B (2)、測試管(3)、外殼(10)、鐵芯A (13)、鐵芯B (14)和法蘭B (16)組成；一次儀表依次由電極A(11)、電極B (12)、調理電路(4)、微型處理器系統(5)組成；二次儀表(7)由顯示器組成，實時顯示數據，還可以將數據上傳至中控計算機(8)(或上位機)上；其中法蘭A (9)和法蘭B(16)分別焊接在測試管(3)兩端，用于安裝在濃密膏體輸送管道上，兩個法蘭上分別配有整套的密封件和緊固件；外殼(10)焊接在測試管(3)中間；襯里(15)緊貼在測試管(3)內壁上；電極A (11)和電極B (12)安裝在管道的垂直方向上，且要求與襯里(15)齊平，以便膏體流通時不受阻礙；鐵芯A (13)和鐵芯B (14)固定在外殼(10)上；激磁線圈A (I)和激磁線圈B (2)緊箍在測試管管段上；同時要保證兩個激磁線圈相隔一個由測量精度規定的距離，所述距離的精度由激磁線圈裝置加工廠在加工時保證定位尺寸精度；一次儀表封裝在外殼內，電極A (11)和電極B (12)通過一個雙線插頭接入調理電路(4)中，引出的電信號接入到微型處理器系統(5)的端子上，微型處理器系統(5)通過專用I/O接口連接到二次儀表(7)上，即可實時顯示數據。
2.根據權利要求1所述的基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置，其特征在于其中所述的法蘭A (9)、測試管(3)、鐵芯A (13)、鐵芯B (14)和法蘭B (16)均采用抗磁性材料或順磁性材料。
3.根據權利要求1所述的基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置，其特征在于其中所述的激磁線圈是一種較為常見、適用的馬鞍形線圈，確保能提供一個均勻度很高的磁場；激磁線圈緊箍在測試管管段上，同時要保證兩個激磁線圈相隔一個由測量精度規定的距離，所述距離的精度由激磁線圈裝置加工廠在加工時保證定位尺寸精度。
4.根據權利要求1所述的基于電磁信號互相關的濃密膏體流速測量裝置，其特征在于其中所述的微處理器系統如果難以存儲大量數據，還可以將兩信號直接上傳至中控計算機，由其中編制的軟件進行后續計算。
【文檔編號】G01P5/22GK203414483SQ201320572934
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年9月16日 優先權日:2013年9月16日
【發明者】郝雪弟, 夏正猛, 張霜玉, 呂馥言, 賈旋凱, 李娜, 程新, 吳淼 申請人:中國礦業大學(北京)