一種柱塞流輸送顆粒回落量的檢測方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種柱塞流輸送顆粒回落量的檢測方法及裝置，通過非侵入式拾取管道內顆粒摩擦碰撞管壁所產生的聲波信號及靜電信號來檢測柱塞流輸送顆粒回落量。本發明的回落量檢測是一種非侵入式檢測方法，檢測裝置簡單、安全、環保，可適用于工業過程的在線實時檢測，解決了目前對于柱塞流輸送顆粒回落量難以準確測定的難題。
【專利說明】
一種柱塞流輸送顆粒回落量的檢測方法及裝置
技術領域
[0001] 本發明涉及柱塞流輸送參數檢測裝置和方法，尤其涉及一種柱塞流輸送顆粒回落 量的檢測方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 氣力輸送是在密閉管道內利用氣流的能量沿氣流方向輸送顆粒物料的一種輸送 方式，主要應用于化工、冶金、制藥、熱力發電等行業輸送顆粒物料，其隨著固體質量流量、 表觀氣速、顆粒粒徑和密度、管徑等參數的變化，在管道中呈現不同的流型。對于豎直管而 言，當氣速足夠大時，管道內的顆粒均勻懸浮，此時的流型為懸浮流。隨著氣速的降低，顆粒 分散的均勻性被打破，管道內出顆粒聚團，形成環合流和聚團流。當氣速進一步降低時，管 道內出現湍動流化輸送、氣栓流、氣泡流、流態化輸送和柱塞流等不同流型。
[0003] 在柱塞流中，顆粒是以被氣體隔斷的顆粒柱塞的形式向上運動的。然而，在某些情 況下，顆粒柱塞后端的顆粒會出現回落現象，并進入下一段顆粒柱塞繼續向上運動，這是由 于顆粒間的粘性力小于顆粒的重力導致的。顆粒的回落會導致柱塞流的不穩定，甚至破壞 柱塞流狀態，對某些有特定要求的工藝產生較大影響。因此，需要實時測量柱塞流輸送管路 中顆粒的回落量，以便根據回落量的大小調整氣力輸送中的氣相流量或固相流量，保持輸 送的穩定性。
[0004] Aijie Yan等人（Chemical Engineering Journal，化學工程雜志，2005,109:97_ 106)對顆粒回落量的檢測方法為在輸送顆粒管道中插入一顆粒捕集彎管，當氣體夾帶顆粒 輸送時被彎管捕集并輸送到與彎管相連的取樣裝置，分析計算一段時間內的顆粒量，作為 顆粒回落量。由于該方法為侵入式的檢測方法，對輸送過程的穩定性會造成影響、破壞柱塞 流場，導致檢測結果誤差較大。
[0005] 目前，關于柱塞流輸送顆粒回落量的測量方法鮮有文獻報道，已知檢測方法弊端 較多，檢測誤差較大。因此，發展一種可以快速、實時檢測柱塞流顆粒回落量的方法，對于柱 塞流研究和工業應用有著重大意義。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是為了解決現在工業中由于柱塞流氣力輸送過程中輸送顆粒的回 落量難以準確測定的問題，通過非侵入式的檢測手段，提供一種快速、穩定、實時的柱塞流 顆粒回落量檢測方法及裝置。
[0007] 柱塞流輸送顆粒回落量的檢測方法包含以下步驟：
[0008] (1)在管道外壁設置至少兩組靜電感應電極組，每組靜電感應電極組包括至少一 個靜電感應電極，同組的靜電感應電極布置于管道的同一圓截面上，相鄰兩組靜電感應電 極組之間的距離為L;在管道的外壁設有至少一組聲波傳感器組，用于接收管道內的聲波信 號，每組聲波傳感器組包括至少一個聲波傳感器，同組的聲波傳感器布置于管道的同一圓 截面上；（2)對采集的聲波信號進行預處理，去除噪聲，得到聲能量E;
[0009] (3)對采集的靜電信號進行互相關分析，分別得到柱塞速度vplug&顆粒軸向速度 VP，t;
[0010] (4)根據上述參數，由下式計算得到柱塞流輸送顆粒的回落量Mcycle，
[0012]式中，η為比例系數，ki為聲能轉換系數，μ為壁面摩擦系數，Kw為應力轉變系數，t為 聲發射信號的米樣時間。
[0013] 所述步驟(2)中，處理噪音的方法選用平滑模擬、微分法、多元散射校正、正交信號 校正、傅里葉變換、小波變換、凈分析信號中的一種或多種。
[0014] 采集到的聲波信號中包括了許多噪聲，因此，消除噪聲是十分關鍵及必要的。本發 明的檢測方法中的預處理方法中，平滑可以提高分析信號的信噪比，最常用的方法是移動 式平均平滑法和Savizky-Golay多項式平滑。微分可以消除基線漂移、強化譜帶特征、克服 譜帶重疊，是最常用的譜預處理方法，一階微分可以去除同波長無關的漂移，二階微分可以 取出同波長線性相關的漂移。傅里葉變換能夠實現譜域函數與時域函數之間的轉換，其實 質是把原聲譜分解成許多不同頻率的正弦波的疊加和，它可以用來對聲譜進行平滑去噪、 數據壓縮以及信息的提取。小波變換能將信號根據頻率的不同分解成多種尺度成分，并對 大小不同的尺度成分采取相應粗細的取樣步長，從而能夠聚焦于信號中的任何部分。凈分 析信號算法的基本思想與正交信號校正基本相同，都是通過正交投影除去聲譜陣中與待測 組分無關的信息。
[0015] 所述步驟(4)中，比例系數τι隨物系種類、工藝參數的改變而不同，通過具體實驗標 定計算獲得，即在給定物系、工藝參數條件下，通過測定已知回落顆粒量的聲能量確定該系 數，并建立該系數的預測模型。
[0016] 比例系數標定實驗可使用侵入式回落量檢測方式實現，即在輸送顆粒管道內插入 一顆粒捕集彎管，當氣體夾帶顆粒輸送時被彎管捕集并輸送到與彎管相連的取樣裝置，分 析計算一段時間內的顆粒量，作為顆粒回落量同時將測得的聲波信號及靜電信號進 行處理，得到聲能量E及顆粒速度v P,t和柱塞流速度vplug，測量多組數據根據下式計算比例 系數 n、ki、(ki+yKw)。
[0018] -種柱塞流輸送顆粒回落量的檢測裝置，包括至少兩組靜電感應電極組，至少一 組聲波傳感器組、信號放大裝置、信號采集裝置、信號處理裝置、輸出顯示裝置;靜電感應電 極組和聲波傳感器組均設置于管道外壁上;聲波傳感器組和信號放大裝置相連，將聲波信 號轉換為電信號輸送到信號放大裝置，信號放大裝置和信號采集裝置相連將放大后的信號 傳輸到信號處理裝置;靜電感應電極組和信號采集裝置相連，將靜電信號傳輸到信號采集 裝置，信號采集裝置與信號處理裝置相連將采集到的信號進行分析，信號處理裝置與輸出 顯示裝置相連將分析結果顯示出來。
[0019] 柱塞流輸送顆粒回落量的控制方案為:首先設定柱塞流輸送顆粒回落量的控制目 標值，該值一般為破壞柱塞流狀態的臨界值;其次得到柱塞流輸送顆粒回落量的測量值;再 次，比較測量值和控制目標值，決定調整方向，若測量值低于控制目標值，說明顆粒回落量 對柱塞流影響尚可接受，無需調整方案，若測量值高于目標控制值，則應加大輸送氣量或減 少顆粒量，以降低顆粒回落量;最后，向控制裝置輸出控制信號，調節相應參數使柱塞流輸 送顆粒回落量低于控制目標值。
[0020] 所述每組靜電感應電極組包括1~8個靜電感應電極，靜電感應電極的形狀為弧形 狀或環形狀。
[0021] 所述靜電感應電極組至少為兩組，相鄰靜電感應電極組的距離L為10~100_。
[0022] 所述每組聲波傳感器組包括1~10個聲波傳感器，沿管道的同一圓截面均勻分布。 [0023]所述每組聲波傳感器使用的采樣頻率范圍在20Hz~200MH。
[0024] 多傳感器信息融合技術可以大幅提高信息的可信度和可探測性，增強系統的容錯 能力和自適應性，改進檢測性能，提高空間分辨率，增加目標特征矢量的維數，從而提高整 個檢測系統的性能。本發明的技術方案中設置了聲波傳感器陣列，采用貝葉斯參數估算法 或加權融合對多個聲波傳感器接收到的聲波信號進行信息融合，可提高測量精度。
[0025] 本發明中，靜電檢測電極和聲波傳感器均是非侵入式的。管道內輸送顆粒在軸向 上存在速度分布。為了減少測量誤差，靜電檢測電極和聲波傳感器應盡可能接近。
[0026] 本發明相比現有技術具有以下優點:本發明采用的聲波和靜電檢測是非侵入式檢 測方法，檢測過程中不會對管道內流體造成影響，檢測裝置簡單、安全、環保，可適用于工業 過程的在線實時檢測;采用聲波傳感器及靜電檢測電極陣列，通過多傳感器、多電極的數據 融合可以有效消除局部信號差異，降低檢測誤差;基于聲波和靜電檢測的柱塞流顆粒回落 量技術與現有技術相比，更為靈敏，檢測精度更高，避免了在檢測過程中出現破壞柱塞流型 的情況。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明的檢測裝置示意圖；
[0028]圖2是實施例1靜電檢測信號圖。
【具體實施方式】
[0029]下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施 例。
[0030] 實施例1
[0031] 如圖1所示，本實施例的檢測裝置包括輸送管道1、靜電感應電極組2、聲波傳感器 組3、信號放大裝置4、信號采集裝置5、信號處理裝置6、輸出顯示裝置7;靜電感應電極2均設 置于管壁上，聲波傳感器3設置于管道外壁與靜電感應電極2處于同一高度;聲波傳感器3與 信號放大裝置4相連，將聲波信號轉換為電信號輸送到信號放大裝置，信號放大裝置和信號 采集裝置5相連將放大后的信號傳輸到信號處理裝置6;靜電感應電極2和信號采集裝置5相 連，將靜電信號傳輸到信號采集裝置，信號采集裝置與信號處理裝置6相連將采集到的信號 進行分析，信號處理裝置與輸出顯示裝置7相連將分析結果顯示出來。
[0032]本實施例所用物料顆粒為篩分的聚丙烯粒料，平均粒徑1500μπι，密度900kg/m3。表 觀氣速為5.5m/s，固體流率為0.010kg/S。采集柱塞流輸送顆粒過程中的聲波信號和靜電信 號。對采集的原始聲波信號，采用5點移動平均對其進行預處理，得到聲波信號能量是1.243 X105V2/s;如圖2所示，利用靜電信號的互相關分析方法得到柱塞和顆粒的速度，分別是 Vpiug= 1 · 117m/s，vP,t = -〇 · 500m/s。模型參數分別為 ki = 0.1，μ = 0· 3，Kw=0.271，η 為擬合值 等于2.830 X 10-4。根據回落量計算公式
[0034] 可計算得到固體回流的流率為0.00467kg/s，實際值為0.00468kg/s，相對誤差為- 0.33%。該結果表明，本發明提供的檢測方法和檢測裝置可以用于柱塞流輸送顆粒回落量 的檢測，且具有很好的精度。
[0035] 實施例2
[0036] 本實施例所用物料顆粒同實施例1，實驗裝置為在圖1聲波傳感器組3處設置了 4個 聲波探頭，沿管道圓截面均勻分布。表觀氣速為4. Om/s，固體流率為0.0 lOkg/s。采集柱塞流 輸送顆粒過程中的聲波信號和靜電信號。對采集的原始聲波信號，采用5點移動平均對其進 行預處理，得到聲波信號能量是3.504 X 105V2/s;利用靜電信號的互相關分析方法得到柱塞 和顆粒的速度，分別是％11? = 2.075111/8，￥1^ = -1.378111/8。模型參數分別為1^1 = 0.14 = 0.3， Kw=0.271，n為擬合值等于2.830 X ΚΓ4。根據回落量計算公式
[0038] 可計算得到固體回流的流率為0 · 01777kg/s，實際值為0 · 01817kg/s，相對誤差為 2.24%。該結果表明，本發明提供的檢測方法和檢測裝置可以用于柱塞流輸送顆粒回落量 的檢測，且具有很好的精度。
【主權項】
1. 一種柱塞流輸送顆粒回落量的檢測方法，其特征在于，包括W下步驟： (1) 在管道外壁設置至少兩組靜電感應電極組，每組靜電感應電極組包括至少一個靜 電感應電極，同組的靜電感應電極布置于管道的同一圓截面上，相鄰兩組靜電感應電極組 之間的距離為L在管道的外壁設有至少一組聲波傳感器組，用于接收管道內的聲波信號， 每組聲波傳感器組包括至少一個聲波傳感器，同組的聲波傳感器布置于管道的同一圓截面 上； (2) 對采集的聲波信號進行預處理，去除噪聲，得到聲能量E; (3) 對采集的靜電信號進行互相關分析，分別得到柱塞速度vpiug及顆粒軸向速度vp,t; (4) 根據上述參數，由下式計算得到柱塞流輸送顆粒的回落量Mcycle，式中，η為比例系數，ki為聲能轉換系數，μ為壁面摩擦系數，Kw為應力轉變系數，t為聲發 射信號的采樣時間。2. 根據權利要求1所述的柱塞流輸送顆粒回落量的聲發射檢測方法，其特征在于:所述 步驟(2)中，處理噪音的方法選用平滑模擬、微分法、多元散射校正、正交信號校正、傅里葉 變換、小波變換、凈分析信號中的一種或多種。3. -種如權利要求1所述的柱塞流輸送顆粒回落量的檢測裝置，其特征在于:包括至少 兩組靜電感應電極組，至少一組聲波傳感器組、信號放大裝置、信號采集裝置、信號處理裝 置、輸出顯示裝置;靜電感應電極組和聲波傳感器組均設置于管道外壁上;聲波傳感器組和 信號放大裝置相連，將聲波信號轉換為電信號輸送到信號放大裝置，信號放大裝置和信號 采集裝置相連將放大后的信號傳輸到信號處理裝置;靜電感應電極組和信號采集裝置相 連，將靜電信號傳輸到信號采集裝置，信號采集裝置與信號處理裝置相連將采集到的信號 進行分析，信號處理裝置與輸出顯示裝置相連將分析結果顯示出來。4. 根據權利要求3所述的柱塞流輸送顆粒回落量的檢測裝置，其特征在于:每組靜電感 應電極組包括1~8個靜電感應電極，靜電感應電極的形狀為弧形狀或環形狀。5. 根據權利要求3所述的柱塞流輸送顆粒回落量的檢測裝置，其特征在于:所述靜電感 應電極組至少為兩組，相鄰靜電感應電極組的距離L為10~100mm。6. 根據權利要求3所述的柱塞流輸送顆粒回落量的檢測裝置，其特征在于:所述每組聲 波傳感器組包括1~10個聲波傳感器，沿管道的同一圓截面均勻分布。7. 根據權利要求3所述的柱塞流輸送顆粒回落量的檢測裝置，其特征在于:所述每組聲 波傳感器使用的采樣頻率范圍在20化~200MH。
【文檔編號】G01N29/02GK106093187SQ201610403868
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月7日
【發明人】黃正梁, 何樂路, 宋琦, 楊遙, 王靖岱, 廖祖維, 蔣斌波, 陽永榮, 葛世軼, 洪小東, 柳鶯
【申請人】浙江大學