同步获取气固两相流内电容和静电信号的测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种同步获取气固两相流内电容和静电信号的测量装置及方法，其中测量装置包括信号发生器、与信号发生器连接的激励电极、用于获取激励电极作用在两相流上的电信号和颗粒荷电信号的检测电极以及与所述检测电极连接的检测电路，所述检测电路包括信号发生器、电流电压转换模块、用于获取静电信号的第一电路单元和用于获取电容信号的第二电路单元；所述第一电路单元包括低通滤波器和信号放大器；所述第二电路单元包括带通滤波器及幅值转换器；所述带通滤波器的中心频率和信号发生器输出信号的频率相同。相比于现有的静电与电容传感器集成技术，本发明同时获得的电容信号和颗粒静电信号来自于同一灵敏区域内的颗粒。

权利要求

1.一种同步获取气固两相流内电容和静电信号的测量装置，包括信号发生器、与信号发生器连接的激励电极、用于获取激励电极作用在两相流上的电信号和颗粒荷电信号的检测电极以及与所述检测电极连接的检测电路，其特征在于：所述检测电路包括信号发生器、电流电压转换模块、用于获取静电信号的第一电路单元和用于获取电容信号的第二电路单元；所述第一电路单元和第二电路单元均与所述检测电极连接；所述第一电路单元包括低通滤波器和信号放大器；所述第二电路单元包括带通滤波器及幅值转换器；所述带通滤波器的中心频率和信号发生器输出信号的频率相同；所述低通滤波器的截止频率fLP、信号发生器输出信号的频率f与静电信号频率fq之间满足：10fq≤fLP≤f/10。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述信号发生器输出信号的频率，应设置在100kHz～10MHz范围内。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述信号发生器为DDS信号发生器。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于：所述DDS信号发生器输出信号为正弦信号。

5.一种同步获取气固两相流内电容和静电信号的测量方法，其特征在于，采用权利要求1‑4任一所述测量装置进行测量，获取电容信号和电压信号的具体步骤为：S1在激励电极上施加由DDS信号发生器产生的高频交流电压的激励信号Vs，其频率设置在100kHz～10MHz范围内；

S2通过检测电极获取DDS信号发生器作用在气固两相流上的电信号和颗粒荷电信号Vo(t)：

其中：q为颗粒带有的等效电荷Q在检测电极上感应出的电荷量，ωq为静电信号的角频率，Rf为反馈电阻，Cf为反馈电容，Cx为激励电极和检测电极之间的电容，Vs(t)为DDS信号发生器产生的激励信号，j为虚数单位，ω为DDS信号发生器产生的信号的角频率；

S3从获得的电信号Vo(t)中分别提取静电信号和电容信号：4

设置低通滤波器的上限截止频率在10Hz数量级，提取静电信号；

式中，VE(t)为获得的静电信号，k1为低通滤波器的增益，k2为信号放大器的增益；

设置带通滤波器的中心频率和DDS信号发生器输出信号的频率相同，提取电容信号：式中，k3为中心频率为f的带通滤波器的增益，A为DDS信号发生器产生的信号的幅值，f为DDS信号发生器产生的信号的频率。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：获取电容信号和电压信号的具体步骤还包括：

S4判断电容信号是否有效提取：

判断步骤S3提取的静电信号VE(t)是否在(k1k2(k‑1)V，k1k2(1‑k)V)范围内，(‑V，V)为电流电压转换模块的输出范围，k为0到1之间的系数；如果在，则提取的电容信号Vc(t)有效；

如果提取的静电信号VE(t)不在(k1k2(k‑1)V，k1k2(1‑k)V)范围内，则需要调整电流电压转换模块中的反馈电阻Rf和反馈电容Cf，以降低静电信号的强度，使其输出处于(k1k2(k‑1)V，k1k2(1‑k)V)范围内，从而保证电容信号的有效提取。

说明书

同步获取气固两相流内电容和静电信号的测量装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及气固两相流测量领域，具体是一种同步获取气固两相流内电容和静电信号的测量装置及方法。

背景技术

[0002] 两相流系统广泛存在于能源、化工、电力及冶金等工业领域。随着现代工业的发展，对工业过程参数检测与控制要求越来越高，两相流动参数的准确测量对工业过程的安
全高效运行以及环保具有重要的现实意义。

[0003] 电学法由于其具有非接触、可靠性高、成本低和易于维护等优点在气固两相流动参数测量具有很大的应用潜力和价值。电学法主要包括静电法和电容法两种。静电法是基
于气固两相流颗粒荷电现象建立的颗粒流动参数方法，通过在颗粒流动通道上设置静电传
感器来获得颗粒的荷电信息，进而对颗粒流动特性的表征。电容法的基本原理是当流体通
过电容极板形成的敏感电场时，流体混合物浓度(即等效介电常数)变化将引起电容传感器
电容值相应变化，这样使测量固相浓度问题转化为检测电容值的问题。

[0004] 目前在使用电学法对气固两相流进行测量时，一般是单独使用静电传感器或者电容传感器来获得静电信号或者电容信号，也可将二者同时用于流动测量，但也仅是将二者
进行简单组合来使用。但静电传感器和电容传感器是沿流动方向按顺序布置的，灵敏空间
不在同一个区域，因此获得的静电传感器和电容传感器无法反映同一区域内的颗粒流动信
息。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是同步获得同一灵敏空间内的静电和电容信号的气固两相流颗粒流动参数的测量装置及方法。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

[0007] 一种同步获取气固两相流内电容和静电信号的测量装置，包括信号发生器、与信号发生器连接的激励电极、用于获取激励电极作用在两相流上的电信号和颗粒荷电信号的
检测电极以及与所述检测电极连接的检测电路，其特征在于：所述检测电路包括信号发生
器、电流电压转换模块、用于获取静电信号的第一电路单元和用于获取电容信号的第二电
路单元；所述第一电路单元包括低通滤波器和信号放大器；所述第二电路单元包括带通滤
波器及幅值转换器；所述带通滤波器的中心频率和信号发生器输出信号的频率相同；所述
低通滤波器的截止频率fLP、信号发生器输出信号的频率f与静电信号频率fq之间满足：10fq
≤fLP≤f/10。

[0008] 所述静电信号的频率fq取决于颗粒运动速度v和检测电极的宽度w，满足fq≤v/w。实际中v＜40m/s，w＞5cm，所以fq＜800Hz。

[0009] 所述信号发生器输出信号的频率，应设置在100kHz～10MHz范围内。

[0010] 所述信号发生器为DDS信号发生器。

[0011] 所述DDS信号发生器输出信号为正弦信号。

[0012] 一种气固两相流颗粒流动参数的测量方法，其特征在于，采用上述测量装置进行测量。

[0013] 采用上述测量装置测量获取电容信号和电压信号的具体步骤为：

[0014] S1在激励电极上施加由DDS信号发生器产生的高频交流电压的激励信号Vs，其频率应设置在100kHz～10MHz范围内；

[0015] S2通过检测电极获取DDS信号发生器作用在气固两相流上的电信号和颗粒荷电信号Vo(t)：

[0016]

[0017] 其中，q为颗粒带有的等效电荷Q在检测电极上感应出的电荷量，ωq为静电信号的角频率，Rf为反馈电阻，Cf为反馈电容，Cx为激励电极和检测电极之间的电容，Vs(t)为DDS信
号发生器产生的激励信号，j为虚数单位，ω为DDS信号发生器产生的信号的角频率；

[0018] S3从获得的电信号Vo(t)中分别提取静电信号和电容信号：

[0019] 设置低通滤波器的上限截止频率在104Hz数量级，提取静电信号：

[0020]

[0021] 式中，VE(t)为获得静电信号，k1为低通滤波器的增益，k2为信号放大器的增益；

[0022] 设置带通滤波器的中心频率和DDS信号发生器输出信号的频率相同，提取电容信号：

[0023]

[0024] 式中，k3为中心频率为f的带通滤波器的增益，A为DDS信号发生器产生的信号的幅值，f为DS信号发生器产生的信号的频率。

[0025] S4判断电容信号是否有效提取：

[0026] 判断步骤S3提取的静电信号VE(t)是否在(k1k2(k‑1)V，k1k2(1‑k)V)范围内，(‑V，V)为电流电压转换模块的输出范围，k为0到1之间的系数；如果在，则提取的电容信号Vc(t)有
效；如果提取的静电信号VE(t)不在(k1k2(k‑1)V，k1k2(1‑k)V)范围内，则需要调整电流电压
转换模块中的反馈电阻Rf和反馈电容Cf，以降低静电信号的强度，使其输出处于(k1k2(k‑1)
V，k1k2(1‑k)V)范围内，从而保证电容信号的有效提取。

[0027] 实际测量中，激励信号Vs采用的高频交流电压，在100kHz～10MHz范围内，静电信号的频率与传感器电极大小和输送颗粒速度有关，小于1kHz，因此在电流电压转换模块后
可以并联一低通滤波器和一带通滤波器来实现以上两不同频带信号的提取。因此，通过本
发明所设计的检测电路可以从检测电极上分别提取静电信号和电容信号，从而实现了静电
传感器和电容传感器的耦合，实现了同一灵敏空间内的静电和电容信号的同时获取。

[0028] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0029] 1)与现有的电容传或静电感器相比，本发明除了具有静电和电容传感器的所有特点之外，还可同时获得电容信号和颗粒静电信号；

[0030] 2)相比于现有的静电与电容传感器集成技术，本发明同时获得的电容信号和颗粒静电信号来自于同一灵敏区域内的颗粒；

[0031] 3)本发明中检测电路获得的静电信号可以作为电容信号测量是否受到静电干扰的指示，增加了电容测量结果的可靠性和准确性；

[0032] 4)本发明涉及的传感器电极可以是任意形状的，且可设计为非接触式测量，适合于恶劣的工业现场情况。

附图说明

[0033] 图1是本发明测量装置原理示意图；

[0034] 图2是图1中检测电路框图。

[0035] 图中：1、检测电路；2、DDS信号发生器；3、电流电压转换模块；4、低通滤波器；5、信号放大器；6、带通滤波器；7、幅值转换器。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图，对本发明作详细说明：

[0037] 本发明测量装置如图1、图2所示。在绝缘管道外侧布置两个传感器电极，分别作为激励电极和检测电极。当气体输送固体颗粒通过传感器电极时，在激励电极上施加一由DDS
信号发生器2发出的高频交流电压作为电容信号的激励源，在检测电极上即可产生与激励
电极和检测电极间电容成比例的电容信号，该信号与颗粒的浓度成单调递增关系；另一方
面，颗粒在运动过程中因颗粒之间以及颗粒与管道之间的碰撞和摩擦会带有一定量的电
荷，根据静电感应原理检测电极可获得与颗粒荷电有关的静电信号。因此，检测电极同时获
得电容信号和静电信号。检测电路用于实现电容信号和静电信号的转换和提取。

[0038] 图2为检测电路示意图，主要包括直接数字合成(Direct digital synthesizer，DDS)信号发生器、电流电压转换模块、低通滤波器、信号放大器、带通滤波器和幅值转换器。
DDS信号发生器产生的信号的幅值、频率和角频率分别记为A、f和ω。

[0039] 当气体输送固体颗粒通过传感器电极时，假设颗粒所带有的等效电荷为Q，在激励电极上施加由DDS信号发生器产生的正弦信号Vs，根据流过检测电极的电流等于流过反馈
电阻Rf和反馈电容Cf的电流之和可得：

[0040]

[0041] 其中q为等效电荷为Q在电极上感应出的电荷量，ωq为静电信号的角频率。可以看出电路不受杂散电容CS1和CS2的影响，具有较强的抗杂散电容干扰能力。

[0042] 实际测量中，激励信号Vs采用的高频交流电压，在100kHz～10MHz范围内，静电信号的频率与传感器电极大小和输送颗粒速度有关，小于1kHz，因此在电流电压转换模块后
可以并联一低通滤波器和一带通滤波器来实现以上两不同频带信号的提取。

[0043] 低通滤波器的上限截止频率需要设置在104Hz数量级，从而保证完全滤除高频的电容信号，并能够获得完整的静电信号分量。若其增益为k1，则输出为：

[0044]

[0045] 再经过增益为k2的信号放大器后，最终获得的静电信号为：

[0046]

[0047] 带通滤波器的中心频率和DDS信号发生器输出信号的频率相同，这样可以提取电容信号分量，而又滤除静电信号成分，从而保证后续电容信号转换的可靠性。所以，经过增
益为k3中心频率为f的带通滤波器后得到的信号Vf为：

[0048]

[0049] 幅值转换器可提取输入信号的幅值，可获得电容信号：

[0050]

[0051] 因此，通过所设计的检测电路可以从检测电极上分别提取静电信号和电容信号，从而实现了静电传感器和电容传感器的耦合，实现了同一灵敏空间内的静电和电容信号的
同时获取。

[0052] 此外，获得的静电信号VE还有一个重要的功能，即用来指示电容信号VC的可靠性。对于电流电压转换模块，由于输出信号包含静电和电容两部分分量，电容信号的变化范围
和颗粒的浓度有关，是有明确上限的并可以估计的，而静电信号是由于颗粒和输送管道之
间的碰撞摩擦产生的电荷导致的，因电荷产生的随机性很难对静电信号的强度进行预估。
在实际测量过程中，由于静电信号过强极易导致电流电压转换模块的输出超限，从而导致
电容信号丢失及后续的电容信号提取失败。根据图2中检测电路的原理，由静电信号VE和电
容信号VC可以分别确定信号Vo中的静电和电容分量，两分量的最大值之和需要保持在电流
电压转换模块的输出范围内才不会导致信号丢失。对于Vo中的电容信号分量，由于颗粒浓
度的限制，其幅值的变化范围是比较小的，即电容信号的电压范围是基本可以确定的。假设
电流电压转换模块的输出范围的(‑V，V)，其中电容分量的最大输出范围为(‑kV，kV)，k为0
到1之间的系数，则静电分量的有效范围则为((k‑1)V，(1‑k)V)，再根据图2中检测电路的转
换关系可以知道VE的输出范围为(k1k2(k‑1)V，k1k2(1‑k)V)，如果VE超出了该范围，则说明电
容信号提取失败，获得的VC不正确。在此情况下，则需要调整电流电压转换模块中的反馈电
阻Rf和电容Cf，以降低静电信号的强度，使其输出处于合适的范围内，从而保证电容信号的
有效提取。