专利名称：基于压电传感器的颗粒粒度分布在线测量装置及方法
技术领域：
本发明属于气固两相流在线测量技术范围，特别涉及一种基于压电传感器的颗粒粒度分布在线测量装置及方法。
背景技术：
气力输送是一种利用气流在管道中输送颗粒状固体的有效方法，是目前工业生产过程中的一项重要技术，广泛应用于各种工业部门的粒料、粉料的输送和干燥工艺。一个典型例子是火力发电厂中固体燃料如煤粉等的管道输送。从磨煤机出来的煤粉由压缩空气携带同时供给多根输送管道，然后进入燃烧器阵列在炉膛内燃烧。煤粉颗粒粒度的分布与燃烧的效率及污染物排放量有着密切的联系。然而，煤粉颗粒粒度的分布取决于磨煤机的工作性能及煤的物理特性等。近年来，世界各国的燃煤电厂开始采用煤粉与生物质共烧技术， 以降低二氧化碳的排放。许多电厂已全部采用生物质燃烧发电。许多生物质如秸杆等要比煤粉颗粒要大，因此生物质燃烧或煤粉与生物质共烧与纯煤粉燃烧有很大的不同。大颗粒及不规则燃料颗粒的燃烧会直接影响到燃烧效率及污染物的排放量。燃料粒度过大或过细则会造成燃烧不完全或磨煤机能耗增加等，严重时会造成管道堵塞，被迫停机，给电厂造成重大损失。因此，对电厂煤粉和生物质的颗粒粒度分布进行在线连续检测，有助于提高锅炉燃烧的安全性及燃烧效率，降低污染物排放。在现有的在线颗粒粒度检测技术中，比较成熟的有光学成像法，但是存在镜头易污染和安装复杂的缺点。本发明提出基于压电传感器的颗粒粒度在线检测系统，是利用压电材料的压电效应，将碰撞机械能转换为电能，再进一步通过碰撞动力学建模的模型转化成粒度分布。

发明内容
本发明的目的是提供一种基于压电传感器的颗粒粒度分布在线测量装置及方法， 其特征在于，所述基于压电传感器的颗粒粒度分布在线测量装置为在气固两相流管道I的中部插入碰撞感应探针3，碰撞感应探针3在颗粒流场2中部；碰撞感应探针3末端安装有压电传感器4，信号调理板和数据采集模块5与压电传感器4固定在一起并封装在系统封装 6内；信号处理系统7与信号调理板和数据采集模块5连接。所述碰撞感应探针形状设计为V型，感应探针斜面与管道横截面之间的角度α为 40°至50°，使碰撞感应探针后的反弹颗粒不阻碍流体的运动。所述碰撞感应探针的长度为管道直径的三分之一到三分之二。所述碰撞感应探针的V型碰撞面由不锈钢制成，并镀有陶瓷以增加耐磨性。所述压电传感器为压电陶瓷或者压电薄膜，以达到长时间连续使用的目的。所述信号处理系统由碰撞粒度模型和用户界面构成；信号处理系统得到碰撞信号的强度后利用碰撞信号与粒度的数学模型进而得到管道内颗粒的粒度分布。所述基于压电传感器的颗粒粒度分布在线测量方法是插入气固两相流管道I中部的碰撞感应探针3将被颗粒碰撞的信号传输给压电传感器4，压电传感器4通过信号调理板和数据采集模块5输入到信号处理系统7进行处理分析，得到碰撞信号的强度，信号处理系统7利用碰撞信号与粒度的数学模型进而得到管道内颗粒的粒度分布，并通过用户界面显示；其中，碰撞信号的强度和颗粒粒度之间的关系由如下模型给出V —"cr(I)其中，V为碰撞信号的强度，h为压电材料厚度，S是感应面积，g33为压电电压常数，K为碰撞材料的碰撞常数，V为颗粒速度，d为颗粒粒度；压电传感器参数h，S和g33由所用压电材料来确定；碰撞常数K通过系统标定来确定；颗粒速度V通过测量气流速度来估计；在实时监测系统中，颗粒的粒度分布显示在用户界面中，当用户界面中的颗粒个数累计到具有统计意义数目时，将整个用户界面的统计信息输出，并根据新进的颗粒信息进行数据更新，从而实现在线实时监测。本发明有益效果是本发明采用了结构简单、体积小、重量轻和安装容易的压电传感器对微小颗粒碰撞的感应实时监测气固两相流管道中颗粒粒度的分布；本压电传感器直接获取碰撞信号，减小背景噪声对碰撞信号的影响；其次，利用碰撞动力学原理建立碰撞信号与粒度的数学模型，得到管道内被测颗粒的粒度分布。


图I为颗粒粒度分布在线测量装置的原理结构示意图。图中1.气固两相流管道，2.颗粒流场，3.碰撞感应探针，4.压电传感器，5.信号调理板和数据采集模块，6.系统封装，7.信号处理系统。图2为碰撞感应探针示意图。
具体实施例方式本发明提供一种基于压电传感器的颗粒粒度分布在线测量装置及方法。下面结合附图和实施例对本发明的予以说明如下；图I所示为颗粒粒度分布在线测量装置的原理结构示意图。图中，在气固两相流管道I的中部插入碰撞感应探针3，碰撞感应探针3在颗粒流场2中部；碰撞感应探针的长度为管道直径的三分之一到三分之二。碰撞感应探针3末端安装有压电传感器4，该压电传感器4为压电陶瓷或者压电薄膜制成，以达到长时间连续使用的目的。信号调理板和数据采集模块5与压电传感器4固定在一起并封装在系统封装6内；信号处理系统7与信号调理板和数据采集模块5连接。其中，所述碰撞感应探针形状设计为V型，感应探针斜面与管道横截面之间的角度α为40°至50° (如图2所示)，并在碰撞感应探针的V型碰撞面由不锈钢制成，并镀有陶瓷以增加耐磨性，使碰撞感应探针后的反弹颗粒不阻碍流体的运动。所述信号处理系统由碰撞粒度模型和用户界面构成；信号处理系统得到碰撞信号的强度后利用碰撞信号与粒度的数学模型进而得到管道内颗粒的粒度分布。本发明基于压电传感器的颗粒粒度分布在线测量方法是插入气固两相流管道I 中部的碰撞感应探针3将被颗粒碰撞的信号传输给压电传感器4，压电传感器4通过信号调理板和数据采集模块5输入到信号处理系统7进行处理分析，得到碰撞信号的强度，信号处理系统7利用碰撞信号与粒度的数学模型进而得到管道内颗粒的粒度分布，并通过用户界面显示；其中，碰撞信号的强度和颗粒粒度之间的关系由如下模型给出
权利要求
1.一种基于压电传感器的颗粒粒度分布在线测量装置，其特征在于，所述基于压电传感器的颗粒粒度分布在线测量装置为在气固两相流管道(I)的中部插入碰撞感应探针(3)，碰撞感应探针(3)在颗粒流场(2)中部；碰撞感应探针(3)末端安装有压电传感器(4)，信号调理板和数据采集模块(5)与压电传感器(4)固定在一起并封装在系统封装(6) 内；信号处理系统(7)与信号调理板和数据采集模块(5)连接。
2.根据权利要求I所述基于压电传感器的颗粒粒度分布在线测量装置，其特征在于， 所述碰撞感应探针形状设计为V型，感应探针斜面与管道横截面之间的角度α为40°至 50°，使碰撞感应探针后的反弹颗粒不阻碍流体的运动。
3.根据权利要求I所述基于压电传感器的颗粒粒度分布在线测量装置，其特征在于， 所述碰撞感应探针的长度为管道直径的三分之一到三分之二。
4.根据权利要求I所述基于压电传感器的颗粒粒度分布在线测量装置，其特征在于， 所述碰撞感应探针的V型碰撞面由不锈钢制成，并镀有陶瓷以增加耐磨性。
5.根据权利要求I所述基于压电传感器的颗粒粒度分布在线测量装置，其特征在于， 所述压电传感器为压电陶瓷或者压电薄膜，以达到长时间连续使用的目的。
6.根据权利要求I所述基于压电传感器的颗粒粒度分布在线测量装置，其特征在于， 所述信号处理系统由碰撞粒度模型和用户界面构成；信号处理系统得到碰撞信号的强度后利用碰撞信号与粒度的数学模型进而得到管道内颗粒的粒度分布。
7.一种基于压电传感器的颗粒粒度分布在线测量方法，其特征在于，该方法是插入气固两相流管道(I)中部的碰撞感应探针(3)将被颗粒碰撞的信号传输给压电传感器(4)， 压电传感器(4)通过信号调理板和数据采集模块(5)输入到信号处理系统(7)进行处理分析，得到碰撞信号的强度，信号处理系统(7)利用碰撞信号与粒度的数学模型进而得到管道内颗粒的粒度分布，并通过用户界面显示；其中，碰撞信号的强度和颗粒粒度之间的关系由如下模型给出
全文摘要
本发明公开了属于气固两相流在线测量技术范围的一种基于压电传感器的颗粒粒度分布在线测量装置及方法。所述颗粒粒度分布在线测量装置为在气固两相流管道的中部插入碰撞感应探针，碰撞感应探针装有压电传感器，信号调理板和数据采集模块与压电传感器和信号处理系统连接，当固体颗粒撞击感应探针时压电传感器感应到颗粒碰撞信号并送至信号调理板和数据采集模块，再通过信号处理软件和碰撞粒度模型得到颗粒粒度分布。本装置特点是利用压电传感器直接获取对微小颗粒碰撞的碰撞信号实现颗粒粒度分布的实时监测；减小了背景噪声对碰撞信号的影响；利用碰撞动力学原理建立碰撞信号与颗粒粒度的数学模型，得到管道内被测颗粒的粒度分布。
文档编号G01N15/02GK102608005SQ201210073200
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月19日 优先权日2012年3月19日
发明者闫勇, 高凌君 申请人:华北电力大学