粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统和方法

1.本发明涉及粒子流速度场测量领域，具体地说是一种粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统和方法。

背景技术：

2.目前，流体中，粒子流速测量方法主要有光学、超声、电学等技术。
3.电容式传感器已经被广泛的应用于角度、角速度、位置、压力和液位等的测量中。在之前国内外的研究中，已经提出了很多实用有效的电容式传感器的测量方法，如，开关电容检测法、电容频率转换法、a-d转换法、充放电电流法、a-工法、电路相位检测法、pwm法等。电容式传感器具有耗散功率小，输出阻抗低，静电引力小，动态性能好，灵敏度高,可实现非接触测量，对高温、辐射、强振等恶劣条件适应性强等优点，已被广泛用于位移、振动、角度、加速度、压力、差压、液面、水分含量等方面的测量。但由于寄生电容，生产工艺，电容检测电路输出信号与电容大小呈现非线性等影响，使得电容式传感器的分辨率和测量范围受到很大的限制。而对于现阶段流量测量中，电容也被使用在气液、固液等多相流的测量之中。
4.光学主要以示踪粒子跟踪方法为主测量速度场，粒子图像测速技术(piv)开始越来越多地应用于现代工业研究中，例如核工程、流体机械工程、化学工程和环境工程等。目标流场也从单点、均匀流场向全流场、非均匀流场发展。而粒子跟踪测速法(ptv)是一种典型的、用于湍流的测量方法。此外，还有激光技术、红外技术等。
5.声学技术，主要以超声技术为主，超声测量的体积流量不受被测流体的温度﹑压力粘度及密度等热物性参数的影响。由于声波能够在不同介质中的传播特性,超声技术可以应用于测量强腐蚀性介质和非导电介质的流量。因此,超声技术能够很好应用于实际工程中流体流量测量。
6.此外，多相流量测量方法还有差压、热式、以及体积等多种方法，在管道内部的流量测量已经日趋成熟，但是关于多相流量速度场的测量仍是一大难题。

技术实现要素：

7.本发明的目的之一是提供一种粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统，以解决现有技术中多相流量速度场的测量难度大的问题。
8.本发明的目的之一是这样实现的：一种粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统，其特征是，包括有：采集粒子流截面速度信息的阵列通道；给所述阵列通道提供粒子流的粒子流循环装置；以及对所述阵列通道采集的数据进行处理和控制的数据处理控制装置；
9.所述阵列通道包括有设置在迎流面一端的数据提取管段、设置在中间的观测管段和设置在背流面一端的稳流管段；所述数据提取管段由多个横截面为方形的小通道阵列而成；在每个所述小通道的两端分别设置有电容，形成两组阵列电容传感器，所述阵列电容传感器与所述数据处理控制装置相连接。
10.进一步地，本发明可以按如下技术方案实现：
11.所述阵列电容传感器通过数据采集卡与所述数据处理控制装置相连接，所述数据采集卡与巡检仪相连接。
12.所述稳流管段由多个横截面为方形的小通道阵列而成；所述观测管段为透明的亚力克管段；在所述阵列通道两端分别设置有法兰。
13.所述粒子流循环装置包括有水源单元、气源单元和检定管路单元；
14.水源单元包括有串接的水箱、水泵、水塔；
15.气源单元包括有串接的气泵、稳压罐、干燥器；
16.检定管路单元，包括有连接混合器的三条管线，第一条管线与所述水塔连接并串接有标准流量计、压力表、粒子投放端和温度表；第二条管线与所述干燥器连接并串接有压力表和标准流量计；第三条管线通过压力表与所述水箱连接；
17.所述阵列通道设置在检定管路单元的第一条管线上；
18.所述数据处理控制装置与所述粒子流循环装置相连接，控制所述粒子流循环装置进行水源和气源的循环工作。
19.所述数据处理控制装置包括有工业控制计算机、plc模块、继电器和电源。
20.本发明的目的之二是提供一种粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测方法，以解决现有方法中无法对多相流量速度场进行测量的问题。
21.本发明的目的之二是这样实现的：一种粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测方法，包括如下步骤：
22.a、所述粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测方法应用于权利要求1所述的粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统；
23.b、由粒子流循环装置给阵列通道提供带有piv示踪粒子的循环粒子流，在阵列通道内的电容两端产生电信号，并且输出到数据处理控制装置中，电容的求解方程为
24.c＝εs/4πkd
25.c
‑‑
介电常数，
26.s
‑‑
为电容极板的正对面积，
27.d
‑‑
为电容极板的距离，
28.k
‑‑
则是静电力常量；
29.c、数据处理控制装置对数据提取管段两端的两组电容产生的电信号进行互相关计算，得到粒子流经两组电容的时间差，互相关的计算公式如下：
30.两个函数f(t)和g(t)的互相关，由含参变量t的无穷积分定义，即
31.r
fh
(t)＝∫f
*
(t)g(x+t)dt
32.用互相关来衡量两个时间序列f(t)和g(t)在两个不同时刻的取值之间的相似程度,并且寻的最大值，记录此时的时间为：
33.δti＝t
i1-t
i2
；
34.d、数据处理控制装置逐步计算单个小通道内的粒子流的速度，计算公式是：
[0035][0036]
式中：
[0037]v(x,y)
为某小通道内的粒子流速，单位是m/s；
[0038]
l为两电极间的距离，为常数；
[0039]
δt
(x,y)
为互相关算法算出的粒子流过某小通道两电容的时间差；
[0040]
e、数据处理控制装置对每一组小通道内的粒子流的速度进行整合，最后得到管道内粒子流的截面速度场。
[0041]
进一步地，本发明可以按如下技术方案实现：
[0042]
在所述b步骤中，接通电源，打开检定管路单元的旋拧阀门，打开水源单元和气源单元，水泵将水箱中的水抽出并流向水塔高处，形成水压差从底端流出，水依次流过标准流量计、压力表、阵列通道和温度表，水箱中的水和气源单元中的气体一起通入混合器，最后到达水箱形成闭环。
[0043]
在粒子投放端投放适量的piv示踪粒子，运行五分钟，使得piv示踪粒子均匀分布在粒子流循环装置中。
[0044]
本发明通过阵列通道内设置由多个横截面为方形的小通道阵列而成的数据提取管段，在每个小通道的两端分别设置有电容，形成两组阵列电容传感器。通过同一小通道内的两组电容采集后两组数据，并进行互相关算法计算，将粒子流的相同特征提取，并且记录时间，电极间的距离已知，就可以得到小通道内粒子流的流速特征。将所有小通道内的粒子流的流动速度提取，组合成整个管道截面粒子流的截面速度场。本发明是基于电容介电常数与极板物质相关原理，以及与互相关算法结合计算，最终将所有小通道内粒子的速度合成截面速度场。
附图说明
[0045]
图1是本发明的结构示意图。
[0046]
图2是本发明阵列通道的结构示意图。
[0047]
图3是本发明小通道的结构示意图。
[0048]
图4是本发明阵列通道中数据提取管段的截面图。
[0049]
图中：1、干燥器，2、旋拧阀门，3、标准流量计，4、粒子投放端，5、阵列通道，6、温度表，7、压力表，8、数据提取管段，9、法兰，10、稳流管段，11、观测管段，12、前侧电容数据线，13、后侧电容电源线，14、前侧电容电源线，15、后侧电容数据线，16、小通道、17、电容，19、fpc电路板。
具体实施方式
[0050]
实施例1
[0051]
如图1所示，本发明的粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统，包括有采集粒子流截面速度信息的阵列通道5；给阵列通道5提供粒子流的粒子流循环装置；以及对阵列通道5采集的数据进行处理和控制的数据处理控制装置。
[0052]
如图2所示，阵列通道5包括有设置在迎流面一端的数据提取管段8、设置在中间的观测管段11和设置在背流面一端的稳流管段10。观测管段11为透明的亚力克管段，可用于光学，声学，以及其他非侵入式的测速仪器的检测，可根据需要接入其他方式测量仪器，用于检测流固场中粒子的速度信息，检验其他流速测量装置的准确性。观测管段11是为了经
过流体仿真验证，在分层流状态下，阵列通道5里的流体流速可以代替观测管段11内的流速。流体通过总管道流经数据提取管段8，再流过观测管段11，再流经稳流管段10，后面的稳流管段10目的是为了整流，形成稳定的流形。流体经过阵列通道5后，在观测管段11重新组合形成管道内的气液两相流，由于后方同样的阵列式小通道16的稳流管段10，使流形在一定范围内固定。在一定的流速范围内，观测管段11的流速可以用数据提取管段8内的流速所代替。
[0053]
数据提取管段8和稳流管段10均由多个横截面为方形的小通道16阵列而成，起到稳定流形的作用。这些阵列在一起的小通道16是通过3d打印的光敏树脂材料组成。在数据提取管段8的小通道16两端分别设置有电容17，形成两组阵列电容17传感器，用于通道内的粒子流流速检测。该阵列电容17传感器通过数据采集卡与数据处理控制装置相连接，数据采集卡与巡检仪相连接。小通道16截面采用矩形形状，这样可以使得小通道16内的上下两片电极组成电容17，便于使得电容17信号稳定，因为粒子流经过，产生不同的流体特征，进而产生不同的介电常数。具体地，在小通道16内打孔，上下两层分别留出可容纳电极的通孔，以留出电极与粒子流的接出面积，两个电极形成一个电容17。利用印刷电路板技术，印刷出fpc电路板19，以焊盘作为电极，当fpc电路板19上电容17与通孔位置重合后，将fpc电路板19和小通道16粘连在一起，并将每一排小通道16粘连起来组成阵列电容17传感器。在流体经过时通过阵列电容17传感器实现对粒子流特征的检测，并且前后一段距离内组成两组阵列电容17传感器，电容17做好防水措施，且不影响流场内的粒子流动。
[0054]
如图3和图4所示，小通道16的尺为边长1mm方孔，在通道壁上开有电极与水接触的通孔。整体管道截面布置1124个小通道16结构通孔。通孔之间的中心距为1.1mm，外圈小孔圆心距离管壁的距离为0.5mm。在阵列通道两端分别设置有法兰9。在数据提取管段8的前侧电容17处设置有前侧电容数据线12和前侧电容电源线14，在后侧的电容17处设置有后侧电容数据线15和后侧电容电源线13。将数据提取管段8和稳流管段10放入亚克力管道中，接出引线，并与法兰9连接，避免流体流出现象。
[0055]
fpc电路板19外接出的引线通过数据采集卡与数据处理控制装置相连接。由稳定电源供电，电源接到巡检仪上，同时数据采集卡同样接到巡检仪上。信号由fpc线路板传输到巡检仪上，并传输到数据采集卡，每次巡检一层阵列通道5内的信息。同样电源也是由巡检仪进行巡检，进而实现每个电容17信号的采集及传输。为保证同时性，在电源巡检仪，及数据采集卡巡检仪前端设置同时开关，使得两组巡检仪同时进行巡检，实现每一个通道内的电容17快速接通以及快速反应。巡检仪与阵列电容17传感器配合使用，可对多路温度、压力、液位、流量、重量等过程参数进行巡回检测、报警控制、变送输出、数据采集及通讯。
[0056]
如图1所示，粒子流循环装置包括有水源单元、气源单元和检定管路单元。水源单元包括有串接的水箱(容积为8m3)、水泵(25lg3-10x5、3m3/h、2.2kw)、水塔(1.5
×
1.5
×
3m)。水箱用于提供实验所需的水源。水塔是利用高度差形成较大的水压，水泵是提供水循环所需的动力，三者共同作用为粒子流循环装置提供足够压力的水源。
[0057]
气源单元包括有串接的静音气泵(流量1.4nm3/min、压力0.7mpa、7.5kw)、稳压罐(单个容积1m3、压力1.0mpa)、干燥器1(常温220v、10.5m3)。静音气泵为粒子流循环装置提供足够压力和足够气量的洁净气体，且使得噪音降到最低。稳压罐能够提供足够的储气空间和压力调节功能，使得输出的气体压力稳定，且便于调节。
[0058]
检定管路单元包括有连接混合器的三条管线(dn25/20/15/10、dn50/40/32、dn100/80/65)，每条管线配置前后直管段、旋拧阀门2、气动夹表器、短节，以及
±
0.075％的绝压变送器和0.2％温度变送器等。直管段用于稳流，按照前十后五(入口前需要安装有管道内径十倍距离的直管段，出后需安装有管道内径五倍距离的直管段)的原则进行小通道16装置的安装。旋拧阀门2用于粒子流循环装置阀门2的开关。气动夹表器用来固定所检定的阵列通道5。管路及短节可以在直线导轨上前后滑动，直管段与短节采用快装结构，方便变径管线的安装连接。绝压变送器用于随时监测管道内部的压力情况。温度变送器是把温度传感器的信号转变为电流信号，连接到二次仪表上，从而显示出对应的温度。
[0059]
检定管路单元第一条管线与水塔连接并串接有标准流量计3、压力表7、粒子投放端4和温度表6；第二条管线与干燥器1连接并串接有压力表7和标准流量计3；第三条管线通过压力表7与水箱连接。
[0060]
阵列通道5设置在检定管路单元的第一条管线上。数据处理控制装置与粒子流循环装置相连接，控制粒子流循环装置进行水源和气源的循环工作。
[0061]
数据处理控制装置包括有工业控制计算机、plc模块、继电器和电源。
[0062]
数据处理控制装置硬件采用工业控制计算机，控制模块采用西门子plc模块，继电器可采用松下产品，旋拧阀门2及仪表供电选用西门子电源模块，保障整个装置测控可靠。plc实现测量部分各种控制，对各种信号实时采集完成检定过程的控制，能够可靠的实现远程操作，也兼有数据前沿处理和管理功能，主要实现所有流量仪表、各种变送器自动采集并输出多路控制信号自动控制流量达到检定要求。工业控制计算机控制系统中各个阀门2的开关，同时与系统中各个绝压变送器、温度变送器、标准流量计3、压力表7和温度表6相连接。
[0063]
实施例2
[0064]
本发明粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测方法，包括如下步骤：
[0065]
a、粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测方法应用于实施例1的粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统。
[0066]
b、接通电源，打开检定管路单元的旋拧阀门2，操作数据处理控制装置用来控制各个阀门2的开关；打开水源单元和气源单元，水泵将水箱中的水抽出并流向水塔高处，形成水压差从底端流出，水依次流过标准流量计3、压力表7、阵列通道5和温度表6，水箱中的水和气源单元中的气体一起通入混合器，最后到达水箱形成闭环。在工业控制计算机实时监测压力表7和温度表6的工况，使得整个检定系统装置稳定运行。在粒子投放端4投放适量的piv示踪粒子，运行五分钟，使得piv示踪粒子均匀分布在粒子流循环装置中。当流体中粒子的密度等于液体的密度时，这样可以近似认为粒子的速度等于液体的流速，从而方便计算得到粒子的速度。
[0067]
由粒子流循环装置给阵列通道5提供带有piv示踪粒子的循环粒子流，在阵列通道5内的电容17两端产生电信号，并且输出到数据处理控制装置中，电容17的求解方程为：
[0068]
c＝εs/4πkd
[0069]c‑‑
介电常数
[0070]s‑‑
为电容17极板的正对面积
[0071]d‑‑
为电容17极板的距离
[0072]k‑‑
则是静电力常量；
[0073]
c、数据处理控制装置对数据提取管段8两端的两组电容17产生的电信号进行互相关计算，得到粒子流经两组电容17的时间差，互相关的计算公式如下：
[0074]
两个函数f(t)和g(t)的互相关，由含参变量t的无穷积分定义，即
[0075]rfh
(t)＝∫f
*
(t)g(x+t)dt
[0076]
用互相关来衡量两个时间序列f(t)和g(t)在两个不同时刻的取值之间的相似程度,并且寻的最大值，记录此时的时间为：
[0077]
δti＝t
i1-t
i2
；
[0078]
d、数据处理控制装置逐步计算单个小通道16内的粒子流的速度，计算公式是：
[0079][0080]
式中：
[0081]v(x,y)
为某小通道16内的粒子流速，单位是m/s；
[0082]
l为两电极间的距离，为常数；
[0083]
δt
(x,y)
为互相关算法算出的粒子流过某小通道16两电容17的时间差；
[0084]
具体地说，带有piv示踪粒子的流体首先通过阵列通道5的数据提取管段8，数据提取管段8的电容17两端产生电信号，粒子在流体中的运动不均匀，使得每一段的粒子产生的电信号不相同，但在同一小通道16内，两组电容17采集到的电信号趋势是相同的，运用互相关算法计算通道内两组电容17的时间差，而两组电容17距离已知，便可以得知通道内粒子流的运动速度。
[0085]
e、数据处理控制装置对每一组小通道16内的粒子流的速度进行整合，最后得到管道内粒子流的截面速度场。具体地说，通过同一小通道16内的两组电容17采集后两组数据，并进行互相关算法计算，将粒子流的相同特征提取，并且记录时间，电极间的距离已知，就可以得到小通道16内粒子流的流速特征。将所有小通道16内的粒子流的流动速度提取，组合成整个管道截面粒子流的截面速度场。粒子流流过阵列通道5时，经仿真运算，经过数据提取管段8与稳流管段10的作用下，通道内的粒子流可以表征检测段的粒子流速度场的分布情况。

技术特征：

1.一种粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统，其特征是，包括有：采集粒子流截面速度信息的阵列通道；给所述阵列通道提供粒子流的粒子流循环装置；以及对所述阵列通道采集的数据进行处理和控制的数据处理控制装置；所述阵列通道包括有设置在迎流面一端的数据提取管段、设置在中间的观测管段和设置在背流面一端的稳流管段；所述数据提取管段由多个横截面为方形的小通道阵列而成；在每个所述小通道的两端分别设置有电容，形成两组阵列电容传感器，所述阵列电容传感器与所述数据处理控制装置相连接。2.根据权利要求1所述的粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统，其特征是，所述阵列电容传感器通过数据采集卡与所述数据处理控制装置相连接，所述数据采集卡与巡检仪相连接。3.根据权利要求1所述的粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统，其特征是，所述稳流管段由多个横截面为方形的小通道阵列而成；所述观测管段为透明的亚力克管段；在所述阵列通道两端分别设置有法兰。4.根据权利要求1所述的粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统，其特征是，所述粒子流循环装置包括有水源单元、气源单元和检定管路单元；水源单元包括有串接的水箱、水泵、水塔；气源单元包括有串接的气泵、稳压罐、干燥器；检定管路单元，包括有连接混合器的三条管线，第一条管线与所述水塔连接并串接有标准流量计、压力表、粒子投放端和温度表；第二条管线与所述干燥器连接并串接有压力表和标准流量计；第三条管线通过压力表与所述水箱连接；所述阵列通道设置在检定管路单元的第一条管线上；所述数据处理控制装置与所述粒子流循环装置相连接，控制所述粒子流循环装置进行水源和气源的循环工作。5.根据权利要求1所述的粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统，其特征是，所述数据处理控制装置包括有工业控制计算机、plc模块、继电器和电源。6.一种粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测方法，其特征是，包括如下步骤：a、所述粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测方法应用于权利要求1所述的粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统；b、由粒子流循环装置给阵列通道提供带有piv示踪粒子的循环粒子流，在阵列通道内的电容两端产生电信号，并且输出到数据处理控制装置中，电容的求解方程为c＝εs/4πkdc
‑‑
介电常数，s
‑‑
为电容极板的正对面积，d
‑‑
为电容极板的距离，k
‑‑
则是静电力常量；c、数据处理控制装置对数据提取管段两端的两组电容产生的电信号进行互相关计算，得到粒子流经两组电容的时间差，互相关的计算公式如下：两个函数f(t)和g(t)的互相关，由含参变量t的无穷积分定义，即r
fh
(t)＝∫f
*
(t)g(x+t)dt
用互相关来衡量两个时间序列f(t)和g(t)在两个不同时刻的取值之间的相似程度,并且寻的最大值，记录此时的时间为：δt
i
＝t
i1-t
i2
；d、数据处理控制装置逐步计算单个小通道内的粒子流的速度，计算公式是：式中：v
(x,y)
为某小通道内的粒子流速，单位是m/s；l为两电极间的距离，为常数；δt
(x,y)
为互相关算法算出的粒子流过某小通道两电容的时间差；e、数据处理控制装置对每一组小通道内的粒子流的速度进行整合，最后得到管道内粒子流的截面速度场。7.根据权利要求6所述的粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测方法，其特征是，在所述b步骤中，接通电源，打开检定管路单元的旋拧阀门，打开水源单元和气源单元，水泵将水箱中的水抽出并流向水塔高处，形成水压差从底端流出，水依次流过标准流量计、压力表、阵列通道和温度表，水箱中的水和气源单元中的气体一起通入混合器，最后到达水箱形成闭环。8.根据权利要求7所述的粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测方法，其特征是，在粒子投放端投放适量的piv示踪粒子，运行五分钟，使得piv示踪粒子均匀分布在粒子流循环装置中。

技术总结

本发明提供了一种粒子流截面速度场微通道阵列电容式检测系统和方法，系统包括有采集粒子流截面速度信息的阵列通道；给所述阵列通道提供粒子流的粒子流循环装置；以及对所述阵列通道采集的数据进行处理和控制的数据处理控制装置。本发明通过同一小通道内的两组电容采集后两组数据，并进行互相关算法计算，将粒子流的相同特征提取，并且记录时间，电极间的距离已知，就可以得到小通道内粒子流的流速特征。将所有小通道内的粒子流的流动速度提取，组合成整个管道截面粒子流的截面速度场。本发明是基于电容介电常数与极板物质相关原理，以及与互相关算法结合计算，最终将所有小通道内粒子的速度合成截面速度场。粒子的速度合成截面速度场。粒子的速度合成截面速度场。