一、引　　言

　　圆形封闭管路内散装固体物料质量流量的测量,可广泛应用于煤炭、化工等领域各种散装固体物料的管道输送与计量称重。但是,由于测量环境的封闭性、连续性与非接触性,对此类物料质量流量的测量问题始终没有得到解决。

　　我们知道,求解封闭管路内散装固体物料的质量流量,关键是准确测量流速和截面相浓度值,目前封闭管路内散装固体物料随机流动噪声的硬件相关测速技术已逐成熟,但成本很高,而现有的软件相关测速,完成一次极性互相关函数测量时间约10s,速度太慢。目前国内外对散装固体物料实时截面相浓度测量的研究,由于难点问题较多,基本属于空白。经过6年研究,我们围绕质量流量测量中测速的实时性问题,提出了一种新的实时测速全软件相关器,其实时性与硬件相关器相当,且灵活性好,适应性强,成本低廉。同时,针对相浓度实时截面测量这个难点问题,提出了一种新的基于“旋转”+“均匀”+“实时”三位一体的有源栅极式截面相浓度传感器设计方法。通过上述测量问题的研究,较好地解决了散装固体物料质量流量测量中长期存在的几个关键问题,使在线实时检测固体物料质量流量成为可能。

　　二、质量流量测量原理与方法

　　质量流量测量原理如图1所示。质量流量检测主要包括相关测速及截面相浓度测量两部分。

　　1·相关测速的原理与方法

　　相关测速原理主要利用被测流体在管道内稳态流动时,流速传感器拾取上、下两路随机流动电容噪声信号x(t)和y(t),并在时间T内作互相关函数计算。

　　其中,互相关函数最大峰值所对应的滞后时间τ就是两路采样信号间隔时间,若已知流动距离L,可求得物料流速V = L/τ。图1中,在圆管截面aa′和bb′处分别安装两对相同的凹形电容极板,极板尺寸及安装位置需选择适当。两路电容流动噪声信号经节点A、B分别进入两路相同的电容变送器,变送器设计采用脉宽调制及真有效值转换电路,具有较高的灵敏度及抗干扰能力。现有的相关软件测速,主要采用“绝对过零算法”,即将上式中两路信号的互相关问题进一步简化为在一定运算时间T内检查两路信号穿越零点的方向和穿越时间一致性问题,从而有公式:

式中T———运算时间

　　Tn———两极性方波信号之间“纯的”极性一致的时间

　　通过软件统计极性一致与不一致时间,由式(2)可获得延时τ。为防止正负向穿越零点时序的完全改变而导致相关函数的计算错误,采用双稳触发器保证第一次正向过零,上述互相关运算及寻峰处理约需10s。

　　为提高软件相关及寻峰的实时性,我们在设计中主要采取了3项措施:(1)改变“绝对过零算法”为“直接相对过零算法”,由软件预先进行极性比较和判断,以防过零中断信号的丢失和重叠,不仅简化了电路设计且不必保证第一次必须正向过零的条件,时钟一经启动,不必打扰,缩短了判断时间;(2)采用0.618扫描寻峰配合自适应细化寻峰代替现有的扫描对分法细化寻峰,寻峰速度提高了5.7倍;(3)注意采用位处理,页环形存储,程序代码嵌入等多种8031单片机快速处理功能,优化了程序设计。

　　根据上述改进而制成的全软件相关器,经HP3562A信号分析仪标定,相关测量误差为±1%,实时性为1s,达国内外先进水平。

　　2·相浓度测量的原理与方法

　　圆形封闭管路内散装固体物料实时截面相浓度的测量是国际上一个测量难题,而如何提高测量精度则是解决难题的关键。我们通过研究发现:(1)物料在传感器敏感空间中位置的不同,会影响电容测量值的大小,我们称之为“位置效应”,如何减小“位置效应”带来的测量误差是提高测量精度的关键之一;(2)被检介质在敏感空间中会产生一定的极化电流和介质损耗,我们称之为“极化效应”,如何减小“极化效应”带来的测量误差,则是提高测量精度的关键之二。

　　在认真分析了影响测量精度的两个问题之后,我们提出了解决上述问题的主要设计原则:(1)必须注意电场均化设计,减少电场畸变;(2)根据被检介质的物理化学特性、损耗—频率曲线及闭环检测稳定性条件合理选择激励源。同时,在综合分析和吸取现有各种电极设计成果的基础上,经实时性、均匀性等矛盾问题的反复权衡和比较。终于设计出一种新的集“旋转”+“均匀”+“实时”三位一体的有源栅极式截面相浓度传感器。电极设计方法:将具有一定间隙比的矩形电极均匀环形围绕于管壁外侧,形成类似于栅形的组合电极,图2是其中的一个具体实现,电极间隙δ,长度L′,宽W,极数N。将上述各电极间隔相连,并联起来相当于一个大的对称等效两极板电容布置,引出两端作源电极和检测电极,分别施加激励。电极激励形式、几何尺寸和形状位置均已由计算机进行频响特性及电场有限元仿真优化,并经模拟实验验证可行。该传感器具有灵敏度高,电场均匀,截面检测性能好等优点。

　　相浓度变送器采用我们新研制的交变式开关电容网络积分转换电路设计,主要包括:(1)时序逻辑控制电路;(2)积分转换电路;(3)采样保持电路。转换电路原理如图3所示,该电路采用开关电容网络结构设计,多开关配置,确保了Cx反复正向充电→放电→反向充电→放电的循环过程,交变式网络设计在开关频率足够高时可弱化“位置效应”和“极化效应”,且具有杂散电容免疫功能,积分电路采用Boxcar原理设计,系统信噪比改善倍。

　　我们采用“等速度质量法”进行了相浓度的单独标定实验,测量误差为±1.728%。

　　3·质量流量的求取

　　由图1可见,采用相关测速可获得固体物料流速v(t),再结合实时截面相浓度ρ(t),即求出累积质量流量:

　　整个系统设计由8031单片机及其硬件接口电路组成。硬件接口电路主要包括:(1)极化过零电路;(2)外部晶振分频电路;(3)调试和检查相关处理的伪随机信号发生电路;(4)截面相浓度信号预处理及A/D转换电路等。结构化软件设计主要包括:(1)键盘扫描、置数修改与显示程序;(2)扫描自适应0.618快速寻峰程序;(3)采样程序;(4)质量流量的瞬时与累积求解程序及各种浮点定点运算子程序库等。

　　考虑到一般稳态流动,速度值的波动不会很剧烈,流速实时性采样1次/s可基本满足要求,相浓度值ρ(t)根据A/D转换速度可选择10~1000次/s。质量流量计算可根据单片机内预置的缺省控制参数或指定值,由软件主模块分层调用各子模块程序及其服务库完成。并可根据用户需要自动显示流速、相浓度及瞬时或累积质量流量。

　　三、实验设计与结果分析

　　为了对所设计的质量流量测量系统进行模拟实际的动态实验,特制作一套模拟实验架,架顶装有圆形料仓,仓底设一控制阀门。试验选择聚乙烯塑料圆管垂直安装,内径=110mm,试验物料为一般性的,选0.5(mm)3左右的碎石。当系统加电稳定后,开启闸门,此时速度及相浓度传感器分别拾取物料流动信号,经标定处理,系统自动显示质量流量。选若干次质量流量重复试验,可得出平均误差在±2.5%以内,达到国内外先进水平。

　　从试验结果看,检测误差主要来源于两个方面:(1)流速测量误差:主要包括相关算法本身固有误差及采样误差,这部分误差可以通过提高时钟频率,细化分辨率而得到改进;(2)相浓度的检测误差:“位置效应”误差和介质“极化效应”误差是主要误差源。此外电极制作误差,转换电路误差及数据拟合与标定误差也会影响到检测系统的精度,因此系统精度的进一步提高,还有许多工作要做。

　　四、结束语

　　从目前试验情况看,基于全软件相关测速算法以及实时截面相浓度检测技术而制成的质量流量测量系统,性能稳定,成本较低,加之测量系统检测原理通用性强,因此它可以广泛应用于包括散装固体物料在内的各种气固两相流体质量流量的测量,是一种很有发展前途的新型流量测量方法,具有广阔的应用前景。

　　参考文献

　　1　徐苓安编著·相关流量测量技术·天津:天津大学出版社,1988

　　2　黄民,魏任之·一种新型的电容式随机流动噪声传感器与变送器的研制·仪表技术与传感器,1992;(3)6~8

　　3　陈先中·气固两相流体实时截面相浓度测量系统的基础研究.博士学位论文·中国矿业大学,1996

　　本文作者：陈先中 魏任之(教授)　黄　民