一种智能监控气力输送中管道内物料沉积的远程控制系统的制作方法

本发明涉及气力输送技术领域，具体涉及一种智能监控气力输送中管道内物料沉积的远程控制系统。

背景技术：

气力输送已然在电力、食品、采矿、冶金、化工及制药等工业领域广泛应用，特别是在火力发电厂内，应用双套管输送颗粒状物料时，可实现对物料的大出力，长距离输送。然而在输送过程中无法实时监测管道内物料沉积的状况，当物料沉积过于严重时，无法及时处理，严重时将导致系统完全瘫痪，危害设备安全。为保障输送设施的安全运行，方便有效的物料沉积检测终端势在必然。

目前，市场上很少有监控气力输送中管道内物料沉积的结构，对于物料沉积量的检测大都采用人工手动检测的方法，也有远距离无线检测，如中国专利(专利号为201210277057.7)提出了一种微尘沉积量的远程监控系统及检测方法，基于光电效应，在积尘槽的底部安装菲涅尔透镜，根据积尘对光强变化的影响转换成积尘重量，并通过无线模块传输至云计算中心，可无线自动对多个监测点监测。但其沉积检测终端过于复杂，占用空间较大，若沉积厚度过大时光无法透过，测量数据误差将增大，基于光电效应只能监测少量的沉积量，无法应用于大出力，长距离输送的双套管结构。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出了一种智能监控气力输送中管道内物料沉积的远程控制系统。基于电容效应设计出沉积检测终端，并能实时检测出双套管单位面积上的沉积量，可实现无线监测双套管除灰系统中多个监测点上的沉积量，观测其是否堵塞。并将各个监测点上的数据通过有线传送至主控制器再通过无线通信网络传送至云计算服务器当中，在云计算中心统一监控、管理多个监测点，再将数据传送至手机客户端，实现高效、便捷的远程监控。

为解决背景技术中所存在的问题，本发明采用以下的技术方案是：提供一种智能监控气力输送中管道内物料沉积的远程控制系统，包括主控制器、无线通信模块、云服务器、沉积检测终端，其特征在于，该系统还包括手机客户端；所述沉积检测终端铺设在双套管底部的下管壁上；所述沉积检测终端与主控制器连接；所述主控制器与云服务器通过无线通信模块实现通讯；云服务器与手机客户端也通过无线通信模块实现通讯；

所述沉积检测终端包括电容天线、绝缘片及测量单元；所述电容天线输出的信号源入射功率与反射功率之比s11与管内沉积层厚度成正相关，所述绝缘片紧贴在管道底部，绝缘片上固定电容天线，电容天线的接地端直接固定在管道底部，管道底部接地；电容天线的馈电端通过导线引出管壁连接测量单元内的芯片引脚，测量单元再通过spi接口连接主控制器，双套管除灰系统受主控制器的控制。

多个监测点的沉积数据通过相应的有线通信模块传送至主控制器进行汇总处理，汇总出沉积位置信息、沉积参数信息(天线电容的变化值)，再通过无线通信模块将信息传送至云服务器，云服务器再通过无线网络将数据传送至手机客户端，方便用户查看管道内的沉积状况、同时也能上传或者下载不同的管道内沉积处理计划，再通过主控制器进行处理操作；

所述沉积检测终端用来获取双套管中沉积层厚度超过双套管直径3/4处所对应的沉积检测终端的沉积位置信息，并通过有线通信模块传送至主控制器；同时能够获取沉积参数信息，包括对应沉积检测终端所实时监测的沉积层厚度变化情况、电容变化情况、s11数值变化情况，也通过有线通信模块传送至主控制器；

所述主控制器的功能：(1)由主控制器自行获取参数记录时间信息，记录每天实时检测数据的具体时间进度；(2)由工作人员每次操作完后通过主控制器或在手机客户端中自行上传记录每月对沉积检测终端的检查与维护的次数的维护信息，也能在主控制器内编写管道沉积处理计划，为新员工提供技术参考；(3)将所有的信息汇总到主控制器进行本地存储，并与云服务器同步，实现多个监测点的实时监控；(4)调整气管路气压：当发现沉积层长时间处于大于双套管直径3/4处时，沉积现象严重，主控制器控制加强当地气管路内气压，进而吹散沉积处，避免管道内的沉积堵塞情况的发生；

所述手机客户端上设有沉积位置显示界面、时间显示框、沉积参数界面，维护信息界面，管道沉积处理计划界面及个人信息登录界面；沉积位置显示界面用于标记出双套管中沉积层厚度在超过双套管直径3/4处沉积检测终端的位置信息，并在此处预警可能会出现沉积现象；时间显示框用于记录每天实时检测数据的具体时间进度；沉积参数界面用于显示沉积检测终端所监测的沉积层厚度变化情况、电容变化情况；维护信息界面用于显示每月对每个沉积检测终端的检查与维护的次数；管道沉积处理计划界面由工作人员自行编写上传，能显示不同沉积情况的处理措施；个人信息登录界面用于使用者通过设置账号密码进行安全登录。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明基于电容效应设计出沉积检测终端，当物料沉积在电容天线的表面上时，由于电容的增大(天线的介电常数增大，电容也应增大)，输出的信号源入射功率与反射功率之比s11也随之改变，并与沉积层厚度成正相关变化，进而计算出物料的沉积量。监测数据更为精准，相较于原有基于光电效应设计出沉积检测终端，监测沉积量的范围更大，并且结构简单，占用空间小，易于安装。

2、使用lora无线模块，输出距离远，信号稳定，可长期在环境恶劣的情况下使用，并且，其可与internet网络连接将数据传送至云服务器，也可为便携式无线传感器校准仪提供通信链路，更好的满足多个监测点数据的收集与处理的需要。

3、采用云数据存储，并将数据传送至手机客户端，提高了实时监测的灵活性与便捷性。手机客户端能显示标记出双套管中沉积层厚度在沉积预警线(双套管直径的3/4位置)位置附近的对应沉积检测终端的位置信息，并在此处预警可能会出现沉积现象；同时能记录每天实时检测数据的具体时间进度，显示沉积检测终端所监测的沉积层厚度变化情况、电容变化情况，并能显查看每月对每个沉积检测终端的检查与维护的次数；显示管道沉积处理计划，给出可采取的相应措施，为新员工人提供技术参考，具体操作，可根据沉积位置信息，可加强当地气管路内气压，进而吹散沉积处，避免管道内的沉积堵塞情况的发生；同时设置需要密码登录的个人信息登录界面，充分保护了用户信息的安全，提高系统安全性与私密性。使用者还能在手机客户端中查看管道内的沉积状况、同时也可上传或者下载不同的管道内沉积处理计划(工作人员自行编写上传或下载，为新员工人提供技术参考等)，再通过主控制器进行处理操作，使系统更加人性化，智能化。

4、本发明测量沉积层厚度范围可为0-20cm，尤其适用于大出力长距离的双套管管路内沉积层的检测，工业使用的双套管管路除灰量大、沉积量多，并且气管路的气压大，现有的基于光电效应的检测终端不能满足生产检测要求。本发明基于电容效应设计出沉积检测终端，使其输出的信号源入射功率与反射功率之比s11与沉积层厚度成正相关，便于沉积计算，结构简单，安装方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的设计方案，下面结合附图及具体实施方案对本发明作进一步说明。

图1为本发明一种智能监控气力输送中管道内物料沉积的远程控制系统的系统结构示意图；

图2为本发明一种智能监控气力输送中管道内物料沉积的远程控制系统的沉积检测终端的结构示意图；

图3为本发明一种智能监控气力输送中管道内物料沉积的远程控制系统的电容天线的结构示意图；

图4为本发明一种智能监控气力输送中管道内物料沉积的远程控制系统的pcap02芯片的结构示意图；

图4是pcap02芯片的电路图，电容天线的馈电端通过导线接入pcap02芯片内pc0-pc5任一管脚，再插入spi接口，将信息传递出去。这里信息是根据监测电容天线的放电时间时，获得相应的电容。工作原理就是当物料沉积在电容天线21的表面上时，由于电容的增大，电容天线21的谐振频率点也随之增加，这引起电容天线21的频率点的偏移，则输出的信号源入射功率与反射功率之比s11也随之改变，并且s11值与沉积层厚度成正相关变化，进而可计算出物料的沉积量。

图5为本发明一种智能监控气力输送中管道内物料沉积的远程控制系统的手机客户端的界面简图；

图6为本发明一种智能监控气力输送中管道内物料沉积的远程控制系统的沉积层厚度与电容天线的s11之间的关系图；

图7为本发明一种智能监控气力输送中管道内物料沉积的远程控制系统的实施例2中电容天线的结构示意图；

图8为本发明一种智能监控气力输送中管道内物料沉积的远程控制系统的实施例3中模拟实验电容与物料颗粒沉积质量之间的关系图；

图中，1-管道、2-沉积检测终端、3-有线通信模块、4-主控制器、5-无线通信模块、6-云服务器、7-手机客户端、21-电容天线、22-绝缘片、23-pcap02芯片，24-spi接口。

具体实施方式：

下面通过附图及实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，但所述实施例仅为示例说明作用，并不以此作为对本发明保护范围的限定。

本发明一种智能监控气力输送中管道内物料沉积的远程控制系统(简称系统，参见图1-4)包括：双套管1、沉积检测终端2、有线通信模块3、主控制器4、无线通信模块5、云服务器6、手机客户端7；所述沉积检测终端2铺设在双套管1底部的下管壁上，所述沉积检测终端2与主控制器4通过有线通信模块3连接；所述主控制器4与云服务器6通过无线通信模块5连接；所述沉积检测终端2包括电容天线21、绝缘片22及测量单元；所述测量单元包括pcap02芯片23及其外围电路，电容天线21的馈电端通过导线连接在pcap02芯片23的输入引脚上；测量单元再通过spi接口24、有线通信模块3与主控制器4实现通讯。

所述绝缘片22紧贴管道底部，绝缘片22上放置电容天线21，绝缘片22与电容天线21大小相同，长度为14-16cm，宽度为10-12cm，绝缘片和电容天线均为薄片能自由完全与管道内壁相贴合，电容天线的接地端通过焊接的方式与管道底部相连，管道底部接地。电容天线21的馈电端穿过管道底部与外界相连，将沉积数据通过有线通信模块3传送至主控制器4进行汇总处理，并汇总出沉积位置信息、时间信息、沉积参数信息以及维护信息等再通过无线通信模块5将信息传送至云服务器6，对数据进行查看、分析、预警等，也可将数据传送至手机客户端7，提高了实时监测的灵活性与便捷性。电容天线和绝缘片很薄，且导线引出开孔很小，打孔引出后可在管壁外进行封口处理避免漏粉。

所述电容天线21为面阵型传感器，工作温度范围是-20℃至80℃，在9.5ghz至12.5ghz范围内基于渐变各向异性零折射率材料的电容天线21都有很好性能，并且其具有容易制造、集成、宽频带、便携等优点。所述有线通信模块3采用485总线与主控制器4通信，将管道内沉积参数上传至主控制器，主控制器对参数信息进行下载校准，所述无线通信模块5(这里应该有两个无线通信模块5，主控制器与云服务器间一个，云服务器与手机客户端之间一个。)采用lora无线模块、wifi模块等。

进一步，相邻两个沉积检测终端的间距为2-4m。

进一步，所述绝缘片与电容天线大小相同，长度为14-16cm，宽度为10-12cm，厚度较薄，可自由弯曲，并通过胶与管壁粘接的方式与管道底部相连。所述电容天线为弧形渐变天线，电容天线的外轮廓呈矩形，弧形渐变天线右侧弧形线呈外凸状并沿中心对称分布，弧线为直径20-30cm所在圆周的1/8，在外凸弧形线的交汇点处设置天线接地端；馈电端设在远离外凸弧形线的左侧边缘处。

所述有线通信模块采用485总线与主控制器通信，所述无线通信模块采用lora无线模块。

如图3所示，电容天线是基于维瓦尔第天线改变金属片结构为弧线状，虚线框内导线一端连接电容天线，另一端连接双套管内管壁(管壁再通过导线接地)，而另一根导线一端连接电容天线，另一端穿过管壁连接pcap02芯片内pc0-pc5任一管脚，pcap02芯片插入spi接口再通过有线传送模块将沉积数据传送至主控制器。通过pcap02芯片控制软件获得电容值相关沉积参数值。通过仿真软件cstmws2015模拟获取所选定的电容天线的s11的值，仿真软件cstmws2015用于对天线尺寸和介电层厚度进行可变扫描以找到合适的天线形状，并且s11值对介电层的厚度变化敏感，进而找出s11值和管内沉积层厚度成正相关的天线作为应用测试的电容天线。

所述沉积检测终端2的功能是：(1)获取沉积位置信息：双套管中沉积层厚度在预警线处沉积检测终端的位置信息。并通过有线通信模块3传送至主控制器4。(2)获取沉积参数信息：沉积检测终端所监测的沉积层厚度变化情况、电容变化情况。并通过有线通信模块3传送至主控制器4。

所述主控制器4的功能是：(1)主控制器4自行获取参数记录时间信息(记录每天实时检测数据的具体时间进度。)；(2)由工作人员每次操作完后通过主控制器4或在手机客户端7中自行上传记录每月对沉积检测终端的检查与维护的次数的维护信息，也可编写管道沉积处理计划，为新员工提供技术参考。(3)将所有的信息汇总到主控制器4进行本地存储，并与云服务器6同步，实现多个监测点的实时监控。(4)调整气管路气压：发现沉积现象后(也就是沉积层长时间穿过预警线时)加强当地气管路内气压，进而吹散沉积处，避免管道内的沉积堵塞情况的发生。

所述手机客户端7上设有沉积位置显示界面、时间显示框、沉积参数界面，维护信息界面，管道沉积处理计划界面及个人信息登录界面；(1)沉积位置显示界面：主要标记出双套管中沉积层厚度在预警线处沉积检测终端的位置信息，并在此处预警可能会出现沉积现象。(2)时间显示框：记录每天实时检测数据的具体时间进度。(3)沉积参数界面：沉积检测终端所监测的沉积层厚度变化情况、电容变化情况。(4)维护信息界面：每月对每个沉积检测终端的检查与维护的次数。(5)管道沉积处理计划：主要是工作人员自行编写上传，为新员工人提供技术参考，具体操作，可根据沉积位置信息，可加强当地气管路内气压，进而吹散沉积处，避免管道内的沉积堵塞情况的发生。(6)个人信息登录界面：设置账号密码，为了保护用户信息安全，提高系统安全性与私密性。

本发明的工作原理为：基于电容效应设计出沉积检测终端，电容天线可相当于一个电容器，绝缘片的作用是为了防止天线正反两面短路，当物料沉积在电容天线21的表面上时，由于随着物料沉积的增大电容的增大，电容天线21的谐振频率点也随之增加，这引起电容天线21的频率点的偏移，则输出的信号源入射功率与反射功率之比s11也随之改变，并且s11值与沉积层厚度成正相关变化，进而计算出物料的沉积量。

本发明中沉积检测终端2可进行多点设置，任意两个沉积检测终端2间存在一定间距，根据实际情况的不同，可将相邻两个沉积检测终端2的间距设置为2-4m。多个监测点的沉积数据可通过相应的有线通信模块3传送至主控制器4进行汇总处理，汇总出沉积位置信息、时间信息、沉积参数信息以及维护信息等再通过无线通信模块5将信息传送至云服务器6，对数据进行查看、分析、预警等，再通过无线网络将数据传送至手机客户端7，方便用户查看管道内的沉积状况、同时也可上传或者下载不同的管道内沉积处理计划，再通过主控制器进行处理操作，使系统更加人性化，智能化。并且有个人信息登录界面，可以充分保护用户信息，具有安全性与私密性。

本发明中的物料为粉状物料，检测的灵敏度与沉积层的厚度有关，沉积厚度越大，测量的灵敏度越低，测量的范围跟电容天线的大小有关，可以根据实际需要设置电容天线的大小规格，以满足实际测量精度要求。本发明的沉积检测终端能测量沉积层厚度在0-20cm的物料，可以满足双套管的测量需求。

实施例1

本实施例一种智能监控气力输送中管道内物料沉积的远程控制系统(参见图1-4)，包括：双套管1、沉积检测终端2、有线通信模块3、主控制器4、无线通信模块5、云服务器6、手机客户端7。沉积检测终端2铺设在双套管1底部的下管壁上，相邻两个沉积检测终端2的间距设置为2m。沉积检测终端2与主控制器4通过有线通信模块3连接，有线通信模块3采用485总线，主控制器4与云服务器6通过无线通信模块5连接，无线通信模块采用lora无线模块，云服务器6与手机客户端7也通过无线通信模块5连接。

所述主控制器4为工业电脑、个人pc机，包括：显示屏、电源模块、通信模块、扩展接口和本地储存器。显示器采用全彩色触摸显示屏，人机界面良好，放便直接操作，通信模块负责接收沉积检测终端传输过来的沉积位置信息、沉积参数信息，由主控制器4中pc机自行获取参数记录时间信息；同时由工作人员每次操作完后通过主控制器4或在手机客户端7中自行上传记录每月对沉积检测终端的检查与维护的次数的维护信息，所有的信息汇总到主控制器4进行本地存储，并与云服务器6同步，实现多个监测点的实时监控。

如图2-4所示，沉积检测终端2包括电容天线21与绝缘片22，并且绝缘片22与电容天线21大小相同，长度为16cm，宽度为12cm，绝缘片厚度为0.1-1mm，超薄柔性塑料薄片，电容天线21的厚度为0.1-1mm，可自由弯曲，并通过焊接的方式与管道底部相连，测量单元pcap02芯片23及其外围电路，测量单元连接通过spi接口24与主控制器4通过有线通信模块3连接。所述电容天线21为弧形渐变天线，电容天线21的外轮廓呈矩形，主要采用铜质材料制成，正面电极(馈电端)连接导线一端，连接位置在弧形渐变天线左侧边缘处，并引出导线穿过管壁连接pcap02芯片23内pc0-pc5任一管脚，pcap02芯片23插入spi接口24再通过有线通信模块3将沉积数据传送至主控制器4。背面电极(接地端)连接导线一端，连接位置在弧形渐变天线左侧边缘处虚线框内，并引出导线连接管壁，管壁再引出导线接地。弧形渐变天线右侧弧形线呈外凸状并沿中心对称分布，弧线为直径25cm所在圆周的1/8。

如图5所示，手机客户端7界面包括：沉积位置、时间信息、沉积参数、维护信息、管道沉积处理计划和个人信息登录界面，方便用户查看管道内的沉积状况、同时也可上传或者下载不同的管道内沉积处理计划。

沉积位置：主要标记出双套管中沉积层厚度在15-20cm处(这里指的是物料颗粒沉积下来的厚度，因为双套管的管径大概为20cm，若沉积层厚度长时间处于15-20cm，说明可能出现了堵塞现象，然后需要进行加强当地气管路内气压，进而吹散沉积处，避免管道内的沉积堵塞情况的发生。)沉积检测终端的位置信息。

时间信息：记录每天实时检测数据的具体时间进度。

沉积参数：沉积检测终端所监测的沉积层厚度变化情况、电容变化情况。

维护信息：每月对每个沉积检测终端的检查与维护的次数；

管道沉积处理计划：主要是工作人员自行编写上传，为新员工人提供技术参考，具体操作，可根据沉积位置信息，可加强当地气管路内气压，进而吹散沉积处，避免管道内的沉积堵塞情况的发生；

个人信息登录界面：设置账号密码，为了保护用户信息安全，提高系统安全性与私密性。

再通过主控制器4进行处理操作，控制双套管吸灰系统调整气管路气压，处理操作：发现沉积现象后(也就是沉积层长时间处于15-20cm时)加强当地气管路内气压，进而吹散沉积处，避免管道内的沉积堵塞情况的发生。)，使系统更加人性化，智能化。

图6展示的是电容天线21的s11数值(s11表示回波损耗特性，代表反射回信号源的部分入射功率的性能，定义为入射功率与反射功率之比。s11的值是在选取电容天线时通过仿真软件cstmws2015模拟获取的)与沉积层厚度之间的关系，可以看出，随着沉积层厚度的增加，电容天线21的s11数值呈现上增趋势，表明电容天线21具有良好的灵敏度、s11值与沉积层厚度呈现正相关变化的规律，证明电容天线21可以满足沉积测量的要求。

实施例2

本实施例一种智能监控气力输送中管道内物料沉积的远程控制系统中各部分的位置及连接关系与实施例1中的相同(参见图1)。不同之处在于改变电容天线21的轮廓形状为圆形轮廓结构(参见图7)，并且绝缘片22与电容天线21大小相同，直径为20cm，可自由弯曲，并通过焊接的方式与管道底部相连。该电容天线21能够满足s11与沉积层厚度成正相关的要求。本实施例中相邻两个沉积检测终端2的间距设置为3m。圆形轮廓安装方便，且与管道内壁更易贴合。

本实施例中的系统可实现无线监测双套管除灰中多个监测点上的沉积量，观测其是否堵塞，若沉积层厚度长时间处于管径数值大小附近，则说明可能出现了堵塞现象，然后需要进行加强当地气管路内气压，进而吹散沉积处，避免管道内的沉积堵塞情况的发生。将各个监测点上的数据通过有线传送至主控制器4再通过无线通信网络传送至云服务器6当中，在云服务器6统一监控、管理多个监测点(监控指的是观测双套管内沉积层的变化情况，管理指的是对数据信息的汇总，也可远程操控主控制器进行预防沉积的处理措施(也就是调高当地气管路内气压))，再将数据传送至手机客户端7，实现高效、便捷的远程监控。

实施例3

本实施例同实施例1结构相同，不同之处在于本实施例沉积检测终端的结构是：绝缘片22与电容天线21的宽度为1cm，长度为2cm，放置于管径为2cm的直管段中。采用本实施例中的结构，物料(固相)所占总体积分数为0.12进行气力输送模拟实验，用于拟合电容与沉积质量之间的关系，

图8展示的是所测量的电容天线21电容与物料颗粒的沉积质量之间的关系，可以看出，电容值随着物料颗粒的沉积质量的增加而增加，电容和沉积质量的关系通过实验拟合得到y＝23180x⁴+622293x³-66952x²+40373x+5*10⁶，其中y表示电容，单位为pf，x表示沉积质量，单位为g。

当物料颗粒的沉积质量在0和0.6g之间时，电容值对物料颗粒的沉积非常敏感，并且电容波动范围大。但是，在0.6到1.0g的沉积范围内，电容的增加值变缓。这主要是因为当物料颗粒沉积物在天线表面达到一定厚度时，电容天线21电容将对物料颗粒沉积物的增加的敏感度下降。可根据此实验拟合出来的公式用于双套管物料沉积质量检测作为参考，给出电容与沉积质量的关系式，进而达到实时监测双套管物料沉积的目的，使系统更加人性化，智能化。

本发明未述及之处适用于现有技术。