颗粒浓度传感器的制作方法

本发明涉及颗粒浓度传感器领域。更具体地、但非唯一地，本发明涉及流体流中固体颗粒浓度的测量。

背景技术：

测量流体流中的固体颗粒浓度和速度是许多工业和部门(例如，环境监测、电力生产、食品加工和制造以及制药和药物开发)中的重要要求。

在测量流中的颗粒浓度的已建立的方法中，导电探测器伸入流中，并且当在流内移动的固体颗粒与探测器相互作用时，电荷会累积在探测器上。该电荷以电流的形式从探测器流动，从而提供信号，可以对该信号进行处理以提取通过探测器的颗粒流的速率和质量的量度。所产生的电信号被认为是流中颗粒浓度的直接测量。

在本领域中已知，可以评估这种感应信号的dc分量以确定流体流中的固体颗粒浓度。例如，wo86/02454描述了一种用于测量气体流中颗粒的流速和质量流量的装置。置于包含固体颗粒的气体流中的金属探测器联接至包含处理装置的电路。探测器通过与探测器相互作用的颗粒而带电。所得到的电流提供信号，该信号随后进行低通滤波以去除频率大于0.3hz的任何ac信号分量。剩余的信号基本上仅包括信号的dc分量。然后，通过处理装置评估该dc分量，以产生对应于颗粒流率的输出信号。然而，在存在可变流速的情况下，该方法不能精确测量固体颗粒浓度。这降低了测量的可靠性，甚至在流速快速且广泛变化的应用中，可能致使该方法无效。许多现有技术的颗粒浓度传感器对它们的工作流速设置了严格的界限。

wo9905479a1描述了一种使用互相关来测量流速的方法。在流体流中设置两个摩擦电探测器，并且通过大量数学计算使从两个探测器获得的信号相关，以实现流体流的速度的测量。然而，该方法需要使用第二摩擦电探测器，并且使信号处理严重地复杂化，导致系统成本和复杂性增加。

美国专利5644241描述了一种方法，该方法试图在存在可变流速的情况下提供颗粒浓度的精确测量，而不需要额外的探测器。在流体流中设置摩擦电探测器以产生电信号。第一电路调节电信号并且提供与流中固体颗粒的浓度成比例的输出。第二电路提供与探测器信号的变化率成比例的输出。获得探测器信号的变化率的测量使流中的流速变化进行数学补偿。然而，数学补偿处理需要复杂的校准程序且计算密集。

美国专利5054325描述了第二种方法，该方法试图在存在可变流速的情况下提供颗粒浓度的精确测量，而不需要额外的探测器。摩擦电探测器嵌入管道的壁中，含有悬浮固体颗粒的流体流过管道。来自探测器的输出信号通过具有非常高的带宽和快速响应时间的电路来处理，从而能够区分固体颗粒与探测器的单独的相互作用。通过计算颗粒相互作用，可以确定通过探测器的流速。然而，该方法需要复杂、易于出现电磁兼容性(emc)问题且昂贵的超宽带电路。

在此引入作为参考的wo9322653a1描述了一种确定流中颗粒浓度的方法。导电杆安装在烟囱(stack)中，并且联接至处理电路。通过气体流中的颗粒使杆摩擦起电，并且评估电路中产生的信号，以给出提供颗粒流指示的输出。杆在安装到烟囱壁中的点处被绝缘，以防止电流传输到烟囱壁或从烟囱壁传输，但是绝缘材料不在导电杆的整个外表面上延伸。在0.1hz与2hz之间的频带内评估信号的交流(ac)分量。除与颗粒流相关的变量之外，气流相关的变量的变化都可能影响来自摩擦电探测器的信号的直流(dc)值，但不会在相同程度上影响信号的ac分量的大小。术语“气流相关的变量”是指与气流区域内和探测器处的环境、气流本身和/或气流中的颗粒相关的变量。因此，除与颗粒流相关的变量之外的与气流相关的变量的示例是：气流区域内的湿度、气体流的温度、沉积在探测器上的颗粒层的厚度以及气流中颗粒的电荷。与颗粒流相关的气流相关变量的示例是颗粒的质量流量以及颗粒的速度和尺寸。因此，尽管起初评估较小幅度的ac信号分量而不是较大的dc分量可能看起来是不利的，但是流中颗粒的质量流量与ac信号分量的改善的相关性足以弥补补偿后的信号幅度。然而，ac信号分量受颗粒速度的显著影响，因此该方法仍然不能在存在可变流速的情况下提供颗粒浓度的精确测量。

在此引入作为参考的wo9423281a1描述了一种确定流中颗粒浓度的替代方法。探测器定位为伸入颗粒流中，以便通过流中的颗粒摩擦起电。在这种情况下，探测器的伸入颗粒流中的部分包括具有绝缘层的导电芯，该绝缘层使芯与颗粒流绝缘。在0.1hz与5hz之间的频带内评估来自探测器的信号的ac分量。同样，当与dc分量相比时，信号的ac分量较小，已经发现信号的ac分量比信号的dc分量对颗粒流的反射更准确。同样，ac信号分量受颗粒速度的显著影响，因此该方法仍然不能在存在可变流速的情况下提供颗粒浓度的精确测量。

本发明试图减轻以上问题。可替代地或附加地，本发明寻求提供一种改进的、更精确的或更节省成本的用于测量流中的颗粒浓度和流速的方法和装置。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，本发明提供了一种测量流体流中的颗粒浓度的方法，包括以下步骤：

在流中设置探测器，使得探测器通过流中的颗粒带电；

测量通过探测器的带电而感应的电信号；

确定信号的ac分量的大小；

确定流速；以及

根据ac分量的大小和流速计算流中的颗粒浓度

如上所述，现有技术的颗粒浓度传感器可以评估感应信号的ac分量，以确定颗粒浓度的测量。因为信号的ac分量的大小似乎较少受到气流相关的变量(例如，气流区域中的湿度、气流的温度、沉积在探测器上的颗粒层的厚度以及气流中颗粒的电荷)的影响，所以与评估dc信号分量相比，提供了改进的颗粒浓度测量。然而，测量ac信号分量的现有技术的颗粒浓度传感器仍然显著地受到颗粒速度变化的影响。本发明的发明人已经发现，感应信号的ac分量在带宽上比由现有技术传感器评估的2hz至5hz宽得多，并且现有技术传感器对ac分量的窄滤波妨碍了在存在可变流速的情况下对颗粒浓度的精确测量。因此，本发明的实施方式提供了一种装置，其通过评估信号在全带宽上的ac分量来精确测量可变速率流体流中的固体颗粒浓度。本发明人还发现，ac信号分量的带宽随流速从5hz到50hz变化，并且ac信号分量的平均频率随速度近乎线性地变化。因此，本发明的实施方式可以用于通过评估信号的宽带ac分量的平均频率来测量流中颗粒的速度。

根据第二方面，还提供了一种用于测量流体流中的颗粒浓度的颗粒浓度传感器，包括：

探测器，布置成伸入流中；

信号处理电子器件，布置成从探测器接收信号；

其中：

信号处理电子器件布置成：确定信号的ac分量的大小；确定流速；并且根据ac分量的大小和流速来计算流中的颗粒浓度。

根据本发明的第三方面，提供了一种包括根据本发明第二方面的颗粒浓度传感器的烟囱。

当然应该理解的是，可将关于本发明的一方面所描述的特征结合至本发明的其他方面中。例如，本发明的方法可以结合参照本发明的装置描述的任何特征，反之亦然。

附图说明

现在将参照所附示意性附图仅通过示例方式来描述本发明的实施方式，附图中:

图1是根据本发明第一实施方式的颗粒浓度传感器的截面的示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的颗粒浓度传感器的框图；

图3是图2中的信号处理软件的框图；

图4示出根据本发明第一实施方式的测量流中颗粒浓度的方法的步骤；以及

图5示出三种不同流速下对于恒定质量流量的感应信号的频率分量的变化。

具体实施方式

根据第一方面，本发明提供一种用于测量流体流中颗粒浓度的颗粒浓度传感器。颗粒浓度传感器包括：探测器，布置成伸入流中；以及信号处理电子器件，布置成接收来自探测器的信号。信号处理电子器件布置成：确定信号的ac分量的大小；确定流速；并且根据ac分量的大小和流速计算流中的颗粒浓度。

探测器可以是摩擦电探测器。探测器可以是摩擦起电的探测器。探测器可以是通过静电感应带电的探测器。

本领域技术人员将理解的是，摩擦起电是指通过与第二物体的摩擦接触而在第一物体上诱发电荷的过程。还应当理解的是，静电感应是指物体上的电荷由于附近电荷的电场而重新分布。

信号的ac分量可以包括5hz与50hz之间的频率分量。

如上所述，本发明的发明人已经发现，感应信号的ac分量的带宽比现有技术所指示的宽得多。在全带宽上评估ac分量可以更精确地测量颗粒浓度，包括在存在可变流速的情况下。另外，评估信号的全带宽可以允许根据ac分量的平均频率来确定流速。

信号处理电子器件可以布置成对信号进行滤波，以去除低于0.25hz的频率分量。信号处理电子器件可以布置成对信号进行滤波，以去除低于0.15hz的频率分量。信号处理电子器件可以布置成对信号进行滤波，以去除低于0.1hz的频率分量。

对信号进行低通滤波以去除低于0.1hz，可选地低于0.15hz，以及可选地低于0.25hz的频率分量，可以降低由温度相关的瞬态电压引起的杂散信号的风险。

信号处理电子器件可以布置成对信号进行滤波，以去除高于80hz的频率分量。信号处理电子器件可以布置成对信号进行滤波，以去除高于100hz的频率分量。信号处理电子器件可以布置成对信号进行滤波，以去除高于150hz的频率分量。

对信号进行高通滤波以去除高于150hz，可选地高于100hz以及可选地高于80hz的频率分量，可以降低颗粒浓度传感器对电磁干扰的敏感性。

信号处理电子器件可以布置成确定信号的ac分量的均方根(rms)值。

探测器可以布置成伸入流中。探测器可以布置成垂直于流方向突出。

将探测器布置成伸入流中可以具有简单的安装过程。

颗粒浓度传感器还可以包括管道，引导流通过管道，并且探测器安装在管道上。

引导流通过管道可以使颗粒浓度测量更精确。

探测器可以包括金属芯和绝缘层，并且绝缘层将探测器与管道电绝缘。

引入绝缘层以将金属芯与管道绝缘可以避免管道与金属芯之间的电流传输。

绝缘层可以覆盖全部金属芯，使得金属芯不会直接暴露于流中。

布置成使得金属芯不直接暴露于流中的绝缘层的使用，可以避免由于带电颗粒在金属芯与管道之间积聚而在管道与金属芯之间传输电流，从而在绝缘层周围提供电流路径。

绝缘层可以仅覆盖金属芯的一部分，使得金属芯直接暴露于流中。

仅覆盖金属芯的一部分使得金属芯直接暴露于流中的绝缘层的使用，可以降低电荷积聚在绝缘层上而产生点火源的风险。

颗粒浓度传感器还可以包括流速测量仪。

引入流速测量仪可以通过冗余允许改进的自测试和增强的系统弹性。

根据本发明的第二方面，还提供了一种测量流中颗粒浓度的方法。该方法的第一步骤包括将探测器配置于流中，使得探测器通过流中的颗粒带电。该方法的第二步骤包括测量通过探测器的带电而感应的电信号。该方法的第三步骤包括确定信号的ac分量的大小。该方法的第四步骤包括确定流速。该方法的第五步骤包括根据ac分量的大小和流速来计算流中的颗粒浓度。

信号的ac分量可以包括5hz与50hz之间的频率分量。

该方法还可以包括对信号进行低通滤波以去除低于0.25hz的频率分量的步骤。该方法还可以包括对信号进行低通滤波以去除低于0.15hz的频率分量的步骤。该方法还可以包括对信号进行低通滤波以去除低于0.1hz的频率分量的步骤。

该方法还可以包括对信号进行高通滤波以去除高于80hz的频率分量的步骤。该方法还可以包括对信号进行高通滤波以去除高于100hz的频率分量的步骤。该方法还可以包括对信号进行高通滤波以去除高于150hz的频率分量的步骤。

确定流速的步骤可以包括确定信号的ac分量的平均频率。

通过确定信号的ac分量的平均频率来确定流速的步骤可以使得在不使用单独的流速测量仪的情况下确定流速。

可以通过对信号的过零进行计数来确定平均频率。

对信号的过零进行计数可以提供确定信号的平均频率的计算有效手段。

可以通过使用单独的流速测量仪来确定平均频率。

根据本发明的第三方面，提供了一种包括根据本发明第二方面的颗粒浓度传感器的烟囱。

图1示出了根据本发明第一实施方式的颗粒浓度传感器100。颗粒浓度传感器包括：管道101，包含固体颗粒103的流体流过管道101；以及探测器105，布置成伸入流中。探测器105包括：金属芯107；绝缘层109，位于芯107与管道101之间以将芯107与管道101电绝缘；以及信号处理电子器件(如图2所示)。颗粒浓度传感器100还包括单独的流速测量仪111。

工作时，流体携带着悬浮的固体颗粒103沿管道101流动。当固体颗粒103被携带通过探测器105时，一部分固体颗粒103与探测器105的金属芯107相互作用。该相互作用使金属芯107带电，从而在金属芯107内感应电流。感应电流包括由信号处理电子器件处理的信号。流速测量仪111测量流速，并且将相应的信号输出至信号处理电子器件。

信号处理电子器件113(图2)包括微控制器115和信号调节电子器件。来自探测器105的检测信号被接收至输入放大器117中。输入放大器117对检测的信号进行初步滤波，以将信号的频率分量限制在1.1khz以下(在该示例实施方式中)。输入放大器117还在微控制器115的控制下提供可编程增益。在此特定实施方式中，可以对输入放大器117进行编程以提供100k、10m以及100m的增益。输入放大器117的输出通过ac耦合网络119传递至二级放大器121。二级放大器将ac信号与由参考电压123提供的偏置求和，对信号进行电平移位以有助于稍后的信号数字化。二级放大器121在微控制器115的控制下还提供可编程增益。在该特定实施方式中，可以对二级放大器121进行编程，以提供单位增益或者为5的增益。二级放大器的输出被传递至抗混叠滤波器125，抗混叠滤波器125的输出被提供至高速模数转换器(adc)127，高速模数转换器(adc)127对信号进行采样和数字化以供微控制器115处理。微控制器115执行输入放大器和二级放大器的增益控制129以及输入放大器117的模式控制131。模式控制131控制颗粒浓度传感器100在工作模式和自检模式之间的切换，在工作模式下，来自探测器105的检测信号被输入至输入放大器117。在自检模式下，数模转换器(dac)133由微控制器115控制以产生提供至输入放大器117以用作测试输入的正弦波。通过将微控制器115处接收的信号与在微控制器115的控制下由dac133产生的已知测试信号进行比较，可以评估信号处理电子器件113的性能。

微控制器115对从高速adc127接收的数字化信号执行信号处理软件(图3)。包括数字化信号的adc样本137由信号预处理块139预处理，信号预处理块139应用任何进一步需要的缩放、滤波或信号调整。然后，预处理的信号被馈入32抽头(tap)低通滤波器141。低通滤波器141去除高于100hz或低于0.15hz的任何频率分量。去除高于100hz的频率分量降低了源于电磁干扰的杂散信号的风险。去除低于0.15hz的频率分量降低了源于温度相关的瞬态电压的杂散信号的风险。虽然在该特定实施方式中使用32抽头滤波器，但在其它实施方式中也可以使用具有更多或更少抽头的滤波器。抽头数目的选择是低通滤波器141所需的衰减与实现低通滤波器141所需的处理能力(128抽头滤波器比32抽头滤波器对计算的要求更高)之间的折衷方案。在处理链的第一分支中，低通滤波器141的输出被传递至过零计数器143，过零计数器143对一段时间内的过零次数进行计数以确定信号的平均频率。ac信号分量的平均频率相对于流速近似线性地变化。因此，能够根据ac信号分量的平均频率来确定流速。在处理链的第二分支中，在用户可选择的时间长度内计算低通滤波器141的输出的均方根值(rms)。自适应增益控制145在rms计算147期间执行动态增益缩放，以适应大的信号变化并且使动态范围最大化。ac信号分量的rms值与流中颗粒的质量流量密切相关，并且因此被认为代表了流中颗粒的质量流量的精确测量。因此，可以使用以下公式来计算149流中颗粒浓度的精确测量：

其中：

c＝颗粒浓度

rms＝ac信号分量的rms值

a＝管道的截面积

v＝流速

本领域技术人员将理解的是，该测量与颗粒浓度成比例，并且可以应用比例因子以绝对值给出颗粒浓度。

本领域技术人员将理解的是，探测器必须在物理上足够大，使得感应信号具有足够幅度使其高于本底噪声，并且探测器必须位于流的层流部分，使得紧邻或围绕探测器的流基本上代表整个管道的流。本领域技术人员还将理解的是，探测器必须足够大并且位于流中，使得检测的信号代表流中颗粒的质量流量。

在该实施方式中，根据所选择的操作模式，通过过零计数器143确定流速或者通过另外的流速测量仪111提供流速。应当理解的是，本发明的一些其它实施方式不包括另外的流速测量仪。

第一实施方式的颗粒浓度传感器特别适合于在烟囱中使用。应当注意的是，烟囱是特别恶劣且具有挑战性的环境，在该环境中操作非常的脏、热，并且通常很难接近。

图4示出根据本发明第二实施方式的测量流中颗粒浓度的方法200的步骤。由框201表示的第一步骤包括在流中设置探测器，使得探测器通过流中的颗粒带电。由框203表示的第二步骤包括测量通过探测器的带电而感应的电信号。由框205表示的可选的第三步骤包括对信号进行低通滤波，以去除低于0.1hz的频率分量。由框207表示的可选的第四步骤包括对信号进行高通滤波，以去除高于100hz的频率分量。由框209表示的第五步骤包括确定信号的ac分量的大小。由框211表示的第六步骤包括确定流速。由框213表示的第七步骤包括计算流中的颗粒浓度。应当理解的是，这些步骤可以同时执行和/或以与图4所示的不同的顺序执行。

图5示出三种不同流速下对于恒定质量流量的感应信号的频率分量的变化。可以看出，增加的流速对应于较高频率信号分量的增加。因此，信号的平均频率可以被认为是流速的度量。

虽然已经参照特定的实施方式对本发明进行了描述和说明，但是本领域普通技术人员将理解，本发明适合于没有在此具体地说明的许多不同变化。仅作为示例，现在将描述某些可能的变化。

在本发明的实施方式中，探测器可以采取嵌入管道壁中的导电贴片或环的形式，或者将探测器暴露于流的任何其它形式。

在本发明的实施方式中，金属芯可以被绝缘层覆盖，使得金属芯不直接暴露于流。

在本发明的实施方式中，流可被引导通过管道、通道、烟囱或任何其他适合引导流动流体的结构。

在本发明的一些实施方式中，不包括另外的流速测量仪，并且颗粒浓度传感器仅在通过测量ac信号分量的平均频率来确定流速的模式下工作。

在本发明的实施方式中，信号处理电子器件可以位于探测器内。类似地，可由专用集成电路(ic)提供微控制器的功能或者可由共享计算资源提供微控制器的功能。

本发明的实施方式可以将信号处理电子器件的功能实现为软件功能。类似地，在本发明的实施方式中，可以在电子硬件中实现信号处理软件的功能。

在本发明的实施方式中，信号处理电子器件的微控制器可以包括微处理器、现场可编程门阵列(fpga)、复杂可编程逻辑器件(cpld)、专用集成电路(asic)或其它处理装置中的一个或多个。

在本发明的实施方式中，可使用过零计数器的替代方法来确定信号的平均频率。例如，本发明的实施方式可以利用傅立叶变换或评估信号的功率谱密度。类似地，本发明的实施方式可以利用测量ac信号的大小来替代rms值。虽然优选地使用ac信号分量的rms值，但是本发明的实施方式可以利用峰值幅值或过去峰值幅值的运行平均值。

在以上说明中，所提及的整数或元素具有已知的、明显的或可预见的等同物，则该等同物在此并入，如同单独阐述一样。应当参照权利要求书来确定本发明的真实范围，应该将其解释为包含任何这样的等同物。还将理解的是，被描述为优选、有利、方便等的本发明的整数或特征是可选的，并且不限制独立权利要求的范围。另外，应当理解的是，尽管这些可选的整数或者特征在本发明的某些实施方式中可能具有益处，但是在其他实施方式中可能是不希望的，并且因此可能不存在。