（测试计量技术及仪器专业论文）光散射型颗粒浓度在线监测方法及cem系统研究.pdf

摘要 摘要 随着全球工业化进程的飞速发展，环境污染和生态破坏日益严重引起了世界 各国的高度重视。c e m s ( c o n t i n u o u se m i s s i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ) 作为一种监控 设备，可以连续、实时、在线监测污染排放源排放烟气中的颗粒污染物、气态污 染物的浓度和排放总量，以达到控制污染物排放总量的目的。研究颗粒排放物浓 度实时在线检测的技术就显得日益重要。 本文主要讨论了颗粒浓度在线测量的光散射方法。从理论、实验研究和设备 研制等方面都作了深入的研究和探索。 本文研究了颗粒浓度测量的散射积分法理论，详细讨论了与散射光采集角大 小、颗粒尺寸分布与被测浓度之间的关系。研究表明，散射积分法与散射光强的 采集角度、采集角度大小以及系统测量参数有关，与颗粒粒径分布无关。 本文首次将散射积分法理论和透射法粉尘浓度测量原理相结合，给出了两种 新的颗粒浓度测量方法一透散比法和透散积法。两种测量方法与颗粒平均粒径、 散射光强的采集角度、采集角度的大小以及系统测量参数有关，与颗粒粒径分布 无关。基于m i e 散射理论的数值模拟证明了测量原理的正确性。 根据研究的透散法粉尘浓度测量原理和c e m s 的标准( 国家标准 h j t 7 6 2 0 0 1 ) ，论文介绍了一种新型的透散法粉尘浓度测量系统。在测量系统设 计中，采用了用于进行零点漂移、量程漂移标定的标定激光器组件和反射分光镜 架作为光路调整组件，并在系统中增加摄像机组件以观察系统光路调整情况。 测量仪还使用了一种新型光电接收器件作为测量系统光路调整检测部件，并 设计了一种“十字形”光路调整瞄准器。提出了种利用新型光电接收器件的不 同光敏区域减小保护玻璃污染造成系统测量误差的方案。 论文详细介绍了透散法颗粒浓度测量系统的实验室标定研究。研制的测量系统 被应用于莱大型钢厂烧结炉的烟尘排放系统中进行了长期的试运行。采用等速采 样法对实验室研究和现场应用进行了系统标定。测量结果和标定结果都表明研究 的测量方法正确可靠，研制的测量仪可以达到实时在线监测排烟粉尘浓度的要 求，满足c e m s 制定的标准。 关键词：颗粒浓度，透散法，光散射，c e m s ，在线测量 a b s t r a c t a b s t r a c t w j t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw o r l di n d u s t r i a l i z a t i o n t h ew o r l de n v i r o n m e n t p o l l u t i o np r o b l e mi si n c r e a s i n g l ys e r i o u ss ot h a ti ta t t r a c t sm o r ea n dm o r ep e o p l e s e y e si nt h ew o r d c e m s ( c o n t i n u o u se m i s s i o nm o n i t o r i n gs y s t e m li sr e g a r d e da sa m o n i t o r i n gi n s t r u m e n t ，w h i c hr e a l i z e st h ec o n t i n u o u s ，r e a l t i m e 。o n 1 i n em e a s u r e m e n t o fp a r t i c l ea n dg a s e o u sp o l l u t a n te m i s s i o no fp o l l u t i o nr e s o u r c e s oi ti s v e r y i m p o r t a n tt od e v e l o pa n o n l i n e m o n i t o r i n gt e c h n i q u ef o rp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n m e a s u r e m e n to fe m i s s i o nr e s o u r c e i nt h ep a p e r , am e a s u r e m e n tm e t h o df o rp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o no ff l u eg a su s i n g l i g h ts c a t t e r i n gt h e o r yw a s d e e p l yr e s e a r c h e da n de x p l o r e df r o mt h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s p e c t s a n da ni n s i t uj n s t r u m e n tb a s e do na b o v er e s e a r c hr e s u l t sw a s d e v e l o p e da n da p p l i e di nas t e e lf a c t o r y t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa n dw o r k sa r ea s f o l l o w s ： f i r s t l y , m e a s u r e m e n to fp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nu s i n gs c a t t e r i n gi n t e g r a t i o nt h e o r y w a si n v e s t i g a t e d t h ee f f e c t so fl i g h ts c a t t e r i n gc o l l e c t i o na n g e lr a n g ea n dp a r t i c l e s i z ed i s t r i b u t i o no nr e s u l t s p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n ta r e s t u d i e da n d d i s c u s s e di nd e p t h i ti sf o u n d e dt h a tl i g h ts c a t t e r i n gi n t e g r a t i o nm e t h o di sr e l a t e dt o p o s i t i o na n dr a n g eo fl i g h ts c a t t e r i n gi n t e n s i t yc o l l e c t i o na n g e la n dp a r a m e t e r so f m e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n di si n d e p e n d e n to fp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n s e c o n d l y , t w on o v e lt e c h n i q u e sf o rm e a s u r i n gp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nb a s e do n t h es c a t t e r i n gi n t e g r a t i o nt h e o r ya n de x t i n c t i o nt h e o r yo fp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n ，i e ， m e a nm e t h o da n de x t i n c t i o nm e t h o d ，w e r es u g g e s t e d t h et w om e t h o d sa r er e l a t e dt o m e a ns i z eo fp a r t i c l e ，p o i s o na n dr a n g eo fs c a t t e r e dl i g h tc o l l e c t i o n a n g e la n d p a r a m e t e r so fm e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n da r ei n d e p e n d e n to fs i z e d i s t r i b u t i o no f p a r t i c l e a n dt h er e s u l t so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb a s e do nm i es c a t t e r i n gt h e o r y a l s oc o n f i r m e dt h ev a l i d i t yo ft h et e c h n i q u e s t h i r d l y , am e a s u r e m e n ts y s t e mo fp a r t i c u l a t ec o n c e n t r a t i o nb a s e do nc e m s s t a n d a r do fc h i n aa n dt r a n s m i s s i o n s c a t t e r i n gm e a s u r e m e n tp r i n c i p l ew a sr e s e a r c h e d a n dd e v e l o p e d d u r i n gt h ed e s i g n p r o c e s so fm e a s u r e m e n ts y s t e m ，c a l i b r a t i o n c o m p o n e n t so fl a s e ra r eu s e dt oc a l i b r a t et h ez e r os h i f ta n dr a g es h i f to fm e a s u r e m e n t s y s t e ma n db e a m s p l i t t e rm i r r o rm o u n t si su s e dt oa d j u s tc o m p o n e n t so fl i g h tc i r c u i t a d d i t i o n a l l y , v i d e oc a m e r ai sa l s oi n s t a u e di nt h es y s t e m w h i c hi su s e dt or e c o r d a d j u s t e ds t a t u so fo p t i c ss y s t e m f o u r t h l y , an e wt y p eo fp h o t o e l e c t r i c a la p p a r a t u si sp u tf o r w a r da sd e t e c t i o n c o m p o n e n t so fo p t i c ss y s t e ma d j u s t m e n ts t a t u sa n das e l f - d e s i g n e dc r i s s c r o s sd i o p t e r o fl i 曲tc i r c u i ta d j u s t m e n ti sa l s op r e s e n t e d f u r t h e r m o r e ，as o l u t i o no fs y s t e m i ce r r o r d u et op o l l u t i o no fl i g h ts y s t e mw i n d o ww a si n t r o d u c e du s i n gaf l o wp h o t o e l e c t r i c a l a p p a r a t u s f i n a l l y , c a l i b r a t i o n o f p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d t r a n s m i s s i o n - s c a t t e r i n gm e t h o dw a ss t u d i e dd e t a i l e d l yi nt h el a b a n dt h es y s t e mw a s a p p l i e di nal a r g es t e e lc o m p a n yf o rm e a s u r e m e n to fd u s tc o n c e n t r a t i o n l o n g t i m e f i e l dt e s ta n d o p e r a t i o nr e s u l t sa n dc a l i b r a t i o nr e s u l t ss h o w e dm e a s u r e m e n ts y s t e mi s v e r yr e l i a b l e ，r e a l i z e sc o n t i n u e s ，o n 1 i n em e a s u r e m e n to fp a r t i c u l a t ec o n c e n t r a t i o na n d a b s t t a c t s a t i s f i e st h es t a n d a r do fc e m s k e y w o r d s ：p a r t i c u l a t ec o n c e n t r a t i o n ，s c a t t e r i n g t r a n s m i s s i o nm e t h o d ，l i g h t s c a t t e r i n g ，c e m s ，i n - s i t um e a s u r e m e n t i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特i i i i 以标注和致谢的地方外，论文不包括其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得东南大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：壑生垦f i l l ：堂塑生! ! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除了保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息的形式刊登) 授权东南大学 研究生院办理。 研究生签名：垫连导师签名：f 圣i 1 3 日期：蚴 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 大气污染通常指由于人类活动和自然过程引起某些物质介入大气中，达到了 足够的浓度，持续了足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和福利或危害 了环境”j 。在人类的发展史上，随着煤炭的大量使用，使得工业革命成为可能的 同时，也对大气环境造成极为严重的污染。从二次大战以来，石油产品得到广泛 的利用和迅速发展，石油制品的燃烧尾气造成的大气污染也己成为当前突出的闯 题。人类在自身发展的过程中所造成的大气污染不但将对人类自身的健康，而且 还将对整个地球的生态环境、地球生物的多样性及气候等各方面构成了严重的威 胁和影响 2 1 【3 。 国家环保局在国家环境保护“十五”计划中指出：保护环境是我国的一 项基本国策。今后五到十年，是我国经济和社会发展的重要时期，是进行经济结 构战略性调整和改革开放的重要时期，也是减轻环境污染和遏制生态恶化趋势的 重要时期。紧紧抓住新世纪的历史机遇，下大力气解决全国突出的环境问题，促 进经济、社会与环境协调发展和实施可持续发展战略，是“十五”乃至到2 0 1 0 年环境保护工作重要而又艰巨的任务【4 j 。 经过多年坚持不懈的努力，全国环境状况正在由环境质量总体恶化、局部好 转，向环境污染加剧趋势得到基本控制、部分城市和地区环境质量有所改善转变。 但是，环境形势仍然相当严峻。全国污染物排放总量还很大，污染程度仍处在相 当高的水平，一些地区的环境质量仍在恶化。生态恶化加剧的趋势尚未得到有效 遏制，部分地区生态破坏的程度还在加剧。环境污染和生态破坏在一些地区己成 为危害人民健康、制约经济发展和社会稳定的一个重要因素。 环境与污染源监测仪器及自动监测系统既是环境信息的源头，又是环境质量 评价、环境监控及环境科学管理的手段。为了对环境质量和生态环境进行实时准 确的监测，并对污染源及其治理进行监督检测，迫切需要大量的现代化环境监测 分析仪器，特别是优质的自动监测分析系统和污染源在线连续监测系统，其中工 业粉尘、烟尘在线监测系统是一个重要组成部分。目前我国正在建设和完善国家 环境监测网络，主要建设重点污染源在线自动监测系统，环境污染应急监测系统 等；同时开展环境信息和综合决策技术、污染源排放总量自动监测技术、环境质 量监测和预报预警技术等环境高新技术和污染防治技术的攻关。因此开发研究新 的污染排放自动监测系统有很重要的科学意义和应用前景。 1 2 烟尘浓度监测技术的进展 我国是一个发展中国家，正处于一个加速发展的时期，对环保有一个认识过 程，在追求经济增长速度的同时，没有把环境保护放在同等重要的地位，造成我 国环境污染过大。2 0 0 3 年全国工业粉尘和烟尘的排放量分别为1 0 2 1 万吨和 1 0 4 8 7 万吨【5 1 。因此控制粉尘污染将是中国大气污染控制中的一个重要任务。 对大气环境保护而言，烟尘颗粒排放物的浓度是具有重要影响的参数，通过 它可以进一步计算出在一定时间内排放源的总体排放水平，为总量控制提供最基 东南大学博士学位论文 本依据。颗粒浓度的测量是一个古老而又极具挑战性的课题，在不同的历史时期 都受到研究人员的重视，并且不断地赋予它新的生命力。到目前为止，人们已经 发展了许多基于各种不同原理的测量方法和测量系统，为烟尘排放测试提供了强 有力的手段，但是这些测量方法和仪器都存在不同程度的局限性，还处于进一步 完善及改进中。这些测量方法大致可以分为两种：手工监测和实日寸在线监测 6 】。 i 2 1 手工监测 手工临测反映污染物瞬时或短时问的排放状态，主要应用于环境监测部门对 排放源的监督性监测和对连续测试系统的测量准确度进行评估、调校。 一、林格曼黑度法【7 【踟一1 黑度法是十九世纪末法国工程师林格曼( r i n g e l m a n n ) 提出的烟尘浓度的目 测法，称为林格曼黑度法。它是以操作人员的视觉观察某一排放源，并将所观察 到的烟尘黑度与林格曼黑度表比较后确定烟尘的浓度值。罗巴茨煤烟黑度图也是 基于同样的方法建立起来的。林格曼黑度分为6 级，各级黑度与烟尘的浓度值的 对应关系如表卜1 所示。 黑度法简单，但测量结果很大程度上要受到诸如操作人员的视力、判断力 等主观因素以及气象和周围环境等客观因素的综台影响，只能给出一个相对大 小的估值，其测量结果的准确性是有疑问的。一般而言此方法只适用于燃煤烟 尘排放的定性测量，对于非煤烟排放如石油化工等排放的白烟、炼钢时产生的 棕色烟雾就无能为力。总的来说这种方法比较粗糙，精度比较低，无法满足污 染总量控制的要求。 级数烟气特点黑色所占面积 烟尘量( g m 3 ) 0全白o0 l微灰2 0 0 2 5 2 灰 4 0 0 7 0 3深灰6 0 1 2 0 4灰黑8 0 2 3 0 5全黑1 0 0 4 0 5 o 表卜l 林格曼烟尘浓度表 二、重量法( 采样法) o 】【l l 】【1 2 】 世界各国，包括欧美等先进工业国大都采用采样法( s a m p l i n g ) 测定粉尘的 排放浓度，其原理是按等速原则从被测烟道中抽取一定体积的有代表性的烟气， 并用已称重的过滤器或冲击器等把采样空气中粒径小于某定义尺寸的悬浮颗粒 物分离出来，称重得到所采集的固体颗粒重量，除以采气体积就可以得到排放源 的粉尘排放浓度。由于获得了烟尘样本，还可以进一步分析烟尘组分的物理特性 及化学成分。 等速条件是保证从被测流体中抽取具有代表性的烟尘试样的必要条件，即所 采烟尘的浓度和粒径与被测流体保持一致。采样速度大于或小于采样点的烟气速 度都将使测量结果出现偏差。使用等速采样管采集高浓度烟尘时，采样过程中应 第一章绪论 注意采样管测压孔是否有积灰或堵塞现象，如堵塞应及时清除，保证等速精度。 实际上，严格意义上的等速往往难以实现；采样系统不能满足等速采样条件时， 在所抽取的样品气流中无论是烟尘浓度还是烟尘颗粒大小都会与实际情况不符。 此外取样到的含尘气流在传送到后继分离设备的过程中，也会有所损失，这些都 导致了测量结果的偏差。 当采样嘴轴线与气流方向不一致时，即使满足等速条件，抽取的含尘量也将 偏低，尘样中细颗粒偏多。采样嘴的结构及其与测量装置的连接长度都会影响取 样的代表性。对断面较大的管道为了得到可靠的测量结果需要进行多点测量。例 如当矩形管道面积大于1 6 m 2 时，测点数多达3 6 个才能得到烟尘的平均排放浓度。 取样法虽然原理简单，但为了保证得到等速取样以及多点测量，其操作过程 烦琐，测量周期长，劳动强度大，测量结果的可靠性也是一个有争议的问题。它 的另一个不足之处是不能进行连续的测量，而这一点对实施排放总量的控制是十 分重要的 。 1 2 2 实时在线监测 实时在线测试技术用于对污染物固定排放源做长期的、连续的监测，可以实 时的反映污染物在某一时间的排放状况。它是利用烟尘的物理、化学等特性直接 测量烟尘的排放浓度，如利用颗粒材料的电介质和静电特性、基于磁、微波、声 音谐振原理、利用l a m b e r t b e e r 定律以及c t 扫描技术研究发展的颗粒浓度检测 技术。【1 6 】。 一、电容法【1 7 】一【2 0 】 一般来讲电容器的电容可由( 卜1 ) 式给出。 c = 岛瓯d ( 卜1 ) 其中晶是自由空间介电常数，s 是电介质材料的相对介电常数。a 。是两极 板重叠部分面积，d 是板间距离。电容法测量固体颗粒浓度的依据是一个简单的 原理：若电容感应空间内存在固体颗粒，测得的电容量会增加，因为与气体( 气 体的相对介电常数近似为晶) 相比颗粒的介电常数要大得多，这会使相对介电常 数增加。电容的变化可以通过将电容器和适当的电子线路组合如a c 偏移电桥来 转化为适当的电信号( 电流，电压，频率) 。 研究人员进行了大量的颗粒流动测量中的电容传感器的设计及应用方面的 研究。研究所采用的感应电极有平板型、多平板型、环型、四分之一环型甚至针 型，它既可以安装在管道绝热部分的内部又可以安装在外部。测得的电容与测量 段的固体颗粒浓度有着直接或间接的关系。电容测量法可以分为稳态电容测量法 和动态电容测量法两种。 电容传感器的主要优点是它的廉价。稳态电容法存在的问题是基线漂移、较 低的整体感应性、感应区的固体颗粒堆积、温度的影响等。基线漂移和低整体感 应性可以通过电容测量电路来降至最小。通过使用动态测量技术来消除测量段固 体堆积的影响。温度引起的总电容的变化可以通过温度补偿技术来减少。为了消 除传感器输出对传送介质的介电常数的依赖性，需要在在线测量之前用静态模型 进行离线标定，其中静态模型由湿度已知的相同固体材料组成。使用多电极测量 可以使感应电极对流型的依赖性降至最小。 东南大学博士学位沦文 二、电荷法【1 3 j 【2 i j 。【2 4 j 电荷法是近十年来在国际上受到重视的一种侵入式颗粒浓度在线测量方法。 任何粉体状的物质在气体的输送过程中，都会产生碰撞和磨擦，因此粉体粒子会 失去电子而形成带静电荷的粒子和颗粒，随着颗粒浓度及粉体流速的变化，其电 荷量也按一定规律变化。感应电荷产生的机理为： ( 1 ) 感应：带电颗粒产生一个变化的电磁场，探针产生电流： ( 2 ) 静电传递：带电颗粒与探针碰撞时产生电荷传送； ( 3 ) 摩擦生电：来自所有与探针碰撞的颗粒。 因此电荷法又可以分为两种：摩擦电法和静电感应法。 l 、摩擦电法 当固体粒子随气体通过一段与外界绝缘的金属管( 检测管) 时，由于带电颗 粒与管道内壁不断往返撞击而发生电荷移动，从而使金属导管与她之间产生电 流。资料 7 表明，无论对于小直径微粒( 飞灰。d p ，。= 1 2 p v ) 还是大直径颗粒 ( 石英沙，a p ；。= 3 2 0 p r o ) 的气固两相流，通过检测管检测到的电流与固体质 量流量的比例和检测管入口单位质量固体所带电荷成线性关系，而且与固体颗粒 在管道中的空间分布无关。颗粒的电荷可由一个与检测电路相连的屏蔽绝缘电极 测出。摩擦电法测量原理如图卜1 所示，测量段结构如图卜2 所示。 图1 - 1 摩擦电法测量原理 图卜2 测量段的结构 2 、静电感应法 颗粒所带的电荷在随粉体的流动中形成一个可变的静电场。根据静电感应原 理，密封在一个绝缘的壳体内的静电传感器感应到管道内静电场的大小及变化， 4 第一章绪论 会产生与粉体浓度有关的电量，通过信号处理，即可得到粉体的浓度。 电荷法的主要问题是如何将产生电荷信号的大小和待测固体颗粒浓度联系 起来。电荷信号主要由颗粒的物理性质( 如尺寸，形状，分布，导电性，介电常 数，化学组分，湿度等等) 和传送条件( 管道尺寸，管壁粗糙度，温度的线性度等 等) 决定。固体颗粒的浓度和速度也是影响电荷信号大小的因素。除非上述参数 都有很好的定义以及是常量，否则很难解释测量结果。根据此原理设计的一台仪 器能够标定已知颗粒性质且在稳定流动的条件下的固体材料。但当实际颗粒性质 和流动条件随时问不可预知变化时会存在误差。一些影响浓度测量的因素可以通 过对传感器和检测电荷的电子器件的设计优化来降至最小。另外电荷法除了扰动 流场外，它的有效测量区域很小，一般只能准确测出金属电极附近几十毫米以内 的颗粒浓度。 虽然有上述的那些缺点，这项技术提供了最廉价最简单的管道内固体颗粒的 测量方法。因为电荷传感器只对管道中运动的固体颗粒产生反应，测得的浓度数 据在很大程度上对固体颗粒的堆积有免疫性，这是其他方法所没有的。 目前在欧洲、美国和澳大利亚等国家已经有商用产品投入使用。尽管如此， 有关摩擦电方法测量颗粒浓度的理论还不完善。目前的理论研究主要集中在两方 面。一是从电动力学的角度出发，寻找描述颗粒浓度与静电流之间关系的更加精 确的理论计算模型。例如，英国伦敦格林威治大学的m u r n a n e 等人对两相流动中 颗粒摩擦生电的机理进行了研究，提出了用镜像电荷法来描述颗粒带电量与金属 电极对地静电流之间的关系，并给出了理论计算模型【2 ”。二是研究不同的材料情 况下颗粒摩擦生电的机理和特征。例如，日本的k i t t i p o o m w o n g 等人研究了不同 种类颗粒混合物之间的带电特性【2 “。 三、热膜( 线) 风速法1 2 7 【2 9 】 热膜( 热线) 风速法是二十世纪初发展起来的一种流体速度测量技术，其基本 原理是流动过程的热平衡，即热膜( 或热线) 温度升高或降低所吸收或排放的热量 应与气流速度改变所损耗的热量相等。 在两相流动中，热平衡仅仅是一种理想状况，热量的变化还与环境温度、颗 粒浓度以及密度有密切关系。因此恒温热膜( 线) 风速法可以测量两相流动中颗粒 的局部浓度。热膜( 线) 风速法的缺点主要在于容易引起污染和漂移，性能稳定性 欠佳，用于测量颗粒浓度时很难得到信噪比较高的输出信号。此外，热膜( 线) 风速法的测量区域非常有限，不能用于全场测量。 四、谐振传感器【3 0 】【3 l 】 当一个有适当频率的电磁场加到一个材料上，材料的原子核能以l a m o r 频率 来吸收电磁场能量，称为原子磁谐振。电磁谐振与原子磁谐振很相近。原子核谐 振检测材料中包含的一类被选中的原子核，而电磁谐振检测自由或不成对的电 子。两种方法都需要样品材料暴露在相对静态磁场中，由于科学技术的发展，可 以得到既高又可靠的磁场强度，提高了原子核谐振和电磁谐振的灵敏度。原子核 谐振反应的量级与单位体积内谐振原子数量成比例( 电磁谐振与不成对电子成比 例) 。因此原子核谐振和电磁谐振能测量基本的流体参数和固体颗粒的物理性质 如浓度、速度、质量流量。目前主要有以下三种传感器： 东南大学博士学位论文 1 、磁谐振传感器 作为质量流量计，应该应用低强度磁场从而使磁体的尺寸、重量和功率要求 达到最小。研究者发现，原子核谐振仪的最大流率受到原子核的松弛时间限制。 这种限制取决于仪器的设计和待测流体，而且在检测头周围的管道材料必须是非 金属，从而允许电磁场的穿过。 2 、微波谐振传感器 测量固体颗粒浓度的微波仪器使用一个微波空腔，若这个空腔通过一个小缝 隙与一个微波系统相连，则空腔从微波系统中以一定的特有频率吸收一定量的能 量，这个频率被认为是共振频率。从空的空腔到固体的存在引起的共振频率的变 化与空腔内固体颗粒浓度成比例。 共振频率变化技术的缺点是频率变化可能是阴性的也可能是阳性的，这取决 于颗粒的电介质性质：而且微波空腔对湿度和温度改变特别敏感。因此必须采取 特别的预防措施来稳定温度变化和校正湿度变化。 3 、声音共振传感器 声音传过流体的速度取决于流体的密度。当固体颗粒加到气体中形成一个分 散两相流时，混合体中的声速比单相气流时要低。以共振频率发生的适当的几何 声音共振与声速成比例。通过声音共振频率推出声音速度，从而得出固体颗粒浓 度。y e t t e r 和c u l i c k 使用一次扰动迭代声音分析做了电厂煤粉管道空气输送煤 粉样品的实验。他们证实可以通过测量一个单横向声音共振频率来得到固体颗粒 平均浓度，但是系统输出与颗粒尺寸有关，并只对尺寸小于1 0 0um 的颗粒敏感。 五、微波法【3 2 】吲 微波衰减技术已经应用在空气中固体颗粒浓度的测量。其测量原理是管道中 的固体颗粒吸收微波能量，增加了微波源与探测器间的微波衰减。对于一个固定 的微波路径长度，固体浓度越高，衰减越厉害。当湿度。颗粒尺寸，煤等级变化 时衰减也会有明显变化，而且煤颗粒在微波窗口的沉积引起衰减的明显增加，从 而造成错误结果。 近年来又发展了其他的测量固体浓度的微波装置。l t r i m 和t u m a 发明了一种 基于微波射线频率d o p p l e r 转换的实时固体浓度检测器。这个系统利用一个微波 空腔，测量入射的微波射线的r a y l e i g h 散射。被固体颗粒散射的射线通过用一 个未经散射的射线来叠加测量，从而得到一个与固体浓度有关的量。固体颗 粒穿过空腔以d o p p l e r 转换频谱的方式散射微波射线，其中d o p p l e r 转换频谱由 颗粒速度分布和空腔中微波射线传播的方向决定。由于系统只要测量被反射掉的 d o p p l e r 转换能量强度，因此检测器可以不受检测区固体沉积的影响。但是这种 检测器不能检测颗粒尺寸大于1 ，拥的情况。 e n d r e s s 和h a u s e r 制造了一个可以测量恒速在管道中流动的固体颗粒的浓 度。装置里的一个g u n n 二极管发射一个低功率连续信号，让它能区分管道中运 动和不运动的颗粒使信号被管道中的流动的固体颗粒反射。装置必须安装在特定 位置使微波能量到达运动的目标材料并能照射到整个流体宽度。但是这项技术要 受到颗粒尺寸，化学组分和颗粒速度的影响。 第一章绪论 六、射线法【3 4 】一【4 0 】 辐射流量仪利用电离辐射以x 射线或y 射线的形式来测量流体介质。透射过 介质的辐射线的衰减主要由被射线轨迹贯穿的物质单位面积总有效质量决定，而 不受射线穿过区的颗粒分布影响；并且在大多数可获得的光谱范围内，基本不受 湿度的影响。因此辐射衰减技术提供了空气管道中固体颗粒浓度的一个很有前景 的方法。 1 、b 射线 b 射线是放射线的一种，是一种电子流。所以在通过物质时，和物质内的电 子发生散射、冲突而被吸收。当b 射线的能量恒定时，这一吸收量就与物质的重 量成正比，不受颗粒物的粒径、分布、颜色等的影响。 测尘仪将烟气中颗粒物按等速采样方法采集到滤纸上，利用b 射线吸收方 式，根据滤纸在采样前后吸收b 射线的差求出滤纸捕集颗粒物的重量，用质量浓 度( m g m 3 ) 表示出颗粒物的浓度。 b 射线测尘仪属点测量，仍需要与手工采样测尘法同步进行比对，建立b 射 线测尘仪探头所在烟道截面上测点的颗粒物质量浓度与烟道截面颗粒物的平均 质量浓度的关系曲线，定量测定烟气中颗粒物含量。 2 、伽马射线 伽马射线法测量原理主要是利用被研究的介质对射线的吸收率与颗粒浓度 存在单值性关系。设z o r n ，分别是穿过介质前后的射线强度，根据l a m b e r t b e e r 定律，有 c 。：l 1 n l & o( 1 2 ) 。 n s 岛t s ， 其中g 为颗粒质量浓度，”，为颗粒对射线的吸收系数，胁为颗粒的密度。 伽马射线穿透性好，因此不存在测量窗口颗粒污染问题。由于不同介质的吸 收率不同，两相流动中流型对测量结果影响很大。为减小流型对测量结果的影响， a b r o 和h o h a n s e n 提出了多束伽马射线测量系统。尽管应用伽马射线测量颗粒浓 度的物理模型比较简单，但是实际测量中影响测量结果的因素还很多，为此探索 新的数据处理方法也在近年来受到重视，例如应用神经网络理论来处理复杂两相 流的测量数据。 3 、x 射线 与伽马射线类似，x 射线对介质的衰减特性可以用于颗粒浓度的测量。但是 由于x 射线法在安全性以及设备价格方面的原因，这种方法一般只用于常规方法 无法测量的场合。 射线法的优点在于测量的动态范围宽，空间分辨率高，能提供一个绝对基准， 而其他基于低价位传感器的固体流量仪要靠离线或在实际操作时的标定或验证。 但是由于存在放射性辐射源容易产生辐射泄漏。因此用于现场测量对操作人员的 素质要求较高。系统需要增加各种屏蔽措施，结构设备复杂且昂贵。 七、声波或超声波传感器【4 ” 研究表明两相流中固体颗粒浓度与固体流动的湍流性所产生的空气动力学 声音有一定的关系。检测元件可以是一个绑在管道外表面的麦克风。已经证明， 东南大学博士学位论文 这项技术能很好的适应已知流动和不流动条件，而不适合固体颗粒浓度的绝对测 量，因为卢音等级同样取决于颗粒的速度和尺寸。 在对高浓度的颗粒两相流的测量中，由于光的穿透能力有限，通常测量工作 是对待测的悬浊液或乳剂采样、稀释后再进行，这一方面会消耗一些时间，不适 合于在线j l 【测，而且对于某些稀释过程中会产生凝聚现象的颗粒物质来说，要进 行测量就更加困难了，因此，光散射方法较难广泛用于高浓度两相流测试中。超 声衰减法是声波在含有颗粒的连续相体系中传播，利用体系中的声衰减、颗粒对 声的散射等效应测量颗粒物浓度。由于声波具有穿透性好的特点，可用于高浓度 光线难以透过场合的在线检测，使其在高浓度颗粒两相流测量方面具备无可比拟 的优越性，越来越引起各国研究人员的广泛关注。 八、过程层析成像技术 过程层析成像法( p r o c e s st o m o g r a p h y , p t ) 是2 0 世纪8 0 年代中期正式形成 和发展起来的一种以两相流为主要对象的过程参数在线实时检测技术4 2 】【”1 ，它 是- 7 十代表将来的用于确定气体动力传送中固体浓度的测量技术。受到医学计算 机层析成像( c t ) 原理的启发，它通过在管道传输的多组分混合物中获得可视 化图像来测量两相流流动参数如颗粒浓度或分数容积的三维分布。由于过程层析 成像技术具有能够实现流场非扰动、多参数三维测量的优点，它在两相流流型辨 识和参数测量方面将具有很强的生命力。 根据传感方式的不同，过程层析成像法包括电容法4 “、电阻法】、电磁感 应法1 4 叫和超声法【4 ”等多种形式。国外的p t 研究已经从基础研究走向小规模的工 业实用。1 9 8 8 年英国曼彻斯特大学理工学院用8 电极电容层析成像系统对气固 两相流动进行了测试，1 9 9 0 年该系统发展为1 2 电极并被成功地应用于油气水三 相流动测量h 。1 9 9 4 年他们又报道了关于1 6 电极成像系统的设计方案。美国 在1 9 9 0 年研制了用于流化床测量的三维电容层析成像系统 5 0 1 。国内也有许多高 校开展了过程层析成像的基础研究，天津大学5 1 】【”、浙江大学53 1 、清华大学酬、 东北大学1 5 5 j 【5 6 j 以及武汉大学【57 】等都取得了一批令人鼓舞的成果。过程层析成像 法在气液两相流测量中取得了很好的成果，但是由于传感器的低分辨率和低敏感 度，所以把这项技术延伸到运行状况变化更宽的气固流动中的设想只取得了一些 有限的进展。 过程层析成像技术用于在线测量的困难主要在于信号检测、图像重构和从重 构图像中获取测量结果。两相流动一般情况下是一种非定常流动，且流型分布也 不完全对称，为了尽可能更准确地描述空间每一部分，往往需要使用多对传感器。 由于两相流动中影响敏感量变化的因素很多，敏感量与待测量之间的关系是非线 性的，并且可测量往往少于待测量，因此研究和发展适用于不同场合的重构算法 也是当前过程层析成像技术的一个重要研究方向。从重构图像中获取定量的信息 是一件非常复杂的任务，目前还不能成功的从重构的图像中获取在线的、实时的 固体浓度的测量数据。 九、光学法 由于光的透视性，易于实现光电之间的转换和与计算机的连接等，使得基于 光学原理的测量方法能够对污染源进行远距离的连续测量。光的衰减和散射可以 第一章绪论 用来测量气固两相流中的固体颗粒的平均浓度。m i e 散射理论是这种测量方法的 理论基础。 1 、透射法”1 国外在7 0 年代推出了用于测量烟尘浓度的浊度计( o p a c i t y ) 。浊度计是基 于l a m b e r t b e e r 定理设计的测定烟气中颗粒物浓度的仪器。当一束光通过含有 颗粒物的烟气时，其光强因烟气中颗粒物对光的吸收和散射作用而减弱。这表明 光通过含有颗粒物的烟气的透过率与a c l 呈指数下降， t ? = l i o = e - “ ( 1 - 3 ) 式中，t 为光通过烟气的透过率；，。为入射光强；，为出射光强；口为分子 吸收率( 与颗粒物直径、波长、吸光度有关) ：c 为污染物浓度：l 为光通过烟气 的距离即光程。对于稳定的介质和固定的波长，d 为常数，对于固定的烟道，l 为常数，因此c 只与，。有关。 浊度计分单光程和双光程两种。单光程测尘仪在烟道的两侧分别装有光源发 射部分和信号接收部分，由光源发射的一束光通过烟气，由信号接收部分测量光 信号并转变为电信号输出。双光程测尘仪由发射接收装置和反射装置两部分组 成，由光源发射的一束光通过烟气，由安装在烟道或管道对面的反射镜反射再经 过烟气回到接收装置，被检测器测量的光信号经转变为电信号输出。双光程测尘 仪已经广泛的应用于烟气中颗粒物浓度的测定。 浊度仪的原理简单，使用方便，装置的结构也不很繁杂，但缺点也明显，因 为它给出的测量结果只是一个“含混不清”的相对参考值一浊度f ，而不能直接 给出烟气中的烟尘绝对浓度究竟是多少，使得所测得的烟尘浓度误差很大。仪器 需要通过标定得到透过率与烟尘浓度之间的对应曲线，但这种标定是困难和复杂 的，而且理论计算表明透过率与烟尘浓度之问并非是单值关系，由于颗粒大小的 不同，同一遮光率可以对应于不同的烟尘浓度。浊度仪具有远距离、实时、在线 和连续测量的优点，但在生产实践中并没有得到很多的应用，主要用于对污染源 的相对排放情况监控和了解。 目前国外市场上又推出一种与浊度法类似的杂散光法，供烟尘浓度测量之 用，与浊度法不同的是，它测量的是与入射光方向成一定角度下的杂散光信号。 相同情况下烟气中的烟尘浓度越大，杂散光的信号越强，反之越弱。滞1 2 、m s e a 法 德国k a r l s r u h e 核研究中心将浊度法和压电振动法结合起来形成一种新的测 量系统，可在线测量烟尘的浓度和颗粒粒径。图l - 3 为压电振动测试仪示意图。 首先利用压电材料的压电振动特性，当烟道中被抽取的烟气通过滤带时，尘粒被 过滤在滤带上，从而引起滤带振动频率的改变，通过测量频率的变化。可以得到 粉尘的浓度；再根据l a m b e r t - b e e r 定律，求得烟尘的平均粒径。 m e s a 系统首次实现了同时在线测量烟尘的浓度和平均粒径，但是由于它采 用了两套测量装置，所以结构复杂，使用不够方便，测量结果也不够精确。 3 、光脉动法 5 8 】【6 剐 由光全散射测粒原理可知，当一束波长为x 的平行单色光照射到被测颗粒 时，由于颗粒对光的散射和吸收，透射光的强度将会衰减，这可由l a m b e r t b e e r 9 东南大学博士学位论文 罅带轴 滤带 图1 3压电振动测尘仪示意图 管 定律描述。设测量光束的截面积为a ，测量区长度是l ，测量区的体积即为a l ， 则l a m b e r t b e e r 可以改写成如下形式 - ! 。- g = e x p ( 一云n d 2 k e ，, ( 枷，d ) ) ( i _ 4 ) 式中r l 是测量区内的颗粒数。测量光束的直径远远大于颗粒尺寸，且测量区 域体积较大时，测量区内颗粒数相当大。当颗粒处于流动状态时，尽管由于流动 过程的随机性使得连续不断流过测量区的颗粒数会略有变化，仍可认为测量时在 测量区域