（热能工程专业论文）气固两相流的静电测量法研究.pdf

东南大学学位论文独创性鲫嬲 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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做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： 继j 盔i l l 期：丛正：玉麈 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、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 期沙! 皇! ! 二! ! 三 摘要 摘要 气固两相流流动参数检测对于两相流体的理论研究以及工业生产过程的安全、经 济、高效运行均具有重要意义，在很多情况下气固两相流参数检测技术已经成为制约气 固两相流研究的关键因素。目前，气固两相流检测技术已经成为多相流研究中一个亟待 解决的问题。本文对静电法应用于气固两相流中进行了深入研究。 首先，设计了外置式圆环静电传感器，利用a n s o f t 电磁场软件对外置式圆环静电 传感器的灵敏场进行了三维有限元分析，并定义了动态灵敏度，用于描述传感器上检测 信号与运动荷电粉体之间的关系。 分析了静电传感器敏感元件的等效电路及其接口电路，并在此基础上，设计并制作 了一套基于电荷检测原理的静电数据采集系统。 搭建了重力输送试验装置，并定义了静电信号的有效值和带宽两个特征量。结合特 征量与相关速度来选择合适的静电传感器的电极轴向宽度，以达到优化传感器的目的。 最后，由于小波分析具有表征信号局部特征的能力，因此本文将小波分析应用于静 电信号的处理，并结合小波变换模极大值和交替投影算法对静电信号进行了处理、分析， 结果表明，其可以对信号有很好的估计，达到了满意的去噪效果，并提高了相关速度的 计算精度。 关键词：气固两相流、静电传感器、相关、小波 东南大学硕：学位论文 a b s t r a c t m e a s u r e m e n to fg a s s o l i d t w o - p h a s e f l o wp a r a m e t e r si so fg r e a t i m p o r t a n c ef o r u n d e r s t a n d i n gt h en a t u r eo ft w o - p h a s ef l o w , f o rs a f ea n de c o n o m i co p e r a t i o n si np r o c e s s i n d u s t r i e s i nm a n yc a s e s ，t h ep a r a m e t e rm e a s u r e m e mo fg a s - s o l i dt w o p h a s ef l o wi st h ek e y f a c t o rw h i c hr e s t r i c t si t sd e v e l o p m e n t c u r r e n t l y , d e t e c t i o nt e c h n i q u eo fg a s s o l i dt w o p h a s e f l o wb e c o m e sa nu r g e n tp r o b l e mi nt h er e s e a r c ho fm u l t i p h a s ef l o w i nt h i sp a p e r , s o m e i n - d e p t hs t u d i e so nt h ee l e c t r o s t a t i cs e n s o ri sa p p l i e dt og a s s o l i dt w o p h a s ef l o w f i r s t ，d e s i g n e dt h ee x t e r n a lr i n ge l e c t r o s t a t i cs e n s o r , a n du s e da n s o f ts o f t w a r et o i n v e s t i g a t et h ed y n a m i cs e n s i t i v i t yf i e l do fe x t e r n a le l e c t r o s t a t i cs e n s o rw i t h3 df i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，w h i c hd e s c r i b e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e t e c t i o ns i g n a l a n dt h e m o v e m e n to fc h a r g e dp o w d e r a n a l y z e dt h ee q u i v a l e n tc i r c u i ta n dt h ei n t e f f a c ec i r c u i to ft h es e n s o r , a n do nt h i sb a s i s d e s i g n e da n dp r o d u c e das e to fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nt h ec h a r g e s e tu pag r a v i t yc o n v e y o rt e s td e v i c e ，a n dd e f i n e dt h ev a l i dv a l u e sa n db a n d w i d t hf o r e l e c t r o s t a t i cs i g n a l s s e l e c t e dt h ea p p r o p r i a t ee l e c t r o d e sa x i a lw i d t ho ft h ee l e c t r o s t a t i cs e n s o r a s s o c i a t e dw i t hc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o r r e l a t i o ns p e e di no r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s eo f o p t i m i z i n gt h es e n s o r f i n a l l y , b e c a u s et h ew a v e l e th a dt h ec a p a c i t yo fc h a r a c t e r i z i n gt h e1 0 c a ls i g n a l t h i s p a p e ra p p l i e dt h ew a v e l e tt o e l e c t r o s t a t i cs i g n a l a n a l y z e dt h ee l e c t r o s t a t i c s i g n a lw i t h w a v e l e tt r a n s f o r l t lm o d u l u sm a x i m u ma n da l t e r n a t i n gp r o j e c t i o na l g o r i t h m r e s u l t ss h o w e d t h a th a da g o o de s t i m a t eo fs i g n a l ，r e a c h e das a t i s f a c t o r ye f f e c t , a n di m p r o v e dt h ec a l c u l a t i o n a c c u r a c yo fc o r r e l a t i o ns p e e d k e y w o r d s ：g a s - s o l i df l o w , e l e c t r o s t a t i cs e n s o r , c o r r e l a t i o n , w a v e l e t i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i l 第一章绪论1 1 1 前言1 1 2 气固两相流的检测参数1 1 3 气固两相流参数检测的意义和难点2 1 4 气固两相流中固相颗粒速度的测量方法3 1 4 1 空间滤波法3 1 4 2 相关法4 1 4 3 多普勒法5 1 4 4 示踪法5 1 4 5 颗粒速度测量方法的特点6 1 5 静电法6 1 5 1 粉体静电电位测量6 1 5 2 粉体比电阻的测量7 1 5 3 静电电量的测量7 1 6 本章小节8 第二章静电传感器的结构与测量原理9 2 1 气力输送过程中粉体颗粒的荷电现象一9 2 1 1 粉体颗粒的荷电机理9 2 1 2 粉体颗粒带电量的影响因素1 0 2 1 3 气力输送粉体颗粒静电化危害与应用1 1 2 2 静电传感器的基本结构ll 2 2 1 圆环状静电传感器的特点1 2 2 2 2 本文采用的静电传感器结构1 2 2 3 静电传感器的基本测量原理l3 2 4 静电传感器的灵敏场分布l4 2 4 1 数学模型1 4 2 4 2 静电传感器灵敏场1 4 2 4 3 静电传感器动态灵敏度1 6 2 5 静电传感器测速原理17 2 5 1 相关测量系统的数学模型17 2 5 2 相关测速原理。1 7 2 6 本章小结l8 第三章静电传感器的数据采集1 9 3 1 静电传感器的等效电路1 9 3 1 1 静电传感器敏感元件的等效电路1 9 3 1 2 静电传感器实际等效电路2 0 3 1 3 电荷放大电路2 0 3 2 静电传感器检测电路的设计2 l 3 2 1 电荷放大电路2 2 3 2 2 静电信号放大及低通滤波电路2 3 3 2 3a d 转换电路2 4 i i i 东南大学硕士学位论文 3 2 4 数据通信2 5 3 2 5 单片机程序设计2 6 3 2 6 电源结构和设计2 7 3 3 本章小节2 8 第四章实验结果及数据分析2 9 4 1 静电信号2 9 4 2 不同电极轴向宽度下的静电信号3 1 4 2 1 不同条件下静电信号的特征量3 l 4 2 2 不同电极宽度时的相关速度3 4 4 3 小波在静电信号中的应用3 7 4 3 1 小波变换及m a l l a t 算法3 7 4 3 2 静电信号的小波分析3 8 4 3 3 小波变换与李氏指数的关系一3 9 4 3 4 噪声与静电信号的李氏指数4 0 4 3 5 基于小波变换模极大值的去噪过程4 3 4 3 6 交替投影算法4 4 4 3 7 模极大值的去噪结果4 5 4 3 8 去噪信号的相关速度计算4 7 4 4 本章小结4 8 第五章结论4 9 j i 炙谢5 ( ) 参考文献5l 研究生期间发表论文5 4 i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 粉体气力输送是一项利用气体能量来输送固相颗粒的古老而有效的技术，被广泛的 应用于能源、冶金、化工、制药和食品等行业，目前为止已有1 0 0 多年的历史。在相当 长的时间内，气力输送几乎都采用固相物料为悬浮的稀相输送技术，其特点如下所示： 散状粉料在管道中被高速气流携带，粒子间的相互作用以及与粒子与管壁的碰撞使粉料 成破碎状态；输送气体量大，能耗相对较高，而降低了输送气体速度又会引起输送管道 的堵塞【i , 2 , 3 】。因此，气力输送过程就是要用相同的气体流量来输送更多的固相介质，即 要提高输送介质的固气比。在火力发电厂中，煤粉浓度与速度决定了锅炉燃烧器的质量流 量水平，并且煤粉浓度的高低以及各个煤粉燃烧器的风粉的均匀性直接影响到炉内燃烧 工况的稳定和锅炉的燃烧效率。由于对煤粉速度的调整和控制缺乏准确的监测手段，运 行人员无法对锅炉运行进行有效的燃烧调整，锅炉常处于配风不均的状况下运行，严重 时会引起燃烧中心偏斜，燃烧不稳定，从而导致炉膛局部结焦及炉管爆漏，导致锅炉效 率降低，并且一次风管堵粉事故也常有发生。因此，研究高固气比、大输送量、性能更 优越的浓相气力输送技术在多种工业生产部门实现煤炭洁净、高效、经济和合理的利用， 具有重大的现实和战略意义【4 j 。 1 2 气固两相流的检测参数 在气固两相流中，其流动特性复杂和多变，许多内部和外部的因素都会直接影响到 气固两相流参数的测量，如温度、湿度、固相粒度、管道材料等【5 6 】一实现气固两相流 参数的精确测量就必须深入了解气固两相流参数的基本特性。 ( 1 ) 固相浓度 固相浓度也称为质量浓度，与其相对应的是容积浓度【7 】。固相浓度表示的物理意义 是传输管道中单位体积内包含的固相颗粒质量，其数学定义如下： ，、 口。“) ：旦f 1 丛型型塑嘞 ( 1 1 ) 一。 ，l 由 彳 式1 1 中风为气固两相流中固相的密度； 为平均时间；g ，y ，力表示时刻f 时， 空间点g ，d 处的固相体积浓度；a 表示输送管道的有效面积。 气固两相流的固相浓度因应用场所不同而存在着很大的差异。大多数利用气力输送 的气固两相流属于稀相流动，如燃煤发电厂给粉管道中的煤粉浓度一般为1 0 m g m 3 左 右；同时浓相流也大量存在于制药、食品等行业。由于受到测量原理的限制，某一类型 的测量传感器无法适应所有场合的测量，如p i v 等光学测量法一般只适合于浓度较低的 稀相流测量。因此，针对实际生产工艺的要求，确定相应合适的传感器类型，对实现气 固两相流的精确测量有着非常重要的实际意义。 ( 2 ) 固相速度 气固两相流的固相速度是气固两相流测量和控制的重要参数之一，固相速度受到固 相分布、气固比、固相粒度等多种因素的影响，在很多场合采用平均速度来评价气固两 相流的变化1 8 ，j 。其数学定义如下： ；产三c 1 v ( x , y , t ) f l ( x , y , t ) d x d y d t ( 1 2 ) 。t l 与 卢( x ，y ，t ) d x d y 气固两相流的速度分布受到气固比、固相粒度、固相分布等多种因素的影响。小颗 粒的输送速度比大颗粒的速度快；在水平管道传输的固相颗粒由于重力作用会产生一定 程度的沉积现象，使得管道底部的固相浓度相对较高，其传输速度则相对较低，以上因 奎堕丕堂亟主堂垡丝塞 素都会造成同一管道截面的固相速度的不均匀分布。实际实验过程中的固相速度是通过 相关测量方法得到的。 ( 3 ) 固相质量流量 气固两相流的固相质量流量是气固两相流测量最重要的参数之一。质量流量可直接 反映固相的浓度及其变化，有时也会用容积流量来表示【l0 。由于气固两相流复杂多变， 固相质量流量也随之变化，因此大多数情况下会采用平均质量流量来表示，其数学定义 如下： j 。寺f 1 风v 力阢m f ) d x d y d t ( 1 3 ) 式1 3 中g m ，。表示平均质量流量，& ，y ，力表示时刻t 时空间& ，y ) 处的固相速度。 1 3 气固两相流参数检测的意义和难点 气力输送管道中的流动是一种典型的气固两相流，它在能源、冶金、化工、环境、 国防等有关部门中得到越来越广泛的应用。他的流动参数例如固相速度、浓度、质量流 量等直接影响到气固两相流流动的传热、传质规律，因此其流动参数的准确测量对生产 过程的计量、节能和控制具有重大意义。如火力发电厂在世界范围的能源工业中占主导 地位，对燃烧器中的空气与煤粉流量进行在线测量及后续控制所采用的传感器与先进控 制技术，已被许多领先的电力制造商和政府部门视为优先开发的技术，主要基于以下三 个主要原因：首先，煤粉速度需要保持不低于最小安全值以实现最佳输送条件。过低的 煤粉颗粒速度会导致管道内煤粉颗粒的沉积，甚至造成管道堵塞。相反，过高的颗粒速 度会导致较高的能量消耗、严重的管道损耗和颗粒分解。其次，炉灰与烟气中未燃烧的 物质是导致锅炉燃烧效率降低的一个主要原因，因此，进入炉膛的煤和空气的理想混合 比应该通过保持每条管道中的煤粉质量流量的连续、稳定和精确的测量来实现。再次， 输送管道中煤粉的不均匀分布会导致一系列燃烧问题，如火焰熄灭，过多的氮氧化物。 所以，为了有效地监控设备运行情况及对工业生产设施进行优化设计，掌握气固两相流 基本流动规律，并获得气固两相流的参数特性是必须的。 虽然在气力输送管道中流动的物体是气固两相流的混合物，但是我们感兴趣的是 固相速度、浓度及质量流量的测量问题。在了解测量技术之前，需要考虑一下在气力输 送过程固相流动的性质，因为这可能影响来自测量仪器数据的准确性。气固两相流与其 他多相流系统( 如气液两相流) 一样，各相间存在界面效应和相对速度，并且相界面在 时间和空间上都是随机可变的，导致其流动特性以及检测方法远比单相流系统复杂，并 且其流动特征参数也比单相流系统多，除了速度、流量，还包括流型、颗粒浓度、固气 质量比、颗粒尺寸及固相分布、两相混合的密度以及输送特性：粘度、扩散率和导热系 数等【l 。在气固两相流流动参数检测中，如气力输送系统中固体颗粒的流动，颗粒的物 理、化学及流动特性都可能影响检测仪器输出数据的准确性1 1 2 , 1 3 j ： ( 1 ) 流动结构 在气力输送过程中，两相流不仅流型多种多样，而且多种流型会同时存在或互相转 化，且不同流型之间的转化无明显过渡这就增加了气固两相流的测量难度。 ( 2 ) 固相颗粒分布 一般情况下，在气力输送过程中，固相颗粒是高度不均匀分布的，即沿管道截面和 管道长度是不均匀分布的。即使在稳定的状态下，由于相界面的相互作用，系统内部不 同区域间的相浓度分布、相速度分布也不是均匀的，局部区域颗粒速度和浓度分布在时 间和空间上具有随机性。这主要取决于管道的方位、测量的位置、固相的载荷量、气体 输送速度以及固相颗粒的特性( 包括粒子尺寸，湿度成份、内聚力和粘着力等) 。 ( 3 ) 固相颗粒的速度分布 2 第一章绪论 无序的速度分布与固体颗粒分布不均匀一样，在管道横截面上颗粒的速度分布也可 能是不均匀的。当固相颗粒的载荷量较大时，速度分布的不规则性非常明显。水平传送 固相颗粒时，在管道底部的速度要比上部的低。此外，小颗粒要比大颗粒移动得快。 ( 4 ) 固相颗粒的湿度 微粒物质可能包含卜3 0 的水分，其主要与物质的来源、储存状态和处理过程的需 要等有关。通常，所设计的固相流量仪器是监测排除水分的“干”物质。这意味着固相 流量传感器应该是对物质的水分不敏感，如电容传感器不适合含湿量较高的固相颗粒流 动参数的检测。 ( 5 ) 变化的颗粒尺寸和形状 气固两相流中，颗粒尺寸一般在几微米到几厘米范围内变化，如发电厂的煤粉和粮 食加工厂的面粉。并且颗粒的形状千变万化，很难恰当的进行分类。通常用这些术语进 行定义， 如f l a k e ，c o a r s e ，f i n e ，p o w d e r ，c u b e s ，c h i p s ，g r a n u l a r 来反映固相颗 粒物的尺寸和形状。对于某一给定的发送系统，颗粒的尺寸范围可能是固定的。但是， 颗粒尺寸可能会发生变化，例如：煤粉粒子尺寸的大小主要取决于磨煤机的性能与当前 工作状态。 ( 6 ) 化学成分 在许多工业生产过程中，固相颗粒的种类经常发生变化，例如燃煤电站的煤种，甚 至许多情况下，煤粉与生物质、垃圾混合，这些混合物的化学组分非常复杂，往往不可 预测。但是，对于许多非节流式传感器，如静电、电容、微波传感器等，固体颗粒的化 学组分都会影响其性能。 ( 7 ) 其他影响因素 除了上面提到的因素之外，其它因素也可能影响仪器性能，如颗粒的材料种类和颗 粒在测量段管道内侧的沉淀程度，流动中不可避免要受噪声、振动等非测量因素的干扰。 使得测量结果不能反映真实浓度。要控制和预测这些因素是不可能的，且某些因素在传 输管道不同和固体材料类型不同时变化范围比较大。 鉴于气力输送过程中流动的复杂性、随机性以及对多相流流量计影响因素较多，因 此，气固两相流流动参数检测难度很大。尽管目前，国内外均做了大量的研究工作，但 是迄今为止，商品化的多相流流量计为数很少，大部分还处在实验室研究开发阶段。因 此，发展先进可靠的两相流颗粒特性参数检测方法，并开发出方便、适用的实验装置和 测量系统，对于气一固两相流体力学的研究、有关自然现象的了解以及工业生产过程中 的计量管理控制等具有重大的意义。 1 4 气固两相流中固相颗粒速度的测量方法 气固两相流测量一直是两相流测量研究和应用的难点之一，国内外学者在这方面做 了大量的实验及研究工作，提出和运用了多种测量方法和方案。然而，由于气固两相流 流动工况相当复杂，参数众多，并且流型多种多样，测量原理得局限性或测量条件的影 响，目前还没有哪一个理论模型能完整地阐述其流动变化规律的特性。因此，在实际应 用时，我们应根据实际情况选用较合适的测量方案，这就要求我们对气固两相流测量方 法有一个全面的了解。本节介绍了主要的气固两相流测量中颗粒速度的测量方法，并对 各种方法作了简单的比较。 1 4 1 空间滤波法 空间滤波法作为一种光学测速方法是上个世纪六十年代由a t o r 教授提出的【1 4 】，可实 现颗粒和物体移动速度的测量。具有测量装置结构简单，光学及机械性能的稳定性好， 光源选择范围广，数据处理方便等优点，使得空间滤波速度测量方法的应用领域较之其 他如激光多普勒法、激光散斑法广泛得多。因此，逐步引起人们的广泛关注，并且在理 论分析上，空间滤波器设计与选择到测量系统的试验研究，都取得了丰硕的成果【”】。从 丕塑丕堂堡主堂垡丝塞 原理上讲，由于敏感空间有限的结构尺寸和几何形状，故任何流量传感器对原始的流 动信号都表现出某种形式的空间滤波效应，工作在特定的敏感技术下的空间滤波器需 要精心设计，以使滤波器的频率直接与固体速度成正比。另外，空间滤波法也从光学空 间滤波范畴延伸到其他传感器的空间滤波效应上，以实现流动速度的测量【16 1 7 】。最近， 已经报道了使用电容传感器、光传感器空间滤波方式测量固体速度的情况。 ( 1 ) 电容传感器【l s , 1 9 j 理论分析和实验测试都表明电容传感器的滤波信号的带宽所口电极的轴向宽度吸 固体的平均速度k 有如下关系： b = k b vs w ( 1 4 ) 其中，为与管道相关部分有关的无量纲比例系数，它与固相分布、速度分布、粒 子大小、流体的均匀性有关。对于在稳定流动条件下的传感器，是一个常数，可以通 过实验来确定。该方法信号处理装置相对简单，空间滤波器与先进的信号处理技术相结 合，可以获得更为精确的结果。但其比例系数受流动状态影响较大。b 可由电容传感 器输出信号频率特性的第一个过零点的值估计得到。试验结果表明基于电容空间滤波效 应的颗粒速度测量误差在8 以内。但是，颗粒尺寸对传感器的频率特性有重要的影响， 因此，在使用该方法时，应先用已知尺寸的颗粒进行标定。 ( 2 ) 光学传感器【2 0 】 光学空间滤波的基本原理是基于通过像光栅一样的结构对随机光分布的测定，假 如物体移动时，光接收器输出将按物体图像投影到光栅的透明或者不透明的线上的规 律变化，并且移动越快变化频率越高。输出的频率和物体速度的关系如式1 5 所示： f xg u = 一 侈 ( 1 5 ) 其中，g 表示光栅常数，用来描述光栅两条相等线之间的距离的几何尺寸；口是由 聚集透镜决定的图像尺度。此方法能够实现非接触测量，据介绍也能在浓度较大时进行 点速度测量。但不适合现场使用，器件易损，调整不方便，镜头需要经常擦洗。 1 4 2 相关法 相关法是利用流体内部流动噪声或者对外加能量的调制产生的随机信号的相似性 实现速度测量，而无需外部投入任何示踪物【2 1 , 2 2 】。在气力输送管道中安装两只完全相同 的传感器，其轴向间的距离为。粒子从上游传感器移动到下游传感器的时间为l ，可由 相关器对两只传感器的输出信号x ( d 枷( 力在一个测量周期内作互相关来确定，即有： 如( f ) = ；r 砸) 儿一f ) d r ( 1 6 ) 其中，尺x v ( d 是上游信号到下游信号延迟时间r 的互相关函数值。互相关函数最大值 所对应的延迟时间，即为r m 。因此，由此固体速度v 。就可由已知两传感器的空间距离 和延迟时间来确定： 1 ，。= l r 。 ( 1 7 ) 相关法测速的特点是测量范围宽：有很强的适应性，只需选择合适的传感器，相 关流量测量系统主体不变。传感器可做成夹钳式，无可动部件，可实现不阻碍流动， 非接触测量。但是相关方法测速要求流动稳定，固相弥散度尽可能均匀，因为只有在离 散相充分弥散的流动状况下，才会获得对称的具有明确尖峰的互相关函数曲线。根据流 体内部不同流动噪声的检测方式，人们已经发展了多种不同形式的互相关测速仪器：电 容式 2 3 】、静电式1 2 4 2 5 ，2 6 1 、超声波【2 7 , 2 8 】、光学式1 2 9 , 3 0 】和辐射式【3 l 】。静电式互相关测速仪在 系统重复性、可靠性和低成本等方面均优于其他现有的互相关测速装置。 4 第一章绪论 1 4 3 多普勒法 多普勒方法是以d o p p l e r 频移定理作为固体速度测量的基础1 3 2 。能量从波源以一个 固定的频率，射向被检测的流体，能量以磊被流体中的粒子反射给接收器。传输信号 和接收信号的频率差与流体颗粒的速度v 。有如下关系： v ，= c ( f r f t ) ( 2 c o s o f r ) ( 1 8 ) 其中，c 为电磁波的速度；8 为传输能量到流体之间的夹角。c 栅已知，因此固相 速度可以通过测量多普勒频移厶一办来确定。基于多普勒频移定理的颗粒速度测量仪可 以使用激光也可以使用微波或者超声波作为能源。 图1 1 多普勒测速基本原理 ( 1 ) 激光多普勒测速仪有参考线束模式和差分多普勒两种工作模式，无论是差分 式还是参考光束式，都可以实现气固两相流内颗粒速度的点测量，速度测量的范围在 0 1 m m s - 1 0 0 m m s ，测量的准确率达到0 5 ，不需要标定而且测量结果不受输送 空气温度的影响，可应用于科学研究。但是，其成本太高，器件易损坏，需要透明的玻 璃安装在工业装置上以允许光的进入和接收，这限制了它的工业应用b 3 ，3 4 1 。 ( 2 ) 微波作为能源的测速仪，有两种形式，即收发分置模式和单基模式。与激光多 普勒测速仪相比，微波多普勒测速仪适合于测量气力输送过程中的固相颗粒的平均速度， 它造价低，结构简单紧凑、容易安装，适合于使用在恶劣环境中，但其敏感体积较大， 因而空间分辨率较差。但是，微波具有发散性，因此在测试区域内不同角度的多个具有 不同移动速度的颗粒的多普勒效应的作用下，接收装置获得信号的频率不具有单一频 率，而是多个频率信号的叠加，结果导致测量装置空间分辨率降低，很难实现点速度的 测量【35 1 。 1 4 4 示踪法【3 6 1 示踪法的测量原理为在两相流中的任一相加入示踪物，根据从下游示踪物的采样 或检测的时间来确定混合物的流速。此方法的原理简单，装置可以轻易地移动到传输管 道任何方便的位置，主要缺点是污染问题，成本较高，且要求示踪物能够满足两个基本 条件：第一，放在管道外部的传感器应该能区分出是示踪颗粒通过还是所传送的固相颗 粒通过； 图1 2 射线示踪颗粒速度测量 5 颗粒流 1 4 5 颗粒速度测量方法的特点 从方法上看，空间滤波法所要求的信号处理装置相对简单，但是传感器在设计和结 构方面比相关方法更复杂，需要精心地设计空间滤波器从而能在固相流动中提取更多的 信息；相关速度测量方式从价格、维修和应用角度来讲，相对多普勒测速，有较强的适 应性，只需选择合适的传感器，相关流量测量系统主体不变；多普勒法能够在流束意义 明确的点，使用激光传感器给出精确的结果，而使用微波传感器可以对于管道有关部 分的速度给出粗略的估计。示踪法的最大优点是不需要校准，其主要缺点是污染问题。 从使用的传感器来看，电容、静电、微波和声波传感器产生的是软场，受固体分布影响 较大，几何分辨率和灵敏场均匀性较差；光学传感器产生的是硬场。除了电容和辐射测 量传感器以外，粒子尺寸的变化影响大多数传感器工作。基于电和谐振方式的所有传感 器在内的大多数传感器都依赖于固体的化学特性。由于这个原因，基于电、谐振和衰减 原理的固体流量测试仪器必须使用在工厂测量时的特定类型的固体进行校准。光学传感 器本身对固体的化学特性不敏感，因而在这种意义上说，它优于其它类型传感器。由于 颗粒的静电粘着力和其它因素在敏感区域造成的颗粒积累在很多应用中带来了严重问 题。颗粒积累也可能在浓度测量上引起很大误差。从某种意义上讲，静电和动态电容方 式优于其它类型传感器。光学传感器肯定不适合这种场合，因为积累的颗粒( 或者细灰 尘) 阻碍光线通过管道相关部分。因此不同的测量方法根据其测量原理的差异，都各有 其优缺点和适用条件。在实际应用时，我们应根据实际情况选用较合适的测量方案。同 时，寻找一种使用范围更广，操作维护简易的测量方法，以实现工业化和商业化的要求， 也是此项研究的最终目的之一。 1 5 静电法 静电法测量技术是近十几年来在国际上受到重视的一种气固两相流中在线的固体 质量流量测量技术。静电法是基于流动粉体颗粒静电特性实现两相流参数检测的。粉体 颗粒在流化或气力输送过程中，由于颗粒与装置壁面以及颗粒之间的碰撞、摩擦、分离， 颗粒和输送管道上会积累大量的电荷。检测颗粒流动过程中产生的静电噪声或颗粒与测 试装置之间转移的荷电量，并结合适当的信号处理方法，可实现颗粒的速度、浓度，甚 至颗粒粒径的实时检测。静电传感技术由于结构简单、价格低廉、具有较高的灵敏度， 为气固两相流流动参数提供了一种检测方法。静电法作为一种非接触式的测量方法在固 体颗粒能产生电荷的管道流动中得到了广泛的应用，如气力传输、粉尘排放等领域内固 体质量流量的检测和控制。下面介绍几种静电检测的主要方法。 1 5 1 粉体静电电位测量 匿 1 、 习 y 、v 刁 j 2j 6 1 金属测量探针2 集电板3 仪表测量探头4 静电指示仪表 5 - 绝缘支撑架6 绝缘物 图1 3 粉体物料静电电位测量原理图 6 第一章绪论 粉体静电位侧原理如图1 - 3 所示。测量时，将金属探针1 伸入粉体输送管路内部， 它和管壁之间利用聚四氟乙烯等物质进行良好的绝缘。探针1 和集电板2 之间用导线连 接，使集电板与管路内粉体物料等电位。由探头3 和指示仪表4 组成的测量系统可测得集 电板上的电位【3 7 】。 1 5 2 粉体比电阻的测量 粉体比电阻指单位体积的粉体所具有的电阻。粉体比电阻是粉体绝缘性能的重要表 征，也是表明粉体静电性能的重要物理量。粉体比电阻的测量方法最常用的有探针法、 二电极法、三电极法和同心圆筒法四种，其基本原理均为欧姆定律。粉体比电阻的测量 结果与试样物料的形状、大小和堆积密度有关，与湿度和容器或电极的表面污染状况关 系也很大。 1 5 3 静电电量的测量 静电电量是反映物体带电情况最根本的物理量之一。若带电体为一个导体，则所带 电荷全部集中于物体表面上，而且表面上各点的电位相等，故对于导体带电时电量的测 量，可通过接触式静电电压表先测出其静电电压，然后按照基本关系式q = c 耐算出带 电量p 。在常规的静电测量中，最主要的两种方法为法拉第简法和静电探头法。法拉第 筒用于直接测量颗粒表面的电荷积累量，而静电探头则可确定产生的静电压或静电流。 1 法拉第筒法 法拉第筒是根据静电感应原理测量物质上所带静电荷的一种装置，常被用于粉体平 均带电水平的测量中。一个法拉第筒由两个可以是任何形状，且相互绝缘的同轴容器构 成，如图1 - 4 所示。外筒接地，起到静电屏蔽的作用，以防止外界电场在内筒上产生感 应电荷。内简又称测量筒与静电计连接，静电计通过监控一个已知电容上的电压来测量 电荷。当一个带电体放入内筒中，内筒壁面上会感应出电量相等但极性相反的电荷，通 过电容储存电荷的功能就能通过静电计对其进行测量。 i n s u l a t o r 一 一 刁c h a r g e d o b je c t 一、 ! ： 裂、， r 1 e l e c t r o m e t e r ， 、 2 气力输送的静电传感器法 图l - 4 法拉第筒示意图 图1 - 5 两种颗粒静电量检测电极 7 o o 洲伞h o，。oo。 舭j l l o o o 。 东南大学硕士学位论文 如图1 - 5 所示，在气力输送管道内，移动颗粒上的荷电量可以通过一个屏蔽的绝缘 探头结合适当的处理电路测量，双传感器结合相关技术测量颗粒速度。测量探头结构可 以采用圆环状或棒状电极。测量电路可以按照要求设计为对静电传感器输出信号的交流 成分进行测量( 交流法) ，或者设计成对静电传感器输出信号进行全部测量( 直流法) 。 大量的试验研究表明交流法要优于直流法。 由于颗粒荷电的影响因素很多，带电量的大小和符号不仅与颗粒本身的属性，而且 与管道的材料和布置、颗粒在管道中的输送条件有关，因此，简单通过静电流输出信号 的幅度及其变化，很难给出颗粒浓度和质量流量的绝对测量值。应用静电传感器技术( 无 论是直流法还是交流法) 的一个主要问题是建立颗粒浓度和静电流信号之间的模型问 题。因此，只能利用已知属性的颗粒，在稳态条件下进行试验标定，但是，当颗粒属性 和流动条件发生变化时，测量系统将会产生很大测量误差。当然，可以首先人工荷电， 之后测量颗粒浓度绝对值的方法，但该方法可能引起颗粒爆炸的危险。可以通过优化传 感器结构和检测电路来削弱影响颗粒浓度测量的一些因素。例如，静电传感器在灵敏场 内，灵敏度分布不均匀可以通过增加静电传感器轴向长度来减小不均匀性造成的影响。 尽管上述弊端，静电传感技术由于结构简单、价格低廉、具有较高的灵敏度，为气一固 两相流参数检测提供了一种检测方法仍然吸引了很多学者继续进行深入的研究。 1 6 本章小节 本章介绍了气固两相流的检测参数以及两相流检测的意义和难点。讨论了几种气固 两相流中固相颗粒速度的测量方法。介绍了近十几年来在国际上受到重视的一种气固两 相流中固体质量流量的在线测量技术一静电法测量技术。 8 第二章静电传感器的结构与测量原理 第二章静电传感器的结构与测量原理 在气力输送过程中，由于粉体颗粒与颗粒之间、颗粒与管壁之间的碰撞、摩擦，导 致粉体颗粒带电。颗粒与颗粒之间、颗粒与管壁之间的静电力改变了管道内颗粒的分布， 直接导致颗粒易粘结凝聚，致使颗粒流动性变差和颗粒品质下降，更为严重的是如果颗 粒电荷积累到一定程度，能够产生很强的静电场。因此，应首先了解气固两相流中粉体 颗粒带电机理。 2 1 气力输送过程中粉体颗粒的荷电现象 2 1 1 粉体颗粒的荷电机理 由于原子核中质子所带正电荷数等于电子所带负电荷数，因此所有物质在自然状态 下都是不带电的。从物质结构的角度来看，无论用摩擦起电，还是用其它方法来使物体 带电的过程，都只不过是使物体中原有的正、负电荷分离和转移而己。一般情况下认为， 颗粒与颗粒之间、颗粒与管壁之间的接触、碰撞和摩擦，即接触带电和摩擦起电是气固 两相流中静电产生的主要原因。由于摩擦起电本质上与接触带电类似，只是物质之间的 摩擦使得接触点增多、接触面积增大、甚至会导致接触面温度升高，这些因素都促进了 电荷的转移，使静电产生速率增大，因此在本论文中将摩擦起电也归为接触带电。 固体接触起电是物理学中最为古老的内容之一，但是对起电的带电机理的认识却经 历了漫长的探讨过程，这是因为看似简单的接触起电，其实是一种集宏观动作和微观作 用于一体的十分复杂的现象。接触带电的机理如图2 - 1 所示，固体的接触起电机理可以 从接触过程、分离过程和摩擦效果三步来认识。当两个固体物质包括颗粒互相接触时， 电荷会根据两种物质表面电子或离子的能量不同而从一个物体向另一个物体转移，并直 至达到电荷的平衡1 3 剐。两者分离后，失去电子的物体带正电，而得到电子的则带负电。 靠近分离 b 图2 - 1 物体a 与b 产生静电的过程 由于参与接触的电介质物质结构、表面性质的复杂性难以分析了解，同时起电过程 又与物质的种类、环境温度和湿度、有无杂质、摩擦力大小、物体电阻率、泄露电阻等 因素有关。总之，静电现象较为复杂，需要考虑的因素很多，必须视具体情况作具体分 析。被观测的电荷q 与接触时的电荷9 之间满足如下关系： q = 锄 ( 2 1 ) 式中，厂称为逸散系数，其取值范围为0 ，r 1 。电荷的逸散是由两种固体分离时产 生带电部分电位复原所导致的，主要有通过接触界面的电荷逸散、场致发射使电荷逸散 和气体放电使电荷逸散等三种方式，其共同点是相接固体分离速度的大小直接影响厂值 的大小。分离速度越快，厂越接近于l ，固体分离后的带电量越接近于分离前偶电层上任 一种电荷的电量；反之，厂越接近于零，固体分离后的带电量越小。摩擦就是两个物体 接触面上不同接触点之间连续不断地接触和分离的过程。由于这种摩擦作用，使得摩擦 起电比单纯的接触一分离过程复杂的多。由摩擦而引起的温度的升高，分子的机械破裂 9 壅堕奎堂堡主堂垡堡塞 和热分解、压电及热电效应等都会改变静电起电量。此外，摩擦的类型、摩擦时间、摩 擦速度、摩擦时的接触面积和压力等也影响接触物体的带电量。由此可见，接触过程、 分离过程、摩擦效果是决定接触起电带电量的三个主要因素。 由于粉体是特殊状态下的固体物质，因此，其静电起电过程也遵循固体的接触起电 规律。粉体介质由分散性颗粒组成，具有分散性和悬浮性两大特点。分散性使粉体表面 积比相同材料、相同重量的整块固体的表面积要增大很多倍。如l k g 的聚乙烯，以整块 的形式存在，表面积为0 0 6 m 2