（动力工程及工程热物理专业论文）气固两相流动静电ect测量方法的研究.pdf

摘要 摘要 气同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，但气同两相流动过程的复杂性和随机性致使其流动参数的检测难度 很大。早在2 0 世纪6 0 、7 0 年代，国外就有将粉体颗粒静电现象应用于颗粒流动参数测量的 研究，但静电传感技术在理论和应用中都还存在不少问题需要进一步深入研究。电容层析成 像技术( e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y 简称e c t ) 是本世纪8 0 年代后期出现并得到迅速 发展的，以两相流为主要对象的过程参数检测新技术。其利用围绕被测对象安装的传感器阵 列来获取被测物场在不同观测角度下的电容投影数据，由计算机利用某种图像重建算法给出 被测对象的断层图。但其灵敏场为“软场”，即灵敏场受介质分布的影响。研发出能够克服 “软场”问题的算法具有重要的意义。本文分别对静电传感器和电容层析成像、电荷层析成 像，以及两者相结合组成的多传感器融合技术进行一些较为深入的研究。 首先，分析和探讨了国际上几种圆环状静电传感器测量模型的优缺点。介绍了静电传感 器接口电路的基本要求，并系统地分析了静电传感器敏感元件的等效电路和不同条件下电路 参数对输出信号的影响。 研究了基于静电传感器的空间滤波效应以获取同体颗粒平均速度的方法。在合理的假设 条件下，对静电传感器的空间滤波特性进行分析，得出描述静电传感器空间滤波特性和固体 速度的表达式。分别讨论了传感器的几何参数，颗粒沿管道截面的速度，浓度分布，颗粒材 料的种类以及频率分辨率对速度测量值的准确性的影响。通过重力输送颗粒流动实验测试了 速度测量系统的性能。 在对内嵌式圆环静电传感器的灵敏场进行三维有限元分析的基础上，提出了基于静电流 测量值的动态灵敏度的概念，描述了传感器上检测信号与运动荷电粉体之间的关系。理论分 析表明，传感器的动态灵敏度主要取决于传感机理，荷电粉体的空间位置及其速度( 包括轴 向和径向分量) 。传送带实验结果验证了理论分析的合理性。 针对电容层析成像的灵敏场为“软场”的特点，开发了可利用电容或电势测量值的随机 反演算法( g a e c t ) ，其在图象重建过程中无需建立灵敏场，避免了“软场”问题。 研究了电容层析成像中的电势测量方法。理论分析和三维有限元仿真都表明电势测量值 包含电容比值信息，与电极轴向长度无关。利用非线性图像重建算法g a e c t 得到了较为 满意的图像反演结果。表明电势测量方法也可应用于e c t 系统。此外，还对使用电势测量 方法的条件进行了讨论。 开发了e c t 中的迭代灵敏场算法，迭代后的灵敏场更加接近真实流型下的灵敏场。研 究了多传感器融合技术。建议联合使用电容层析成像和静电层析成像这两种技术以同时获取 介质分布和电荷分布。使用e c t 中提供的介质分布的先验知识来改进电荷图象重建结果。 仿真实验表明在浓相条件下，介质分布先验信息确实提高了电荷反演的准确性。此方法有助 于对浓相条件下颗粒的荷电机理的研究。 研究设计了微小电容检测电路，在高压浓相煤粉气力输送中实验台上进行了流型的在线 测量。 、 最后，在t e e s s i d eu n i v e r s i t y 气力输送实验装置上对a b b 粉体流量计进行了标定实验。 对分别安装在垂直管道和水平管道的两个流量计，在不同的气固比条件下，获取实验结果。 此外，还研究了颗粒粒径对信号的影响。 关键词：静电传感器；动态灵敏度；空间滤波效应；流型；电容层析成像；电荷层析成 像；g a e c t ；多传感器融合； a b s t r a c t a b s t r a c t o n l i n em 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 ef l o wp a r a m e t e r s i so f g r e a ti 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 si n d u s t r i e s h o w e v e ri ti sc h a l l e n g i n gt om e a s u r et h ef l o wp a r a m e t e r sd u et ot h ec o m p l e xa n dr a n d o mn a t u r e o fg a s - s o l i df l o w a tp r e s e n t ，t h eg a s s o l i d sf l o wm e a s u r e m e n tb e c o m e sac r i t i c a lp r o b l e mt ob e s o l v e d e l e c t r o s t a t i cs e n s i n gt e c h n i q u eb a s e do np a r t i c l ee l e c t r i f i c a t i o no fg a s s o l i df l o ww a s p r o p o s e df o rp a r t i c l ev e l o c i t y , c o n c e n t r a t i o na n df l o wr a t em e a s u r e m e n ti n1 9 6 0 sa b r o a da n dh a s b e e nd e v e l o p e de v e rs i n c e h o w e v e rt h e r ea r es t i l ls o m ef u n d a m e n t a lp r o b l e m st h a tn e e dt ob e e x a m i n e di nb o t ht h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la s p e c t s e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ( e c a 3 i sam e a s u r e m e n tt e c h n i q u et h a ti n f e r st h ep e r m i t t i v i t yd i s t r i b u t i o ne ( x ，y ) o fa no b j e c to b t a i n e db y u s i n gb o u n d a r ym e a s u r e m e n t sf r o ma na r r a yo fe l e c t r o d e sa t t a c h e dt ot h eb o d yi n t e r e s t e d w i t h d e v e l o p m e n to ft h i st e c h n i q u ew o r l d w i d eo v e ra l m o s tt w od e c a d e s ，p o t e n t i a li n d u s t r i a la n d m e d i c a la p p l i c a t i o n ss u c ha sf l o wp a t t e r nr e c o g n i t i o ni np n e u m a t i cc o n v e y a n c ea r ep r o m i s i n g h o w e v e r , t h es oc a l l e d s o f t f i e l d i saf a t a lw e a k n e s so fe c t i ti ss i g n i f i c a n t l yi m p o r t a n tt o d e v e l o pt h ea l g o r i t h m st oo v e r c o m es u c hp r o b l e m s o m ei 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 c s e n s o r , e l e c t r i c a l c a p a c i t a n c et o m o g r a p h y , e l e c t r o s t a t i c t o m o g r a p h y a n dt h e e l e c t r o s t a t i c c a p a c i t a n c ec o m b n a t i o nt e c h n i q u e sa r ep r e s e n t e di nt h i st h e s i s f i r s t l y , t h e m e r i t sa n dd r a w b a c k so ft h e e x i s t i n g f u n d a m e n t a lm e a s u r e m e n t m o d e lo f e l e c t r o s t a t i cs e n s o rw e r ed i s c u s s e d t h eb a s i cr e q u i r e m e n t sf o rt h es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t r y w e r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to ft h es e n s o ra n dt h ee f f e c t so nt h eo u t p u ts i g n a l u n d e rd i f f e r e n tc i r c u i t r yp a r a m e t e r sh a v eb e e ns y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d i nt h i st h e s i s ，am e t h o dw a sp r o p o s e dt om e a s u r et h em e a nv e l o c i t yo fs o l i dp a r t i c l e sb a s e do n t h es p a t i a lf i l t e r i n ge f f e c to ft h ee l e c t r o s t a t i cs e n s o r i no r d e rt od e t e r m i n et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h es p a t i a lf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e n s o ra n ds o l i dp a r t i c l ev e l o c i t y , ag e n e r a lf o r m u l ah a s b e e nd e r i v e db ya n a l y z i n gq u a n t i t a t i v e l yt h es p a t i a lf i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r o s t a t i c s e n s o rw i t hs o m er e a s o n a b l ea s s u m p t i o n s t h ee f f e c t so ft h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so fas e n s o r , p a r t i c l ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ，p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nd i s t i l b u t i o no v e rt h ec r o s s - s e c t i o no fa p n e u m a t i cp i p e l i n e ，p a r t i c l es i z e ，p a r t i c l em a t e r i a lt y p ea n df r e q u e n c yr e s o l u t i o no np a r t i c l e v e l o c i t ym e a s u r e m e n ta c c u r a c yw e r ea l s od i s c u s s e di nd e t a i l s e x p e r i m e n t sh a v eb e e nc o n d u c t e d o nab e n c h s c a l eg r a v i t y f e dp a r t i c l ef l o wr i gt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e l o c i t ym e a s u r e m e n t s y s t e m 3 df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) w a se m p l o y e di n t h i sw o r kt oi n v e s t i g a t et h e d y n a m i c s e n s i t i v i t yf i e l do fe l e c t r o s t a t i cs e n s o r , t h ep r o b eo fw h i c hi sm o u n t e df l u s hw i t ht h ei n n e rp i p e w a l l i tw a sf o u n dt h a t ，f o rag i v e ns e n s o r , i t sd y n a m i cs e n s i t i v i t ya sd e f i n e di nt h i sp a p e rd e p e n d s m a i n l yu p o ns e n s i n gm e c h a n i s m ，t h el o c a t i o nw h e r et h ec h a r g e dp a r t i c l ep r e s e n t si n s i d et h ep i p e a n di t sa x i a la n dr a d i a lv e l o c i t i e s t h et e s tr e s u l t su s i n gab e l tr i gv e r i f i e dt h ea b o v et h e o r e t i c a l c o n c l u s i o n s t h i sw o r ki n t r o d u c e das t o c h a s t i ci n v e r s et e c h n i q u eb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m ( g a - e c t ) f o r s o l v i n gt h e s o f t - f i e l d p r o b l e mi ne l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t sw e r eu s e dt oe v a l u a t et h ei n v e r s et e c h n i q u eb o t hf o rn o i s ef r e ea n dn o i s ec o n t a m i n a t e dd a t a ， a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a th i 【g hq u a l i t yi m a g ec a nb er e c o n s t r u c t e dw i t h o u ti n v o l v i n gs e n s i t i v i t y f i e l d p o t e n t i a lm e a s u r e m e n t s ”c a nb ea p p l i e dt oi m a g er e c o n s t r u c t i o ni ne c ts y s t e m s b o t ht h e i l a b s t r a c t t h e o r ya n dt h es i m u l a t i o nb a s e do nt h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o dr e v e a l e dt h a tp o t e n t i a l i sd e p e n d e n to nt h ec a p a c i t a n c er a t i o sf o rag i v e ne x c i t a t i o nv o l t a g e ，i n d e p e n d e n to fc a p a c i t a n c e t h e m s e l v e s t h ec o n d i t i o n sf o ra p p l i c a t i o n sb a s e do nt h i sc o n c e p th a v ea l s ob e e nd i s c u s s e d d u et ot h et i m ec o s t si ni m p l e m e n t a t i o no fg a - e c ta l g o r i t h m ，t h ea l g o r i t h mb a s e do ni t e r a t i v e s e n s i t i v i t yf i e l dm e t h o dw a sa l s os t u d i e d t h es e n s i t i v i t ya f t e ri t e r a t i o ni sm u c hc l o s e rt ot h a t u n d e rt h et r u es i t u a t i o n an o v e lc o m b i n e dt e c h n i q u e ( e l e c t r o s t a t i ct o m o g r a p h yc o m b i n e dw i t he l e c t r i c a lc a p a c i t a n c e t o m o g r a p h y ) h a sb e e np r o p o s e di nt h i st h e s i s t h ep e r m i t t i v i t yd i s t r i b u t i o nf r o me c tc a nm a k e c o n t r i b u t i o nt oa c h i e v i n gh i g h e rr e s o l u t i o nf o rs e n s i t i v i t yd i s t r i b u t i o no fe s ti nd e n s ep h a s e s i t u a t i o n ，a n dc a nf u r t h e rp r o v i d e sap r i o r ik n o w l e d g ef o ri n v e r s i o no fe s t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n p r e s e n t e ds h o w e dt h a tt h ei n v e r s i o na c c u r a c yo fc h a r g ed i s t r i b u t i o nf r o me s tw a so b v i o u s l y i m p r o v e du s i n gt h ep e r m i t t i v i t yd i s t r i b u t i o nf r o me c t aw e a ks i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i t r yo fe c tw a sd e s i g n e df o ro n l i n em e a s u r e m e n to ft h e c a p a c i t a n c ei nt h eh i g hp r e s s u r ea n dd e n s ep h a s ep n e u m a t i ce x p e r i m e n t a lr i g i nt h ea p p e n d i x ，t h ec a l i b r a t i o nt oa b bp f m a s t e ri np n e u m a t i c c o n v e y a n c es y s t e mw a sa p p l i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rv e r t i c a la n dh o r i z o n t a lp i p es e c t i o n sw e r ea c q u i r e dr e s p e c t i v e l yu n d e r d i f f e r e n ta i r - s o l i dr a t i o ，a n dt h ee f f e c to fp a r t i c l es i z eo ns i g n a lw a sa l s oi n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：e l e c t r o s t a t i cs e n s o r ；d y n a m i cs e n s i t i v i t y ；s p a t i a lf i l t e r i n ge f f e c t ；f l o wp a t t e r n ； e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y , e l e c t r o s t a t i ct o m o g r a p h y ；g a - e c t ；m u l t i - s e n s o rc o m b i n a t i o n ； i v 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： 2 兰i 堑 e l 期： 名l 4 口留、s ，弓口 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。 日期：理函。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 气固两相流参数检测的意义和难点 气固两相流广泛的存在于自然界和工业生产过程中，例如，自然界的大漠扬沙、沙尘暴 的横行、冰雹交浸，以及空中灰尘弥散、污染源的颗粒污染物排放等都是与人类生活环境有 关的气固两相流现象。在电力、建材、冶金、化工、环卫、医药和粮食加工等很多工业生产 中，应用管道气力输送工艺来传送譬如煤粉、水泥、矿石、盐类以及面粉等都是属于典型的 气固两相流流动【1 , 2 , 3 , 4 , 5 1 。随着现代工业的发展，对过程参数的检测及控制要求越来越高，气 固两相流动参数的准确测量对于许多生产部门包括能源、化工、环境、气象、冶金、食品等 都有着重要的现实意义。例如，粉体气力输送过程流型参数可为改善输送效率提供必要的参 考信息。再如燃煤电站燃烧器控制系统中，通过连续提供粉体燃料的分布以及颗粒品质的 在线反馈，合理设定一次风中的粉体燃料与空气的混合比，能有效的降低炉膛内飞灰含炭量， 以优化燃烧过程、提高锅炉以及静电除尘器的效率减少污染物的排放。同时，根据气同两相 流参数制定出相关指示指标，对制粉过程中可能出现的事故情况做出预警，改善磨煤机的运 行，为输入炉膛二次风量的控制提供依据，提高了整个系统的安全可靠性。使得电站的运行 得以优化。目前，气固两相流流动的研究已经受到了越来越多的科学家和工程师的重视。而 不少情况下，气同两相流或多相流测试技术已成为多相流研究与应用中的一个关键性的控制 因素，也已成为国内外给予极大关注的前沿学科之一【6 7 8 j 。 气固两相流与其他多相流系统一样，各相间存在界面效应和相对速度，相界面在时间和 空间上都是随机可变的，致使其流动特性以及检测方法远比单相流系统复杂，其特征参数也 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【9 】。气一同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 0 , 1 1 ： 不均匀的同相颗粒分布 气力输送管道中的固相颗粒分布可能是不均匀的，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、固体的载荷量、输送 空气的速度以及固体颗粒的特性( 包括粒子的尺寸，湿度成份、内聚力和枯着力等) 。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。当 固体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i 司体颗粒时，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。 粒子尺寸和形状 粒子尺寸一般在几微米到几厘米范围内变化。而颗粒的形状却千变万化，很难恰当的 进行分类。通常定义这些术语，如f i n e ，c o a r s e ，p o w d e r ，c u b e s ，p e l l e s t s ， c h i p s ，f l a k e ，g r a n u l a r ，来反映固体颗粒物的尺寸和形状。对于某一给定的发送系统， 粒子的尺寸范围可能是固定的。但是，粒子尺寸分布可能会发生变化，例如：煤粉粒子尺寸 的分布主要取决于磨煤机的性能。 湿度 微粒物质可能包含1 - 3 0 9 6 的水份，这主要取决于物质的来源、储存状态和处理过程的需 要等。通常，所设计的同体流量仪器是监测排除水份的“干”物质。这意味着固体流量传感 1 东南大学博十学位论文 器应该是对物质的水份不敏感。如电容传感器不适合含湿量较高的同体颗粒流动参数检测。 化学组分 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。而对许多工业生产过程，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。 除了上面提到的因素之外，其它因素也可能影响仪器性能，如颗粒在测量段管道内侧的 沉淀程度。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。鉴于气一固两相流动的复杂性、随机性以及对多相流流量计影响因 素较多，因此，气一固两相流参数检测难度很大。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。 下面将主要介绍现阶段用于气固两相流参数测量的方法。 1 2 气固两相流颗粒浓度的测量方法 气一固两相流中，圆相颗粒浓度的测量方法主要包括：衰减法、静电法、电容法、层析 成像法等。 1 2 1 衰减法 总体上讲，穿越颗粒介质的单色电磁波或声波都遵守l a m b e r t b e e r 定律： ，；，o p j l x ( 1 1 ) 其中，n 和，分别为电磁波或声波的初始入射和输出强度，x 为波所穿过介质的有效厚度， 为一个与被穿透物质的固有特性密切相关的参数，通常称为衰减系数。基于这一基本原 理，通过发射一束或多束穿过气力输送管道的电磁波或声波，前人已开发了若干种利用流动 介质所引起的衰减来检测固相浓度的技术。用于浓度测量的电磁波可以是可见光、激光束 【1 2 】、微波【1 3 1 、射线【14 1 5 1 。声波可以由适当的声学或超声传感器产生【1 6 1 。此外，通过测量由 颗粒散射产生的衰减，也可以实现固相浓度的检n t l 7 1 。 这些不同“源”的传感器，都有各自的特点。如射线法测量范围宽、空间分辨率高，但 是结构设备复杂、昂贵，不当应用容易产生辐射泄漏。光学传感器的主要优点是，被测颗粒 的化学成分和湿度的变化对系统输出没有影响，但是光学系统易受污染。对于微波式传感器， 现场测试表明：衰减随湿度、颗粒尺寸的变化而产生显著变化，而且颗粒在微波窗口上的沉 积会引起衰减的急剧增加而产生错误的示值。声学法可以估计固相浓度，适合检测流动的有 无以及泄漏的发生，而不适于同相浓度的绝对测量。因此，对于衰减式浓度测蕈方法，要针 对不同应用场合，恰当的选择传感器。 1 2 2 静电法 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 2 第一章绪论 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 累人量的电荷。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，可实现颗粒的浓度，甚至颗粒粒径的实时检测。 如图1 - 1 所示，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。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成交 流检测电路，即测量静电传感器输出信号的交流成分，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。 a 口 o 。o 口立立 。口l 与一 口口。 口 口 。 。 ( a ) 圆环状( b ) 棒状电极 图1 - 1 两种颗粒浓度检测电极 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。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( 颗粒的形状、尺寸、分布、粗糙度，相对湿度、化学组分、体电阻、功函数等) 而且与管道的材料和布置、颗粒在管道中的输送条件( 管道尺寸、输送管线温度、压力等) 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。在应用时，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。这意味着：按照目前粉体 静电物理学的研究成果，建立颗粒浓度绝对测量值和静电感应信号之间模型是非常困难的。 也正是如此，生产厂商都明确的指出：基于颗粒静电化的多相流流量计仅仅给出的是颗粒浓 度的相对值，仅用于定性的比较分析。当然，也有通过上文提到的首先人工荷电，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。影响颗粒浓度测量一些因素可 以通过优化传感器结构和检测电路来削弱。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。 a r m o u r - c h e l u 1 8 】在小规模实验台上，使用o l i v i n e 沙作为实验材料，研究由颗粒与管壁碰撞 而产生的颗粒荷电现象。实验结果表明，利用静电测量方法可以推断出流动粉体材料的荷电 趋势，对所测信号进行处理后，可提取出管道内流动颗粒浓度的信息。对实验数据进作一步 的分析表明数据还包含粒径分布的信息，作者提出了进一步研究的思路。w o o d h e a d 1 9 j 也报 道了利用非侵入式静电方法获取质量流量的实验结果。尽管在浓度测量方面，特别是低浓度 范围内( 小于0 5 k gm 。3 ) 取得了一定的成功，但仍需进一步证明此技术在其它浓度范围内 的可行性。 3 w o， m o o 卜。o o o o 0 ，_1恫蝎，l隔九 e 诎 黼 钒 吲 “ 队 k 东南大学博士学位论文 1 2 3 电容法 电容法的基本原理：在气固两相流中，固相物质的介电常数通常都比气体的大，因此， 在电容敏感空间内，固相物质的存在将使测量电容值增加。电容值的变化可通过专用电路转 换为适当的电信号( 电流、电压或频率) 。检测的电容值与检测场内固相浓度的对应关系， 即可以是直接的( 总电容法) 也可以是间接的( 动态电容法) 。近年来，国内外研究人员对 应用于固相流动测量的电容传感器，开展了大量的理论和试验应用的研究工作 2 0 , 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 4 , 2 5 , 2 6 1 。感应电极的结构有平板型、多平板型、环型、四分之一环型、针型和螺旋 形状，而且既可以安装在管道绝热部分的内部又可以安装在外部。图1 - 2 是几种电容传感器 形状及安装方式。电容传感器的主要优点是非侵入式测量方法，不影响流场，具有结构简单、 成本低廉、性能价格比好、易于安装、传感器响应速度快、实时性好、适用范围广等优点。 s ( 匈表面极授 髫爵爵瓣 一 s 电极 ( c ) 圆环式椴饭 图1 - 2 几种电容传感器形状及安装方式 ( b ) 平行极扳 尽管电容法的测量原理简单，但在实际应用中还存在许多不容忽视的问题【2 ，如：电 容测量值与相浓度之间并非一一对应的线性关系，而且参数之间的关系错综复杂，难以用解 析式直接描述；电容的测量值易受相分布及流型变化的影响，导致较大的测量误差等。与总 电容法相关的问题是基线漂移、敏感区的同体颗粒堆积、温度的影响、含水量及分相介电常 数的改变等因素都会引起较大测量误差。基线漂移和灵敏度低的问题可以通过电容测量电路 得到改进。温度引起的总电容的变化可以通过温度补偿技术来减少。动态电容测量技术可以 消除测量段固体堆积的影响。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 测量之前用静态模型进行离线标定，但静态模型需由湿度己知的相同的固体材料组成。通过 对传感器的优化设计可以减小测量结果对流型的依赖性。 1 2 4 层析成像法 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【2 叭。它是通过一种类似于医学计 算机层析成像( c t ) 的原理来测量两相流流动参数，如颗粒浓度或体积分数的二维或三维 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，因此，在 两相流流型辨识和参数测量方面具有很强的生命力。 按照信息获取手段和传感机理不同，可将过程层析成像分为电容层析成像、电阻层析成 4 第一章绪论 像、超声波层析成像、x 射线( y 射线) 层析成像、核磁共振成像、光学层析成像、电荷层 析成像、微波层析成像、电磁感应层析成像等 2 8 , 2 9 , 3 0 , 3 1 , 3 z , 3 3 , 3 4 3 5 ，3 6 3 7 3 8 1 十几种。其中以电容和 电阻层析成像技术最为成熟，相应产品已经成功应用于多相流实验装置上；超声波、核磁共 振、x 射线和y 射线层析成像是从医学c t 中移植过来的，也取得了较好的进展。 有关国内外文献报道的各种过程层析成像技术的特点和相互间的对匕t - n 于表1 1 。 表1 - 1 常用过程层析成像方法比较 1 2 5 共振法 在一定条件下，颗粒物在有外部能量的激励或注入时，能够发生物理共振现象。基于共 振原理，人们已经开发出了核磁共振、微波共振和声学共振相浓度传感器。 核磁共振n m r ( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ) 的基本原理是具有适当频率的电磁场施加 于具有净磁距的物质时，原子核可在其l a m o r 频率上从场中吸收能量，而使他们在磁能级之 间发生共振跃迁【3 9 1 。用核磁共振法测量相浓度时，要求测量段的管道是非金属的，这样可 使高频磁场信号穿过管道进入流体。核磁共振法测相浓度与流体的导电率、温度等物性参数 变化无关，属于非接触测量方式，适于测量腐蚀性和易聚合物质而且精度较高，但结构复杂、 成本高，经济性差。 微波共振法是利用覆盖有金属管的一段柱形绝缘材料构成的微波空腔，通过小孔与微波 系统相连，空腔可从微波系统中以特定的共振频率吸收能量。共振频率从腔体为空到有固相 物质时的频移与空腔内的l 司相浓度成正比l 蚰1 。据此，可实现同相浓度的测量。然而，微波 共振频移取决于固相的介电特性，可能是正的也可能是负的。此外，该技术对固相颗粒的水 分和温度的变化极其敏感，因此，必须采取特别的预防措施使温度稳定并对水分的变化进行 修正。 声学共振法是利用适当的几何形状传感器产生声学共振，其共振频率直接正比于声速。 因此，可由测量得到的声学共振频率计算出声速，进而推算测出吲相浓度。v e t t e r 和c u l i c k 对电厂煤粉输送管道进行实测研列4 ，证实利用声学共振法可以获得固体颗粒平均浓度， 但系统输出与颗粒尺寸有关，并且只对尺寸小于1 0 0 i tm 的颗粒敏感。 5 东南大学博士学位论文 1 3 气固两相流颗粒速度的测量方法 气一固两相流中，吲相颗粒速度的测量方法主要包括：多普勒法、互相关法、空间滤波 法、示踪法等。 1 3 1 多普勒法 多普勒测速是以d o p p l e r 频移定理作为固体速度测量的基础【4 2 1 。能量从波源以一个固定 的频率矗射向被检测的流体，能量以厶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： ，- c ( 厶一厶) ( 2 c o s 昕) ( 1 - 2 ) 其中，c 为电磁波的速度；0 为传输能量到流体之间的夹角。c 和疗已知，因此固体速度 可以通过测量多普勒频移厶一厶来确定。基于多普勒频移定理的颗粒子速度测量仪可以使 用激光也可以使用微波或者超声波作为能源。 图1 - 3 多普勒测速基本原理 对于激光多普勒测速仪，无论是差分式还是参考光束式，都可以实现气同两相管流内 颗粒速度的点测量，速度测量的范围在0 1 m m s 1 0 0 t r i m s ，测量的准确率达到0 5 ， 不需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【4 3 , 4 4 j 。 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，不需要透明的窗口，能够适合恶劣的工业现场环境，而且结构简单紧凑、价格相对 低廉。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 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，很难实现点速度测量1 4 5 1 。 1 3 2 相关法 相关法类似于示踪法，它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 6 第一章绪论 号的相似性实现速度测量，而无需外部投入任何示踪物h 6 , 4 7 1 ，测量原理见图1 4 。在物理实 现上，只需在气力输送管道中安装两只完全相同的传感器，其轴间距离为l 。粒子从上游传 感器移动到下游传感器的时间为，可由相关器对两只传感器的输出信号x o ) 和y ( t ) 在一 个测量周期内作互相关处理确定，即有： 1巾 r , y ( f ) 2 权x o ) y ( f v ) d t ( 1 - 3 ) 其中，r ，( z ) 是上游信号到下游信号延迟时间f 时的互相关函数值。互相关函数最大值所 对应的延迟时间，即为，因此，固体速度u 可由下式确定： ：l f 。 ( 1 -