氣固兩相流動(dòng)參數(shù)靜電與電容融合測(cè)量方法研究.pdf

1、氣固兩相流系統(tǒng)廣泛存在于能源、化工、冶金、制藥和食品等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)其顆粒速度、濃度和質(zhì)量流量等流動(dòng)參數(shù)的在線準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)流動(dòng)過程機(jī)理研究、過程節(jié)能、系統(tǒng)安全運(yùn)行及優(yōu)化控制均具有重要意義?；陔妼W(xué)原理的氣固兩相流動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法由于其非侵入、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠性高以及無輻射等優(yōu)點(diǎn)引起了越來越多的關(guān)注。本文主要研究了基于電學(xué)原理的氣固兩相流動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法，旨在建立融合靜電與電容傳感器的顆粒速度、濃度和質(zhì)量流量測(cè)量技術(shù)，為開發(fā)可靠的顆粒流動(dòng)

2、參數(shù)測(cè)量儀表系統(tǒng)提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
　　在陣列式靜電傳感器的基礎(chǔ)上，首次提出了矩陣式靜電傳感器，深入研究了其靈敏度和空間濾波特性，矩陣式靜電傳感器的每組線性電極陣列擁有不同的敏感區(qū)域，能夠獲得其敏感區(qū)域內(nèi)顆粒流動(dòng)平均速度信息，且傳感器輸出信號(hào)的中心頻率與顆粒速度成正比。在此基礎(chǔ)上，首次提出了一種氣固兩相流顆粒局部平均速度的矩陣式靜電傳感器空間濾波測(cè)量方法，并建立了矩陣式靜電傳感器顆粒局部平均速度測(cè)量系統(tǒng)，在重力輸送顆粒流裝置上對(duì)

3、多種物料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:速度測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于11％。
　　將一種復(fù)合式互相關(guān)靜電傳感器用于研究無煙煤和石油焦顆粒在濃相氣力輸送狀態(tài)下的速度特性，環(huán)狀和弧狀靜電傳感器分別用于測(cè)量顆粒截面平均和局部速度。結(jié)果表明:顆粒流動(dòng)特性與顆粒自身屬性及輸送系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)密切相關(guān)。加大補(bǔ)充風(fēng)或者提高系統(tǒng)輸送差壓都可以增加顆粒速度并減小質(zhì)量流量，從而降低顆粒體積濃度，另外提高系統(tǒng)的整體輸送壓力利于顆粒形成懸浮流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，無煙

4、煤主要的流動(dòng)形態(tài)是分層流，石油焦顆粒由于密度比無煙煤顆粒小而更易于懸浮在氣體中。對(duì)于分層流流動(dòng)，位于管道上部的弧狀電極測(cè)得的局部速度要大于底部電極測(cè)得的速度，且環(huán)狀電極測(cè)得的顆粒平均速度介于弧狀電極測(cè)得的局部平均速度的最大值和最小值之間;而對(duì)于懸浮流，環(huán)狀電極測(cè)得的顆粒平均速度要大于弧狀電極測(cè)得的局部平均速度。
　　首次提出了基于陣列式靜電傳感器的自相關(guān)顆粒速度測(cè)量方法，理論研究表明自相關(guān)譜線中渡越時(shí)間與顆粒速度成線性關(guān)系，并得到

5、了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。重力輸送和濃相氣力輸送實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在采樣頻率選取合理的前提下，對(duì)陣列式靜電傳感器輸出的靜電信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)分析和功率譜分析均可以準(zhǔn)確測(cè)量顆粒速度，但自相關(guān)分析信號(hào)處理過程簡單可靠，對(duì)在線顆粒速度測(cè)量具有較強(qiáng)的適用性。然而基于靜電傳感器的空間濾波法對(duì)顆粒流的流型有很大的依賴性，能夠用于較為穩(wěn)定的懸浮流顆粒速度測(cè)量，對(duì)分層流測(cè)量未達(dá)到預(yù)期效果。
　　以螺旋電極電容傳感器為基礎(chǔ)，系統(tǒng)地研究了顆粒靜電對(duì)交流法電容檢測(cè)及電容傳感

6、器顆粒濃度測(cè)量的影響，首次提出了可消除靜電干擾的交流法電容檢測(cè)方法。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:電容信號(hào)和靜電信號(hào)處于不同的頻帶范圍，通過合理設(shè)計(jì)電容電壓轉(zhuǎn)換電路參數(shù)，并在其后設(shè)置帶通濾波器可以有效濾除靜電感應(yīng)信號(hào)，從而可消除顆粒靜電對(duì)電容測(cè)量的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的交流法電容檢測(cè)電路，能有效消除靜電干擾，進(jìn)而可準(zhǔn)確地檢測(cè)由介質(zhì)濃度變化引起的傳感器電容變化。針對(duì)10mm和50mm兩種管徑對(duì)螺旋電極電容傳感器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究，結(jié)

7、果表明:在螺旋電極的導(dǎo)程確定的情況下，隨著電極軸向?qū)挾鹊脑龃?，管道中間位置的靈敏度由大于邊緣位置靈敏度逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾∮谶吘壩恢渺`敏度，所以存在一個(gè)最優(yōu)的電極軸向?qū)挾仁沟脗鞲衅骶哂芯鶆虻撵`敏場分布。因此，對(duì)不同電極軸向?qū)挾冗M(jìn)行靈敏度比較，可獲得最佳的傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)，標(biāo)定后的螺旋電極電容傳感器可用于顆粒濃度的準(zhǔn)確測(cè)量。
　　在靜電和電容測(cè)量技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，提出了融合靜電與電容傳感器的顆粒速度、濃度和質(zhì)量流量測(cè)量方法，開發(fā)了在線測(cè)量儀表