摘要:介绍了一种气固两相流速度及质量流量的静电测量方法,实现了静电法在气固两相流速度及质量流量测量中的应用.通过特殊设计的静电传感器系统,利用气固两相流中固相微粒的荷电信号直接测量两相流的速度和质量流量.速度测量采用互相关分析的方法得到静电信号相移时间,计算出固相速度;通过实验确定静电传感器上静电信号电压有效值与已知两相流质量流量的关系,建立了系统电压-质量流量曲线.实验结果表明,静电测量方法可准确跟踪并测量气固两相流的固相速度,实现两相流的在线无损检测.
对传输管道中气固两相流的测量及监控直接关系到产品的质量、工业过程的稳定、能量供给的平衡.由于传输过程中气固两相流的变化复杂,使得两相流测量成为一项技术难题,可供实际使用的商业化设备及成熟产品也极其稀少.近年来一些新的研究手段和方法开始应用到此领域中来,比较典型的方法有:电容法、压降法超声波法、光学法、声发射法、射线法、微波法、静电法等[1~3].与其他方法相比,静电法可实现对两相流的无源、无干扰测量,且成本低廉,是近年来两相流测量研究的热点之一.
1 测量原理
两相流中固体微粒由于相互碰撞以及与传管道的摩擦而荷电,可将荷电的固体微粒看作移动的信源,利用该信源通过两个不同测量点时的信号X(t)和Y(t)计算其相关函数,得到相移时间t,计算得出固相速度;根据静电感应的原理,可确定静电传感器上电压有效值U的大小与已知固体微粒质量流量的关系,建立系统电压-质量量曲线,实现对两相流质量流量的测量[4].将两个固定的传感器探头安置在已知距离为L的两个位置上(如图1),该系统的基本模型可表示为
式中:X(t)和Y(t)表示传感器探头1和2所接收的信号;S(t)是信源信号,即固体颗粒的静电荷产生的信号;D是两个接收传感器所接收到的信号的时间差,即时延;k1(t)和k2(t)是两探头处的噪声.根据噪声源的物理特性,可假设k1(t),k2(t)是零均值、广义平稳的高斯白噪声,彼此统计独立,且与信源信号S(t)统计独立.
实际测量中两探头处的信号波形相似,且探头2处的信号与探头1处信号相差时间τ.由于信源信号是未知的,因而不能用与确知信号相匹配的滤波器或相关器来实现信号最佳的接收.然而,根据所接收信号的统计特性,有表明两接收信号X(t)和Y(t)的互相关函数RXY(τ)等于信源信号S(t)自相关函数RS(τ-D).当τ=D时,互相关函数RXY(τ)的值达到最大值.为此,将探头接收信号X(t)和Y(t)进行互相关处理,求出其最大值所对应的τ值,即为所要测量和估计的时延值D.已知探头间的固定间距L,可计算出固相传输速度V=L/D.
实际的测量中由于两相流在传输过程中速度变化复杂,在互相关分析中相关系数会产生一些虚假的峰值,造成时间延迟τ的计算误差,这种系统误差是不可避免的,但是可通过优化传感器和相关算法来尽量减小此类误差的影响.
2 传感器设计及实验方法
2.1 静电传感器设计
静电测量法的关键在于静电传感器的设计,图2所示为静电传感器的典型结构.
图2中传感器的测量段为固定长度的绝缘管,可避免因荷电对金属管壁的放电而影响静电信号的测量,保证了探头的实际测量效果;绝缘管的内径与两相流的传输管道的内径相同,以避免两相流在通过传感器时因管道尺寸变化而引起的相变;同时绝缘管还起到支撑和固定探头的作用.屏蔽管的外法兰可与传输管道方便地连接;屏蔽管使用金属壳体,可屏蔽外界噪声信号对静电探头的干扰.因为固体微粒的荷电信号较弱,导致静电探头上的感应信号以及前置放大的输入信号较小,所以屏蔽管必须有效和可靠地接地,以保证屏蔽效果.
静电探头是传感器设计的关键,根据测量的要求、现场条件、传输管道尺寸等,可设计不同形状和尺寸的探头.传统的探针式探头具有产生空间效应、易磨损、对两相流产生干扰等缺点,实际使用的环形静电探头属于有限阻抗类型,与固体微粒流和空气流不接触,对两相流不产生任何干扰和影响,实现了两相流的非接触及无损测量.实际的两相流传输中的固体微粒在管道中形成柱状流,并在一定区域内流动,速度的空间分布是不均匀的,环形探头可平衡该空间效应,减少了因相变或固体沉积等现象引起的影响.
与其他类型的探头、传感器或变送器相比,静电探头的阻抗被认为无穷大,实际应用中的测量系统由探头及相应放大电路组成,而整个系统的阻抗通常比单独的探头阻抗要小.由于信源信号是未知的,因而不能用与确知信号相匹配的滤波器或相关器来实现信号最佳的接收,这就要求前置放大电路的阻抗和频率响应特性应与探头严格适应,以测到所需的静电信号,经放大后再进行相应的处理[5,6].
2.2 实验系统设计及实验方法
实验装置如图3所示.实验使用直径在2~4mm之间的聚乙烯颗粒进行静电测量,传输管道直径75 mm,探头间距100 mm.
固体微粒通过给粉器后,由于重力的作用在垂直的管道中做自由落体运动;固体微粒因摩擦和碰撞而荷电,并通过静电传感器;静电传感器检测到信号后经前置放大,交由计算机做相关运算;计算机分别记录两个探头上信号产生和消失的时间值,校正后得到固体微粒的传输时间h;同时用相关算法可给出两探头上信号的时延D,利用V=L/D即可计算出固相传输速度;最后称量测量时段内回收桶内固体微粒的质量M,除以固体微粒的传输时间h即得到理论质量流量值qm.利用重复进行多次实验数据可建立传感器电压有效值与已知固体微粒质量流量的系统关系曲线.
垂直的传输管道可避免因重力而产生的固体沉积现象;利用微粒的自由落体运动可保证被测固体微粒的速度恒定,重复性好;通过调整静电传感器的安装高度,可测量到不同的速度值;同时通过调节给粉器电机转速还可实现两相流的质量流量变化,使得传感器的标定以及校验十分容易.
3 实验结果及结论
图4所示为在速度为7.67m/s,质量流量为0.177 kg/s时,测得的经放大后的静电信号.经计算机处理后得到D=13.2 ms, U=0.165 V,实测速度为7.58 m/s.然后通过改变聚乙烯颗粒质量流量,对传感器性能进行校验,得到部分实验数据,如表1所列,其中-qm为实测值.
根据表1的实验数据同时可进一步修正此前建立的电压-质量流量关系曲线,使该曲线更能符合传感器系统特性,以使其可实际应用于测量聚乙烯颗粒的速度及质量流量.
实验结果表明,静电传感器的设计方法可实现气固两相流的在线无损测量,实验装置可有效地应用于静电传感器的设计、标定以及调试.实验数据表明,静电测量方法可准确跟踪并测量气固两相流的固相速度;通过大量数据建立的电压-质量流量系统曲线可有效地应用于气固两相流的质量流量测量.此外,气固两相流的质量流量测量除受传感器的特性影响以外,还与测量的温度、湿度以及固体微粒的物理特性等有关.通过上述设计及实验方法,可进一步研究不同物质、不同条件下的质量流量测量特性以及测量方法,通过优化静电传感器的设计以及实验方法,实现对气固两相流的准确测量.
参考文献
[1] Yan Y. Mass flow measurement of bulk solid in pneu-matic pipelines[J]. Measurement Science and Technolo-gy, 1996(7): 1 687—1 760
[2] Yan Y, Byrne B, Coulthard J. Radiation attenuation ofpulverized fuel in pneumatic conveying systems [J].Transactions of the Institute of Measurement Control,1993(15): 98—103
[3] Xie C G. Design of caPACitance electrodes for concentra-tion measurement of two-phase flow[J]. MeasurementScience and Technology, 1990(1): 65—78
[4]徐苓安.相关流量测量技术[M].天津:天津大学出版社,1975.
[5] Woodhead S R, Armour-Chelu D I. The influence ofhumidity, temperature and other veriables on the elec-tric charging characteristics of partioulate alumiNIum hy-droxide in gas-solid pipeline flows[J]. Journal of Elec-trostatics, 2003, 58: 171—183
[6] Gajewski J B. Frequency response and bandwidth of anelectrostatic flow probe[J]. Journal of Electrostatics,2000(48): 279—294
作者简介:蒋泰毅(1975-),男,硕士研究生;武汉,华中科技大学煤燃烧国家重点实验室(430074).
E-mail:jeferson@public.wh.hb.cn
