气固两相流动参数静电与电容融合测量方法研究

发布时间：2018-01-23 19:04

本文关键词： 气固两相流静电传感器电容传感器融合方法颗粒速度浓度质量流量　出处：《东南大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：气固两相流系统广泛存在于能源、化工、冶金、制药和食品等领域,实现其颗粒速度、浓度和质量流量等流动参数的在线准确测量,对流动过程机理研究、过程节能、系统安全运行及优化控制均具有重要意义。基于电学原理的气固两相流动参数测量方法由于其非侵入、结构简单、成本低廉、可靠性高以及无辐射等优点引起了越来越多的关注。本文主要研究了基于电学原理的气固两相流动参数测量方法,旨在建立融合静电与电容传感器的颗粒速度、浓度和质量流量测量技术,为开发可靠的颗粒流动参数测量仪表系统提供理论和技术基础。在阵列式静电传感器的基础上,首次提出了矩阵式静电传感器,深入研究了其灵敏度和空间滤波特性,矩阵式静电传感器的每组线性电极阵列拥有不同的敏感区域,能够获得其敏感区域内颗粒流动平均速度信息,且传感器输出信号的中心频率与颗粒速度成正比。在此基础上,首次提出了一种气固两相流颗粒局部平均速度的矩阵式静电传感器空间滤波测量方法,并建立了矩阵式静电传感器颗粒局部平均速度测量系统,在重力输送颗粒流装置上对多种物料进行了实验研究。实验结果表明：速度测量结果的相对标准偏差小于11%。将一种复合式互相关静电传感器用于研究无烟煤和石油焦颗粒在浓相气力输送状态下的速度特性,环状和弧状静电传感器分别用于测量颗粒截面平均和局部速度。结果表明：颗粒流动特性与颗粒自身属性及输送系统运行参数密切相关。加大补充风或者提高系统输送差压都可以增加颗粒速度并减小质量流量,从而降低颗粒体积浓度,另外提高系统的整体输送压力利于颗粒形成悬浮流动。实验中,无烟煤主要的流动形态是分层流,石油焦颗粒由于密度比无烟煤颗粒小而更易于悬浮在气体中。对于分层流流动,位于管道上部的弧状电极测得的局部速度要大于底部电极测得的速度,且环状电极测得的颗粒平均速度介于弧状电极测得的局部平均速度的最大值和最小值之间；而对于悬浮流,环状电极测得的颗粒平均速度要大于弧状电极测得的局部平均速度。首次提出了基于阵列式静电传感器的自相关颗粒速度测量方法,理论研究表明自相关谱线中渡越时间与颗粒速度成线性关系,并得到了实验验证。重力输送和浓相气力输送实验结果表明：在采样频率选取合理的前提下,对阵列式静电传感器输出的静电信号进行自相关分析和功率谱分析均可以准确测量颗粒速度,但自相关分析信号处理过程简单可靠,对在线颗粒速度测量具有较强的适用性。然而基于静电传感器的空间滤波法对颗粒流的流型有很大的依赖性,能够用于较为稳定的悬浮流颗粒速度测量,对分层流测量未达到预期效果。以螺旋电极电容传感器为基础,系统地研究了颗粒静电对交流法电容检测及电容传感器颗粒浓度测量的影响,首次提出了可消除静电干扰的交流法电容检测方法。理论和实验结果表明：电容信号和静电信号处于不同的频带范围,通过合理设计电容电压转换电路参数,并在其后设置带通滤波器可以有效滤除静电感应信号,从而可消除颗粒静电对电容测量的影响。在此基础上,提出了一种改进的交流法电容检测电路,能有效消除静电干扰,进而可准确地检测由介质浓度变化引起的传感器电容变化。针对10mm和50mm两种管径对螺旋电极电容传感器进行了结构参数优化研究,结果表明：在螺旋电极的导程确定的情况下,随着电极轴向宽度的增大,管道中间位置的灵敏度由大于边缘位置灵敏度逐渐转变为小于边缘位置灵敏度,所以存在一个最优的电极轴向宽度使得传感器具有均匀的灵敏场分布。因此,对不同电极轴向宽度进行灵敏度比较,可获得最佳的传感器结构参数,标定后的螺旋电极电容传感器可用于颗粒浓度的准确测量。在静电和电容测量技术研究的基础上,提出了融合静电与电容传感器的颗粒速度、浓度和质量流量测量方法,开发了在线测量仪表系统,并在皮带轮装置和重力输送实验台上进行了实验研究。在玻璃珠质量流量0.13 kg/s～4.9kg/s范围内,测量偏差为-3%-8%,表明所开发的仪表系统完全能够实现流动参数的在线准确测量。此外,仪表系统是基于DSP开发的,可直接应用于工业现场。
[Abstract]:In this paper , a method for measuring the particle velocity , concentration and mass flow of gas - solid two - phase flow has been studied in this paper . On the basis of the research of electrostatic and capacitance measurement technology , the sensitivity of the intermediate position of the pipeline is changed to be less than the sensitivity of the edge position , so that there is an optimum axial width of the electrode . The measurement deviation is -3 % -8 % . The instrument system is developed by DSP and can be applied to the industrial site directly .

【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O359

【参考文献】