一种三维稠密气固系统非球形颗粒动力学参数的无线测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种三维稠密气固系统非球形颗粒动力学参数的无线测量装置，包括示踪颗粒、微波加热单元、无线信号接收单元和数据处理单元。示踪颗粒耦合了测压、测温和无线信号发射功能并置于三维稠密气固系统中，其在形状和尺寸上与系统内的非球形颗粒相似；测量时，微波加热单元定向加热示踪颗粒内部的被加热体，红外传感器通过红外线感应获得温度信号，同时，薄膜压力传感器直接测得颗粒受到的碰撞力；最后，温度和受力信号通过无线方式传输至系统外部的无线信号接收系统，经过数据比对获得颗粒碰撞力和位置信息。本发明的测量方法及装置可测量三维稠密气固系统中运动的颗粒位置和碰撞力参数，具有对流场无干扰、实时在线测量等优点。

说明书

技术领域

本发明属于多相流测量技术领域，具体地涉及一种三维稠密气固系统非球形颗粒动力学参数的无线测量方法及装置。

背景技术

稠密气固系统在工业生产中尤其是化工及能源动力等领域有着非常广泛的应用。在这些应用过程中，固体物料不仅含有球形颗粒，而且含有非球形颗粒，如固废回转窑燃烧气化、生物质秸秆流化床燃烧、球形/非球形颗粒混合物流化分选等。显然，无论是物理处理过程，还是化学反应过程，物料之间的传质、传热和动量传递都是极其重要的，直接影响了过程效率和产品质量。测量颗粒动力学参数是深入了解反应传递过程的一个重要途径。

颗粒运动位置、速度和受到的碰撞力是颗粒动力学的主要参数，其中，运动速度可通过求解位移与时间的关系间接获得。颗粒示踪法是常用的颗粒运动位置参数测量方法，典型的包括图像法、磷光法、放射法等。图像法将颗粒染上有色涂料制成示踪颗粒，通过高速摄影仪拍摄示踪颗粒的运动轨迹，经过图像处理获得颗粒的位置信息，这是一种最常规的测量方法，操作简单、成本低廉。磷光法将颗粒涂上荧光粉制成示踪颗粒，通过磷光检测仪检测磷光而捕获示踪颗粒的运动信息，是一种常见的测量手段，已用于循环流化床颗粒混合的研究。以上两种方法都是基于光学成像原理实现颗粒运动过程的跟踪，由于可见光线只能穿透透明物体，而固体颗粒又会阻碍光线的直线传播，因此，这两种测量方法必须要求容器外壁是透明的有机玻璃或石英玻璃，而且测量对象只局限于稀相气固系统，只能测量二维图像信息，这也是这类方法最大的缺点。为了克服这些缺陷，研究者发明了放射法测量颗粒运动参数。放射法也称放射性颗粒示踪方法，是一种非常规的、但却是目前国际上公认的最有效的实验手段，这种方法将半衰期短的放射性元素置于示踪颗粒内，通过检测放射性实现对示踪颗粒的跟踪。该方法具有多样性、易于检测，可以实现全场检测，但也存在放射性示踪颗粒的制备、保存和使用过程中涉及的安全问题，使用不当，会对环境和研究者造成污染和危害。

碰撞力是颗粒在运动过程中相互碰撞产生的作用力，是颗粒改变运动速度和方向的主要原因。静态模拟实验和测压探头测量是目前常见的两种颗粒碰撞力测量方法。静态模拟实验在静态实验机上开展，通过模拟颗粒运动过程中发生的几种典型碰撞过程实现对碰撞力的测量，这种方法是一种虚拟化的非直接测量方法，不能真实反映颗粒的运动特性。而测压探头测量通过测压探头深入系统内直接接触颗粒获得受力信息，是一种典型的接触式测量方法，只能实现定点测量，测量装置也会干扰流场。从公开检索的文献来看，目前还没有一种在真实情况下测量颗粒碰撞力的方法。

由以上分析可知，目前常规的测量技术普遍存在干扰流场、仅能获取表观信息、不能实时在线测量等问题，迫切需要开发出一种新的测量方法，以克服常规测量技术的缺陷。

发明内容

发明目的：本发明针对常规的颗粒位置测量方法只能获取表观的颗粒运动信息、部分测量方法存在安全问题，常规的碰撞力测量装置会干扰流场、不能实现三维全场测量等问题，提供了一种三维稠密气固系统非球形颗粒动力学参数的无线测量装置及方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种三维稠密气固系统非球形颗粒动力学参数的无线测量装置，包括示踪颗粒、微波加热单元、无线信号接收单元和数据处理单元，其中：

所述示踪颗粒设置于三维稠密气固系统的内部，所述示踪颗粒包括壳体、与所述壳体同轴布置的内核通道、壳体与所述内核通道之间的真空腔、设置于所述壳体外表面的测压单元、设置于所述内核通道内部的测温单元、设置于所述内核通道内部的无线信号发射单元以及布置在壳体一端的保温盖；

所述的微波加热单元设置在三维稠密气固系统的外部，包括n个微波发射器，沿三维稠密气固系统的轴向均匀布置，所述n个微波发射器的功率依次逐渐降低；

所述无线信号接收单元设置于三维稠密气固系统的外部并与所述数据处理单元连接，主要用于无线信号的接收，同时将接收到的信息传递给数据处理单元；

所述数据处理单元设置于三维稠密气固系统的外部，包括计算机，用于采集接收到的数据，通过与标定数据进行比对，从而得到示踪颗粒在不同时刻的位置和对应点的压力即该位置受到的碰撞力。

其中，为了更好的得到系统内非球形颗粒的动力学参数，所述的示踪颗粒被设计成圆柱状，其大小与系统中的物料的大小相近，具体地，其大小通过下述方法确定：从待检测非球形颗粒物料中挑选呈规则圆柱状的物料，统计所述圆柱状物料的平均直径记为d，平均高度记为h，则圆柱状的示踪颗粒的直径范围在0.9d～1.5d，高度范围在0.8h～1.3h。

其中，所述的测压单元包括薄膜压力传感器和数据传输线，其中，所述的薄膜压力传感器包裹在所述壳体的外表面，所述的数据传输线一端与薄膜压力传感器相连，另一端与所述的无线信号发射单元相连；

所述的测温单元包括被加热体和红外传感器，其中，所述的被加热体由碳化硅粉末通过耐高温胶调配而成，置于所述的内核通道内，所述的红外传感器与所述的被加热体相连，通过测量被加热体所发射的红外线而获得其温度。

所述无线信号发射单元包括依次布置在所述内核通道内部的压缩存储模块、无线信号发射器和微型电源，所述微型电源为整个示踪颗粒提供工作所需能量。

本发明还提出了一种三维稠密气固系统非球形颗粒动力学参数的无线测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)沿三维稠密气固系统外部的轴向均匀布置n个微波发射器，每个微波发射器的功率依次逐渐降低，以便在三维稠密气固系统内部形成一个微波场，在任意三维坐标都具有不同的微波强度；

(2)从待检测非球形颗粒物料中挑选呈规则圆柱状的物料，统计所述圆柱状物料的平均直径记为d，平均高度记为h，制作圆柱状的示踪颗粒使其直径范围在0.9d～1.5d，高度范围在0.8h～1.3h；

(3)将示踪颗粒置于未装物料的三维稠密气固系统内某一点，开启系统外的微波发射器向系统内发射微波，定向加热示踪颗粒内部的被加热体，与此同时，红外传感器通过感应被加热体发射出的红外线测得温度信息T_0t，通过无线信号发射器传输温度信号至系统外的无线信号接收单元，并由数据处理单元记录实时温度，这样保持加热时间30s～90s，加热完成后，分析数据，得到坐标点与升温速率之间的对应关系f_0i(x，y，z)＝△T_i，其中，x、y、z分别为x轴、y轴和z轴对应的坐标；

(4)将示踪颗粒置移动至另一点，重复步骤(3)，获得另一点坐标与升温速率之间的对应关系，由于系统中每一点的微波强度是不一样的，所以被加热物体的升温速率也是不一样的，这样，通过一系列标定，获得了三维稠密气固系统内任意点与升温速率之间的一一对应关系；

(5)在三维稠密气固系统内放入物料，并将示踪颗粒放入系统内，在随机运动模式下，示踪颗粒在气固流场作用下与其他颗粒一起作随机运动，系统外的微波发射器向系统内发射微波，加热示踪颗粒内部的被加热体，红外传感器通过感应被加热体发射出的红外线获得温度信息T_t，同时，薄膜压力传感器检测到外界施加的压力信号P_t，然后，温度和压力信号通过压缩存储模块将信号压缩存储，并由无线信号发射器传输至系统外的无线信号接收单元；

(6)无线信号接收单元将接收到的温度和压力信号传输给数据处理单元，通过与存储的原始升温速率对比，获得该升温速率对应的三维空间坐标，以及该坐标点上示踪颗粒受到的碰撞力。

有益效果：与常规的颗粒碰撞力和定位测量方法和装置相比，本发明具有如下的优点：

(1)常规的测量方法，无论是定位测量方法，还是碰撞力测量方法，都是单一参数的测量，而本发明的测量装置，在颗粒运动过程中同时实现了颗粒位置和颗粒碰撞力的测量，是利用多个传感器对同一目标的多个参数进行同时测量，属于多传感器参数耦合测量方法，能对目标对象进行一致性解释与描述，获得更为充分的信息；

(2)传统的压力测量方法通过采样管或探头直接伸入床层内部获得压力信息，由于测量装置干扰气固流场，因而不可避免引起测量误差，而本发明将测量装置微型化并集成于颗粒内部，用于模拟非球形颗粒并参与整个流动过程，虽然集成微型测量装置的非球形颗粒与物料颗粒直接接触，但这是由于气固流动而产生的颗粒与颗粒之间自然的接触，并非测量设备与物料的接触，不存在干扰流场问题；

(3)传统的图像法只能测量容器边壁附近区域的颗粒运动轨迹，而且只局限于二维信息，而本发明将无线信号发射功能集成于非球形颗粒内部，通过发现发射模式获得三维稠密气固系统这一特殊系统内部深层次的信息，这一方法彻底改变了传统多相流测试方法的思路，具有明显的创新性；

(4)本发明的测量方法基于能量转换原理，即微波能转化成热能，通过先标定、后测量、再反推过程获得颗粒位置信息，这是一种新的定位方法，无论是加热过程和测温过程，还是信号传输过程，同是通过电磁波完成的，因此，测量对象可以是任意的三维稠密气固系统。

附图说明

图1是本发明的示踪颗粒的示意图，其中：壳体1、内核通道2、真空腔3、薄膜压力传感器4、被加热体5、红外传感器6、压缩模块7、无线信号发射器8、微型电源9、数据线10、保温盖11、测压单元21、无线信号发射单元22、测温单元23；

图2是本发明的三维稠密气固系统非球形颗粒碰撞力和位置的无线测量装置的整体示意图，其中有：微波发射器12、三维稠密气固系统13、示踪颗粒14、物料15、无线信号接收器16和计算机17、微波加热单元18、无线信号接收单元19、数据处理单元20。

具体实施方式

本发明提供了一种三维稠密气固系统非球形颗粒碰撞力和位置的无线测量装置及方法，其中，上述装置的结构如图1～2所示，包括示踪颗粒14、微波加热单元18、无线信号接收单元19和数据处理单元20，其中，示踪颗粒14设置于三维稠密气固系统的内部，其大小与三维稠密气固系统内部的非球形颗粒的尺寸大小相近，包括壳体1、与壳体1同轴布置的内核通道2、壳体1与内核通道2之间的真空腔3、设置于壳体1外表面的测压单元21、设置于内核通道2内部的测温单元23、设置于内核通道2内部的无线信号发射单元22以及布置在壳体一端的保温盖11。测压单元包括薄膜压力传感器4和数据传输线10，其中，薄膜压力传感器4包裹在壳体的外表面，数据传输线10一端与薄膜压力传感器4相连，另一端与无线信号发射单元21相连。测温单元23包括被加热体5和红外传感器6，其中，被加热体5由碳化硅粉末通过耐高温胶(碳化硅与耐高温胶的质量比为8～10:1，耐高温胶的耐温范围在500℃以上)调配而成，置于内核通道3内，红外传感器6与被加热体5相连，通过感应被加热体5所发射的红外线而获得其温度。无线信号发射单元22包括依次布置在内核通道内部的压缩存储模块7、无线信号发射器8和微型电源9，微型电源9为整个示踪颗粒提供工作所需能量。

微波加热单元18布置在三维稠密气固系统的外部，包括n个微波发射器12，n＝3～6，沿三维稠密气固系统的轴向均匀布置，从一侧到另一侧，每个微波发射器的功率I逐渐降低或增加。无线信号接收单元19设置于三维稠密气固系统的外部并与数据处理单元20连接。数据处理单元20设置于三维稠密气固系统的外部，由1台计算机17组成，用于分析接收到的数据，与存储的标定数据进行比对，从而得到示踪颗粒在不同时刻的坐标和该位置受到的碰撞力。

在实际的应用中，可以根据具体要测量的颗粒的形状来设计示踪颗粒的形状以及个数。

下述具体实施例在以本技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施针对回转窑固体废弃物热解工艺设计实验装置，用于测量固体废弃物在不同操作参数下的位置变化及受到的碰撞力，具体实施步骤如下：

(1)准备实验装置和实验材料。取回转窑即(三维稠密气固系统)为实验装置，直径500mm，长1500mm。实验材料包括球形载热体和非球形物料。取石英砂为载热体，各种不同形状的固体废弃物为物料。从待检测非球形颗粒物料中挑选呈规则圆柱状的物料，统计所述圆柱状物料的平均直径为16mm，平均高度为48mm。

(2)制作示踪颗粒。采用玻璃分别制成壳体和内核通道，壳体外径为18mm，高度为60mm，内核通道外径为12mm，高度为40mm。在两者之间抽真空形成真空代，这样，内核通道与外界绝热。将平均粒径为200μm的碳化硅颗粒与高温胶(耐温500℃以上)搅拌混合，质量比为8:1，在成型机里压制成直径为10mm，高8mm的被加热体，并在温度为120℃的烘箱内烘烤150分钟，取出冷却后放在示踪颗粒的内核通道内。然后依次放入红外传感器(D202X)、压缩存储模块(ADV-JP2000)、无线信号发射器和微型电源。将薄膜压力传感器(A401)包裹壳体的外表面，并通过数据传输线与压缩存储模块相连。采用酚醛泡沫材料制成柱形保温盖，直径为18mm，高度为5mm，用于密封并保温示踪颗粒的开口端。

(3)构建微波场。在与回转窑轴线相距400mm处布置3个微波发射器，每个发射器相距500mm，中间的发射器正好位于回转窑的轴线中心面上。发射器的加热功率依次为900W、700W、500W。这样，在3个发射器的相互作用下，回转窑内部存在一个微波场，不仅沿轴向，而且沿径向都具有不同的微波强度。

(4)标定微波场。将示踪颗粒置于未装物料的回转窑内某一点，开启微波发射器向窑内发射微波，定向加热示踪颗粒，由于颗粒内部只有被加热体由介电常数较高的碳化硅制成，因此，只有被加热体在微波作用下开始升温。与此同时，红外传感器通过感应被加热体发射出的红外线测得温度信息T_0t，通过无线信号发射器传输温度信号至系统外的无线信号接收单元，并由数据处理单元记录实时温度。这样保持加热时间60s，加热完后，分析数据，得到该坐标点与升温速率之间的对应关系f_0i(x，y，z)～△T_i，其中，x、y、z分别为x轴、y轴和z轴对应的坐标。将示踪颗粒置移动至另一点，重复以上步骤，同样获得另一点坐标与升温速率之间的对应关系。因为被加热体与外界绝热，所以微波加热的热量都被被加热体转化成内能，从而升高温度。微波强度越强，升温速率越大，微波强度越弱，升温速率越小，两者之间存在一一对应关系。因此，在微波强度不变的情况下，被加热体的升温速率是一样的，也就是f_0i(x，y，z)与△T_i存在一一对应关系，通过△T_i可以反推坐标点。

(5)定位测压实验。在回转窑内放入载热体和物料，并将示踪颗粒放入系统内。当回转窑旋转时，示踪颗粒在气固流场作用下与其他颗粒一起作随机运动。开启微波发射器，加热示踪颗粒内部的被加热体，红外传感器通过感应被加热体发射出的红外线获得温度信息T_t，同时，薄膜压力传感器检测到外界施加的压力信号P_t，然后，温度和压力信号通过压缩存储模块将信号压缩存储，并由无线信号发射器传输至系统外的无线信号接收单元。无线信号接收单元将接收到的温度和压力信号传输给数据处理单元，通过与存储的标定升温速率对比，获得该升温速率对应的三维空间坐标，以及该坐标点上示踪颗粒受到的碰撞力。

实施例2

本实施针对生物质流化床燃烧锅炉设计实验装置，用于测量生物质颗粒在流化过程中受到的碰撞力和对应的位置，具体实施步骤如下：

(1)准备实验装置和实验材料。取流化床即(三维稠密气固系统)为实验装置，床体截面积为400mm×400mm，高2000mm。实验材料包括球形流化介质和非球形物料。取石英砂为流化介质，各种不同形状的生物质秸秆颗粒为物料。从待检测非球形颗粒物料中挑选呈规则圆柱状的物料，统计所述圆柱状物料的平均直径为15mm，平均高度为42mm。

(2)制作示踪颗粒。采用玻璃分别制成壳体和内核通道，壳体外径为18mm，高度为50mm，内核通道外径为12mm，高度为38mm。在两者之间抽真空形成真空代，这样，内核通道与外界绝热。将平均粒径为200μm的碳化硅颗粒与高温胶(耐温500℃以上)搅拌混合，质量比为8:1，在成型机里压制成直径为12mm，高8mm的被加热体，并在温度为120℃的烘箱内烘烤150分钟，取出冷却后放在示踪颗粒的内核通道内。然后依次放入红外传感器(D202X)、压缩存储模块(ADV-JP2000)、无线信号发射器和微型电源。将薄膜压力传感器(A401)包裹壳体的外表面，并通过数据传输线与压缩存储模块相连。采用酚醛泡沫材料制成柱形保温盖，直径为18mm，高度为5mm，用于密封并保温示踪颗粒的开口端。

(3)构建微波场。在与流化床边壁相距200mm处布置4个微波发射器，每个发射器相距500mm，中间的发射器正好位于流化床的轴线中心面上。发射器的加热功率依次为900W、750W、600W、450W。这样，在4个发射器的相互作用下，流化床内部形成一个沿不同方向都具有不同磁场强度的微波场。

(4)标定微波场。将示踪颗粒置于未装物料的流化床内某一点，开启微波发射器向床内发射微波，定向加热示踪颗粒，由于颗粒内部只有被加热体由介电常数较高的碳化硅制成，因此，只有被加热体在微波作用下开始升温。与此同时，红外传感器通过感应被加热体发射出的红外线测得温度信息T_0t，通过无线信号发射器传输温度信号至系统外的无线信号接收单元，并由数据处理单元记录实时温度。这样保持加热时间60s，加热完后，分析数据，得到该坐标点与升温速率之间的对应关系f_0i(x，y，z)～△T_i。将示踪颗粒置移动至另一点，重复以上步骤，同样获得另一点坐标与升温速率之间的对应关系。

(5)定位测压实验。在流化床内放入流化介质和物料，并将示踪颗粒放入床内。当床内颗粒流化时，示踪颗粒在气固流场作用下与其他颗粒一起作随机运动。开启微波发射器，加热示踪颗粒内部的被加热体，红外传感器通过感应被加热体发射出的红外线获得温度信息T_t，同时，薄膜压力传感器检测到外界施加的压力信号P_t，然后，温度和压力信号通过压缩存储模块将信号压缩存储，并由无线信号发射器传输至系统外的无线信号接收单元。无线信号接收单元将接收到的温度和压力信号传输给数据处理单元，通过与存储的标定升温速率对比，获得该升温速率对应的三维空间坐标，以及该坐标点上示踪颗粒受到的碰撞力。