流化床内局部颗粒速度的静电感应测量方法及装置

摘要

本发明公开了一种流化床内局部颗粒速度的静电感应测量方法及装置。该方法在金属屏蔽管一端填充绝缘隔离材料以形成绝缘隔离块，绝缘隔离块内于同一平面内均匀平行布置多个电极以构成第一静电感应电极阵列和第二静电感应电极阵列，且两电极阵列中各个电极分别用导线连接在一起，当带电颗粒通过两静电感应电极阵列时，产生两组反映气固流动信息的静电信号，接入前置电荷差分电路放大后，经数据采集卡送入计算机，在计算机内对差分静电信号进行频谱分析并确定频谱上的峰值频率，进而获得气固两相流局部颗粒速度。本发明的流化床内局部颗粒速度的静电感应测量装置包括测量探针、前置电荷差分放大电路、数据采集卡及计算机。

说明书

技术领域

本发明属于气固两相流测量技术领域，具体涉及一种流化床内局部颗粒速度的静电感应测量方法及装置。

背景技术

循环流化床锅炉内颗粒速度的大小，不仅影响着颗粒在床内的停留时间和密度分布，还直接影响颗粒与受热面的传热强度，进而影响受热面的具体布置。目前，基于不同的测量原理，人们已研究和开发了多种方法和装置测量循环流化床内颗粒速度，如光纤探头法、冲击力法、等速取样法、多普勒激光测速技术(LDV)和粒子图像技术(PIV)等。光纤探头法可用于较高颗粒浓度条件下(如循环流化床锅炉内下部密相区和上部边壁区附近)的颗粒速度测量，光纤探头具有重量轻、尺寸小、几何形状可以根据需要灵活选择、灵敏度高等的优点，但需要有外部光源激励，系统相对较为复杂。冲击力法不受炉内颗粒浓度的影响，可用于循环流化床内不同高度和区域内颗粒速度测量，但测量元件对床内固体颗粒流动产生较大的干扰作用。等速采样法的最大优点在于测量设备非常简单，但由于测量过程中假定颗粒流为连续流，故只适用于循环流化床锅炉下部密相区和上部边壁区域高颗粒浓度条件下的颗粒速度测量，而不适用于上部核心区的颗粒速度测量。多普勒颗粒速度测量是利用颗粒的移动导致散射光产生频移测量颗粒速度，具有简单、可靠等特点，在流体实验研究领域得到了广泛的应用，但是多普勒速度测量系统设备昂贵，且仅适用于稀相悬浮流动条件。PIV技术可实现完整的颗粒流动速度分布测量，但结果分析耗时，仅适用于实验室研究，高浓度时无法测量，不适合工业现场应用。

气固流动系统中颗粒与颗粒、颗粒与气体及颗粒与管壁的相互碰撞、摩擦及分离，导致颗粒产生荷电现象。近些年来，人们利用颗粒荷电研究并开发了静电相关法及静电感应空间滤波颗粒速度测速仪，测量系统具有结构简单、硬件成本低、适合于恶劣的工业现场环境等特点。对于静电相关和空间滤波法，主要采用外置式环状或弧状静电感应阵列，环状静电感应只能获得管道截面上颗粒的平均速度，而弧状静电感应阵列外置于测量管道外部，所获得的信息只能反映近管壁处的颗粒局部速度，而无法反映整个管道截面上的颗粒速度分布信息。

发明内容

为了克服现有循环流化床内局部颗粒速度测量方法及装置的不足，本发明提出了一种流化床内局部颗粒速度的静电感应测量方法及装置，具有较高的空间选择性，提高了频谱尖峰频率和速度测量的准确性，实现了流化床内局部颗粒速度的测量。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种流化床内局部颗粒速度的静电感应测量方法，取两组结构和尺度相同的第一静电感应电极阵列和第二静电感应电极阵列及金属屏蔽管，在金属屏蔽管的一端填充绝缘隔离材料以形成绝缘隔离块，并将所述第一静电感应电极阵列和第二静电感应电极阵列设置于绝缘隔离块内，所述第一静电感应电极阵列至少包括第11电极、第12电极、第13电极、第14电极、第15电极，所述第二静电感应电极阵列至少包括第21电极、第22电极、第23电极、第24电极、第25电极，所述第一静电感应电极阵列中的各个电极以及所述第二静电感应电极阵列的各个电极位于同一平面内且相互平行，并且第一静电感应电极阵列中相邻的电极之间的径向间距p相等，将第21电极设在第11电极与第12电极之间，所述第21电极至第11电极之间的径向距离等于第21电极至第12电极之间的径向距离；将第22电极设在第12电极与第13电极之间，所述第22电极至第12电极之间的径向距离等于第22电极至第13电极之间的径向距离；将第23电极设在第13电极与第14电极之间，所述第23电极至第13电极之间的径向距离等于第23电极至第14电极之间的径向距离；将第24电极设在第14电极与第15电极之间，所述第24电极至第14电极之间的径向距离等于第24电极至第15电极之间的径向距离；将第25电极置于绝缘隔离块内且第25电极与第15电极之间的距离为第一静电感应电极阵列中相邻的电极之间的径向间距p的二分之一，分别将第一静电感应电极阵列和第二静电感应电极阵列中的电极连接在一起，并由第一静电感应电极阵列和第二静电感应电极阵列分别产生两组反映气固两相流流动信息的静电感应信号，两组信号分别接入前置电荷差分放大电路的两输入端进行差分放大后，由数据采集卡送入计算机，由计算机对数据采集卡的输出信号进行频谱分析并确定频谱上的峰值频率，进而计算获得气固两相流颗粒局部速度。

一种用于实施流化床内局部颗粒速度的静电感应测量方法的装置，包括：测量探针、前置电荷差分放大电路、数据采集卡及计算机，测量探针的两电极阵列导线分别与前置差分放大电路的两输入端连接，前置电荷差分放大电路的输出端与数据采集卡输入端连接，数据采集卡的输出端与计算机的输入端连接并由计算机对数据采集卡的输出信号进行频谱分析并确定频谱上的峰值频率，进而计算获得气固两相流颗粒局部速度，所述测量探针包括：金属屏蔽管，在金属屏蔽管的一端填充绝缘隔离材料以形成的绝缘隔离块，在绝缘隔离块内部设有的第一静电感应电极阵列及第二静电感应电极阵列，所述第一静电感应电极阵列至少包括第11电极、第12电极、第13电极、第14电极、第15电极，并且第一静电感应电极阵列中相邻的电极之间的径向间距p相等，第一静电感应电极阵列中的各个电极由第一静电感应电极阵列导线连接，所述第二静电感应电极阵列至少包括第21电极、第22电极、第23电极、第24电极、第25电极，第二静电感应电极阵列中的各个电极由第二静电感应电极阵列导线连接，所述第一静电感应电极阵列中的各个电极以及所述第二静电感应电极阵列的各个电极位于同一平面内且相互平行，第21电极设在第11电极与第12电极之间且第21电极至第11电极之间的径向距离等于第21电极至第12电极之间的径向距离，第22电极设在第12电极与第13电极之间且第22电极至第12电极之间的径向距离等于第22电极至第13电极之间的径向距离，第23电极设在第13电极与第14电极之间且第23电极至第13电极之间的径向距离等于第23电极至第14电极之间的径向距离，第24电极设在第14电极与第15电极之间且第24电极至第14电极之间的径向距离等于第24电极至第15电极之间的径向距离，第25电极与第15电极之间的距离为第一静电感应电极阵列(5)中相邻的电极之间的径向间距p的二分之一。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)气固流动系统中颗粒与颗粒、颗粒与气体及颗粒与管壁的相互碰撞、摩擦及分离，导致颗粒产生荷电现象，本发明基于颗粒荷电现象和静电感应原理设计静电感应电极阵列，实现了局部颗粒速度的测量，由于是通过颗粒所带的电荷来测量颗粒速度，测量信号反应的是颗粒带电量，而与颗粒本身物理化学特性无直接关系，所以测量不受颗粒浓度的限制，测量范围广，可用于复杂的气固两相流动测量。

2)目前静电空间滤波法测量气固两相流速度主要采用单极片结构，极片充当一个空间滤波器，然后从时空分布的静电流噪声中提取特殊频率，但由于频带较宽，所确定的特殊频率准确性不高，本发明采用的静电感应电极阵列的频率特性主要由电极阵列的结构所决定，空间滤波选择性相比于单极片更高，频带更窄，速度信号中心频率测量的不确定性降低，从而有较高的颗粒速度测量准确性。

3)本发明利用粉体颗粒自然荷电特性，属于被动式测量方法，与现有循环流化床锅炉内颗粒速度测量方法相比具有明显的优势。光纤探头法用于较高颗粒浓度条件下颗粒速度测量，需要有外部光源激励，系统相对较为复杂，本发明与光纤探头法相比，无需外部光源激励，测量不受颗粒浓度的限制，系统结构简单。冲击力法测量元件对床内固体颗粒流动产生较大的干扰作用，本发明所用探头尺寸可设计较小，对流场的干扰也就更小。等速采样法只适用于高颗粒浓度条件下的颗粒速度测量，测量范围要比本发明采用方法小得多。多普勒颗粒速度测量是利用颗粒的移动导致散射光产生频移测量颗粒速度，具有简单、可靠等特点，在流体实验研究领域得到了广泛的应用，但是多普勒速度测量系统设备昂贵，且仅适用于稀相悬浮流动条件，本发明与多普勒法相比，无需外部激励源，测量探头结构更为简单，测量系统设备成本低，且测量范围不局限于稀相悬浮流动。PIV技术可实现完整的颗粒流动速度分布测量，但结果分析耗时，仅适用于实验室研究，高浓度时无法测量，不适合工业现场应用，本发明与PIV技术相比，可以实现颗粒流动速度分布测量，且信号处理方便快捷，测量不受颗粒浓度限制。

附图说明

图1是流化床内局部颗粒速度的静电感应测量装置示意图，其中，1-测量探针；2-前置电荷差分放大电路；3-数据采集卡；4-计算机。

图2是本发明静电感应电极阵列测量探针结构简图，(a)是横截面结构图，(b)是纵截面剖视图，其中，5-第一静电感应电极阵列；6-第二静电感应电极阵列；7-第一静电感应电极阵列导线；8-第二静电感应电极阵列导线；9-绝缘隔离块；10-金属屏蔽管。

图3是静电感应电极阵列前置电荷差分放大电路图，其中，11-第一输入端；12-第二输入端；13-信号输出端。

具体实施方式

实施例1

一种流化床内局部颗粒速度的静电感应测量方法，取两组结构和尺度相同的第一静电感应电极阵列5和第二静电感应电极阵列6及金属屏蔽管10，在金属屏蔽管10的一端填充绝缘隔离材料以形成绝缘隔离块9，并将所述第一静电感应电极阵列5和第二静电感应电极阵列6设置于绝缘隔离块9内，所述第一静电感应电极阵列5至少包括第11电极、第12电极、第13电极、第14电极、第15电极，所述第二静电感应电极阵列6至少包括第21电极、第22电极、第23电极、第24电极、第25电极，所述第一静电感应电极阵列5中的各个电极以及所述第二静电感应电极阵列6的各个电极位于同一平面内且相互平行，并且第一静电感应电极阵列5中相邻的电极之间的径向间距p相等，将第21电极设在第11电极与第12电极之间，所述第21电极至第11电极之间的径向距离等于第21电极至第12电极之间的径向距离；将第22电极设在第12电极与第13电极之间，所述第22电极至第12电极之间的径向距离等于第22电极至第13电极之间的径向距离；将第23电极设在第13电极与第14电极之间，所述第23电极至第13电极之间的径向距离等于第23电极至第14电极之间的径向距离；将第24电极设在第14电极与第15电极之间，所述第24电极至第14电极之间的径向距离等于第24电极至第15电极之间的径向距离；将第25电极置于绝缘隔离块9内且第25电极与第15电极之间的距离为第一静电感应电极阵列5中相邻的电极之间的径向间距p的二分之一，分别将第一静电感应电极阵列5和第二静电感应电极阵列6中的电极连接在一起，并由第一静电感应电极阵列5和第二静电感应电极阵列6分别产生两组反映气固两相流流动信息的静电感应信号，两组信号分别接入前置电荷差分放大电路2的两输入端进行差分放大后，由数据采集卡3送入计算机4，由计算机4对数据采集卡3的输出信号进行频谱分析并确定频谱上的峰值频率，进而计算获得气固两相流颗粒局部速度。

实施例2

一种用于实施流化床内局部颗粒速度的静电感应测量方法的装置，包括：测量探针1、前置电荷差分放大电路2、数据采集卡3及计算机4，测量探针1的两电极阵列导线分别与前置差分放大电路2的两输入端连接，前置电荷差分放大电路2的输出端与数据采集卡3输入端连接，数据采集卡3的输出端与计算机4的输入端连接并由计算机4对数据采集卡3的输出信号进行频谱分析并确定频谱上的峰值频率，进而计算获得气固两相流颗粒局部速度，所述测量探针1包括：金属屏蔽管10，在金属屏蔽管10的一端填充绝缘隔离材料以形成的绝缘隔离块9，在绝缘隔离块9内部设有的第一静电感应电极阵列5及第二静电感应电极阵列6，所述第一静电感应电极阵列5至少包括第11电极、第12电极、第13电极、第14电极、第15电极，并且第一静电感应电极阵列5中相邻的电极之间的径向间距p相等，第一静电感应电极阵列5中的各个电极由第一静电感应电极阵列导线7连接，所述第二静电感应电极阵列6至少包括第21电极、第22电极、第23电极、第24电极、第25电极，第二静电感应电极阵列6中的各个电极由第二静电感应电极阵列导线8连接，所述第一静电感应电极阵列5中的各个电极以及所述第二静电感应电极阵列6的各个电极位于同一平面内且相互平行，第21电极设在第11电极与第12电极之间且第21电极至第11电极之间的径向距离等于第21电极至第12电极之间的径向距离，第22电极设在第12电极与第13电极之间且第22电极至第12电极之间的径向距离等于第22电极至第13电极之间的径向距离，第23电极设在第13电极与第14电极之间且第23电极至第13电极之间的径向距离等于第23电极至第14电极之间的径向距离，第24电极设在第14电极与第15电极之间且第24电极至第14电极之间的径向距离等于第24电极至第15电极之间的径向距离，第25电极与第15电极之间的距离为第一静电感应电极阵列5中相邻的电极之间的径向间距p的二分之一。

下面参照附图，对本发明的具体实施方案做出更为详细的说明：

1)两组具有相同结构和尺度的静电感应电极阵列安装在金属屏蔽管10内部，产生两组反映气固两相流流动信息的静电感应信号，两组信号分别接入前置电荷差分放大电路2的两输入端进行差分放大后，由数据采集卡3送入计算机4。

2)对采集到的差分静电信号e(n)进行傅里叶变换处理得到E_N(k)，然后再取其幅值的平方，并除以静电信号离散数据点数长度N，作为序列e(n)的功率谱P(k)的估计，则：

$P\left(k\right)=\frac{1}{N}{\left|E_N\left(k\right)\right|}^2---\left(1\right)$

其中，n为时域差分静电信号离散点，k为频域离散点。

3)根据步骤2)得到的功率谱特性函数的峰值位置确定尖峰频率值f₀，公式如下：

f₀＝K·F       (2)

其中，K为功率谱函数峰值对应位置的离散点数；F为功率谱分析的频率分辨率。

4)根据功率谱尖峰频率值f₀和线性静电感应电极阵列电极间隔p，确定管道内气固两相流颗粒流动局部速度v_m，计算公式如下：

v_m＝k₀·p·f₀         (3)

k₀为速度无量纲校正系数，由实验标定确定。在实际粉体颗粒输送条件下，利用相位多普勒测速仪(PDA)对静电感应速度测量系统进行对比标定。具体的标定过程如下：相位多普勒测速仪与静电感应速度测量系统同步测量，速度测量系统记录测量数据并保存，取与PDA同时间、同区间测量值的平均值与PDA测量值组成一个数据对，每次标定至少要获得15对数据。以静电感应法速度测量系统测量的颗粒速度为横坐标(x)，PDA测得的颗粒速度为纵坐标(y)。将相关系数大于0.85的数据对定义为有效数据点，有效测点的数量m应在10个以上。运用一元线性回归，给出标定曲线，进而获得标定系数k₀

$k_0=\frac{m\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{x}_j{y}_j-\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{x}_j\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{y}_j}{m\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{x}_j^2-{\left(\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{x}_j\right)}^2}---\left(4\right)$

因此由式(3)可见：获得了差分静电信号功率谱特性的尖峰频率值f₀，即可计算出颗粒局部速度v_m。

参照图1、图2和图3所示，用于流化床内局部颗粒速度的静电感应测量装置主要包括测量探针1、前置电荷差分放大电路2、数据采集卡3和计算机4。探针内第一静电感应电极阵列5和第二静电感应电极阵列6的输出信号，通过导线分别与前置电荷差分放大电路2的两输入端相连，经差分放大后，通过数据采集卡3与计算机4相连接相连。在计算机4内由自行编制的数据采集与处理软件包，将差分静电信号进行预处理后，进行分析与处理，获得颗粒的流动局部速度的测量值。

测量装置中所用线性静电感应电极阵列测量探针1，在金属屏蔽管10的内部安装结构相同的第一静电感应电极阵列5和第二静电感应电极阵列6，并且两阵列的电极按间距为p/2的相对位置进行交叉布置，并且以上所述电极均处于同一平面内。由于两个线性静电感应电极阵列的相对位置为各自电极间距p的一半，带电颗粒经过两个线性静电感应电极阵列时，产生相位差为π的两个输出信号。第一静电感应电极阵列5和第二静电感应电极阵列6分别通过第一静电感应电极阵列导线7和第二静电感应电极阵列导线8与前置电荷差分放大电路2的第一输入端11和第二输入端12相连，经差分放大后，窄带周期性信号成分得以保留，而基频直流部分被剔除。线性静电感应电极阵列由q个结构和尺寸相同的金属电极构成，q个电极在颗粒流动方向上以相同电极间隔p沿金属屏蔽管径向均匀平行布置于绝缘隔离块9内部，并通过导线连为一体。电极的数目q一般取5-10个。电极的间隔p取决于所需获得管道内局部速度的区域的大小。

线性静电感应电极阵列前置电荷差分放大电路2的连接方式为第一电容C₁一端和第一电阻R₁一端与第一运算放大器A₁的反向输入端相连接，第一电容C₁另一端、第一电阻R₁另一端和第三电阻R₃一端与第一运算放大器A₁的输出端相连接，第二电容C₂一端和第二电阻R₂一端与第二运算放大器A₂的反向输入端相连接，第二电容C₂另一端、第二电阻R₂另一端和第四电阻R₄一端与第二运算放大器A₂的输出端相连接，第一运算放大器A₁的正向输入端和第二运算放大器A₂的正向输入端接地，第三电阻R₃另一端和第五电阻R₅一端与第三运算放大器A₃的反向输入端相连接，第五电阻R₅另一端与第三运算放大器A₃的输出端相连接，第四电阻R₄另一端和第六电阻R₆一端与第三运算放大器A₃的正向输入端相连接，第六电阻R₆另一端接地。前置电荷差分放大电路2的输出端通过数据采集卡PCI 9112(凌华科技生产)与计算机4相连接。该放大电路采用三个放大器组成差动放大电路，具有输入阻抗高、共模抑制比高、失调电压低、漂移小、放大倍数稳定和输出阻抗低等优点。静电感应电极阵列输出的感应电荷信号是一种低频的微弱信号，因此有必要采取抗干扰措施：1)元器件的选择微弱信号检测的首要问题就是尽量降低放大器本身的噪声。本电路中第一运算放大器和第二运算放大器采用的是高输入阻抗放大器OPA128，频率范围在10Hz-10KHz时，等效噪声的电压值为2.4μV；在0.1Hz-20KHz时，i_N＝0.12fA/(Hz)^1/2。第三运算放大器OP07是一种高精度的仪用放大器，e_N和i_N的值均较小。电路中电阻均采用低噪声的金属膜电阻，精度为1％，功率为1/2(W)。信号线上的电容均采用渡银云母电容，以降低电路中的噪声。2)金属屏蔽抗干扰采用接地金属屏蔽盒可以消除电磁干扰，防止电路元件受到湿度、光线的照射，造成电路元件的性能参数的变化。此外，必须避免振动造成元器件变形或电路连接线发生移动带来的影响。

本发明的原理如下：

仪器的工作过程是：首先针对实际应用流化床，在粉体颗粒流动条件下，利用相位多普勒测速仪(PDA)对静电感应速度测量系统进行对比标定，获得无量纲标定系数k₀；应用静电感应装置速度测量时，由静电感应电极阵列及计算机数据采集系统对气固两相流颗粒静电噪声进行数据采集，通过傅里叶变换计算差分静电信号的功率谱密度函数，之后即在功率谱特性曲线的趋势项上读出尖峰频率值f₀，进而根据v_m＝k₀·p·f₀，计算获得气固两相流局部颗粒的速度。