气固两相流流动参数的检测技术

气固两相流流动参数的检测技术付飞飞【摘要】对气固两相流流动参数检测技术的相关内容,包括基于静电传感器的检测技术、电容层析成像技术以及流型软测量技术中的信号分析方法进行了总结和评述,认为静电传感器在气固两相流颗粒速度、浓度以及流型等参数检测方面,技术相对成熟,但其灵敏度空间分布不均匀、颗粒浓度(分布)与静电量大小(分布)之间的对应关系不明确等问题严重影响其测量准确性,是目前研究的难点;电容层析成像技术可实现气固两相流流型的可视化监测,但其固有的软场特性影响了测量结果的准确性;目前基于信号分析方法的流型软测量技术避免了这一问题,多尺度信号分析方法将是提高其测量准确性的新方法.【期刊名称】《济南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(031)001【总页数】7页(P11-17)【关键词】气固两相流;流动参数检测;静电传感器;电容层析成像技术;信号分析方法【作者】付飞飞【作者单位】济南大学物理科学与技术学院,山东济南250022【正文语种】中文【中图分类】TM9多相流广泛存在于自然界和工业生产过程中，其流动参数的检测对于生产过程的优化及控制具有重要意义。

由于多相流动存在相间的界面效应和复杂多变的流型，因此，描述多相流的参数与描述单相流的参数相比，其检测难度要大得多。

另外，多相流流动机理的研究也依赖于相应的多相流检测手段，所以多相流参数检测技术在国内外都属于亟待发展的领域[1-4]。

气固两相流是多相流中最具代表性的流动形式之一，普遍存在于工业生产中使用的流化床以及气力输送管道中。

描述气固两相流流动的常用参数包括流型、颗粒速度、颗粒浓度、相分布及分相含率等，另外，气泡及颗粒的尺寸等也是描述气固两相流流动的一些参数。

目前所采用的气固两相流流动参数检测方法有多种，总体可以归结为3类，即电学法(静电法、电容法等)、光学法(空间滤波法、多普勒法、示踪法)及超声法。

随着科学技术的发展，许多新技术被应用到多相流参数检测这一领域，有力地推动了多相流参数检测技术的发展。

本文中将针对电学法气固两相流流动参数检测技术及相关的信号分析方法的研究状况进行总结和评述。

1.1 静电传感器的基本原理与种类固体颗粒在输送过程中，颗粒间静电化过程非常复杂，静电量大小、极性以及颗粒物性(尺寸、形状、介电常数、含水率等)还与颗粒在管道中的流动形态、管道材料和布置等有关。

颗粒上的静电量可以通过带屏蔽的绝缘电极配合调理电路进行测量。

按照静电传感器与管道内电荷作用原理，静电传感器可分为直接电荷传递式和感应式两种[5]。

直接电荷传递式是指利用带电颗粒在管道中移动时与静电传感器测量探头之间接触、分离，从而导致电荷传递，如图1所示。

感应式静电传感器的原理是带电颗粒不与极片直接接触，只是通过静电感应作用在极片的内外表面上产生等量异性电荷，当颗粒移动时，其在极片周围产生的准静电场在不断产生波动，致使极片上产生的感应电荷量也在不断变化，如图2所示。

到目前为止，人们已经开发出了多种基于气固两相流静电感应原理的管道内颗粒流动参数检测装置。

虽然传感器极片的结构有很大的不同，但从总体上可分为非接触式(主要为环状结构)和接触式(主要为棒状结构)两种。

图3、4分别给出了3种非接触式和接触式静电传感器的结构图。

1.2 基于静电传感器的气固两相流颗粒速度测量气固两相流颗粒速度测量是静电法最早的应用领域，主要方法有互相关法、空间滤波法及自适应滤波法，其中应用最广泛的是互相关法。

图5为静电相关测速的原理图。

Mathur等[6]最早利用静电传感器并采用信号相关方法实现管道中颗粒速度的测量。

随后，Xie等[7]利用1/4环状电极并采用互相关法实现了重力输送下固体颗粒速度的测量。

Ma等[8]对圆环状静电传感器的传感机理、空间灵敏度分布特性、动态响应特性、空间滤波特性以及影响速度测量结果的因素进行了系统的理论和实验分析，并且设计出不同极片结构的静电传感器应用于生物质颗粒、电厂的煤粉和烟道粉尘等的速度测量。

Qian等[9]利用4个圆环状极片阵列代替传统的双圆环极片形式的相关测速静电传感器，将4路静电信号两两相关得到6个速度结果，最后通过数据融合得到最终的相关测速结果，这种方法提高了颗粒平均速度的测量精度。

空间滤波法是20世纪60年代由Ator[10]提出的，起初是作为一种光学测速方法以实现颗粒和物体移动速度的测量。

该测量方法具有结构简单、光学及力学性能稳定、光源选择范围广等优点。

近年来，空间滤波法已经从光学范畴延伸到了其他传感器空间滤波效应上，实现了颗粒速度测量。

在利用静电传感器的空间滤波效应实现颗粒速度测量方面，Yan[11]概括性地指出在气力输送管道中使用静电传感器结合空间滤波法进行固体颗粒速度测量的可能性。

Xu等[12]在单环静电感应空间滤波法测量颗粒速度的基础上，设计了一种新型的线性静电传感器阵列空间滤波器，并从理论上推导了阵列空间滤波器输出信号的功率谱特性与颗粒速度之间的关系，进而提出一种气固两相流颗粒速度的线性静电传感器阵列空间滤波测量方法。

之后，在传送带试验装置和重力输送试验装置上对其性能进行了测试，结果表明，当颗粒体积分数在1.1%～16.3%以及颗粒速度在1.72～3.91 m/s之间时，系统重复性优于5.4%，从而证明了线性静电传感器阵列空间滤波速度测量方法的可行性。

空间滤波法的测量精度受颗粒尺寸、传感器极片尺度以及检测电路的影响，因此要用于实际的速度测量还需要进一步完善。

张岩等[13]将自适应滤波应用于气固两相流固体颗粒速度测量，该方法基于参数模型估计理论，即使在较强的干扰下也可获得较好的时延估计。

虽然静电传感器在气固两相流颗粒速度测量方面取得了较大进展，并且已有公司开发出采用互相关法的测量仪器，但传感器空间灵敏场的分布不均匀性，以及颗粒浓度(分布)与静电量大小(分布)之间的对应关系不明确等问题，限制了该技术的广泛推广；因此，深入研究颗粒带电机理并优化传感器设计，是发展该项技术的重要环节。

1.3 基于静电传感器的气固两相流颗粒质量流量的测量鉴于静电法在速度测量方面的优势，研究人员也对其在质量流量测量方面的应用进行了探索。

Matsusaka等[14]对固体接触带电机理和以此为理论基础的固相质量流量测量均开展了很多研究，通过测量由电荷移动产生的电流信号I来考察颗粒质量流量Wp和颗粒带电率qm0之间的关系，结果如公式(1)所示。

式中a和b与颗粒的物性、尺寸以及碰撞颗粒间的接触面积等有关。

蒋泰毅等[15]利用气固两相流中固相颗粒的荷电信号直接测量得到颗粒质量流量和速度，并通过试验确定了静电电压信号有效值与颗粒质量流量之间的关系。

金喜平等[16]对气力输送管道中的固体颗粒进行在线质量流量检测。

以上方法主要基于静电测量信号的统计值，从而估算颗粒质量流量或速度，但该参数易受颗粒物性、环境湿度及温度和输送管道材料等因素影响；因此，研究具有更强条件适应性的浓度测量方法，是该领域研究者共同的努力方向。

1.4 静电层析成像技术静电层析成像的原理是：当带有电荷的固体颗粒通过金属电极组成的传感器阵列时，传感器阵列的每个电极都会产生感应电荷和电势，该感应电荷和电势包含了管内气固两相流的部分流动参数信息，将其经过一定的电路转化和数据采集传输到成像单元，结合相应的图像重建算法就可以得到颗粒在管道截面的分布图像。

静电层析成像技术适用于测量粉体气力输送等带电场合，在获得管道截面上颗粒分布图像的同时，还可以测量颗粒浓度分布、速度分布和质量流量等参数。

20世纪90年代Green等[17]研制了用于监测重力输送的颗粒浓度的16电极静电层析成像试验装置。

在对静电传感器阵列的灵敏度分布图进行分析之后，利用滤波反投影法重建了颗粒浓度分布，结果表明，测试得到的浓度与标定浓度的标准偏差为20%。

近几年，Chen等[18-19]将静电层析成像技术应用到二维气固流化床内单个气泡上升过程中周围电荷分布的研究，并对不同电极数目时成像效果进行了对比分析，在成像算法上采用迭代线性反演算法，实现了流化床内气泡周围电荷分布的重建，并且取得较好的效果。

高鹤明[20]将8电极静电层析成像系统用于高压密相气力输送系统，考察了煤粉粒径和含水率以及不同输送载气等对水平输送管道截面上煤粉分布的影响。

静电层析成像技术在基于颗粒荷电特性检测颗粒流动参数方面有很好的应用前景，但随着研究的深入，还有很多问题需要解决，如获取信息量较少，调理电路的合理选择，灵敏度分布的“软场”效应以及颗粒分布与电荷分布的关系等。

电容层析成像(electrical capacitance tomography，ECT)技术是从20世纪80年代中期发展起来的。

它可提供被测多相流的二维或三维可视化信息，并利用现代信息处理技术，实现多相流相分布与相含率等流动参数的测量。

在国外，英国曼彻斯特大学理工学院Beck教授带领的课题组首先开始了基于电容传感机理的ECT研究[21]。

他们在1988年成功研制出8电极ECT系统[22]之后，又研制出12电极的ECT系统[23]，研究成果一直处于国际领先地位。

从20世纪90年代初开始，国内各高校如天津大学、浙江大学、清华大学和东南大学等也相继开展研究ECT 在两相流流动状态监测和参数检测等方面的应用，并取得了一些成绩。

相比于静电层析成像技术，ECT的研究更为广泛，也是最为成熟的一种过程层析成像技术，其特点是成本低廉、非侵入性、响应速度快、适用范围广，在气力输送的气固两相流以及流化床颗粒流动等工业过程的检测中具有非常广阔的应用前景[24]。

2.1 ECT的原理ECT的原理是：各相介质具有不同的介电常数，当相分布发生变化时，多相流混合体的等价介电常数就会随之发生变化，从而引起传感器调理电路测量电容值的变化。

通过传感器获得管道截面上各电极对电容，重建出截面介电常数分布，就可以获取介质分布图像。

ECT系统组成示意图如图6所示。

2.2 ECT技术在气固两相流流动参数检测中的应用在过去的20年内，国内外的很多学者将ECT用于气固两相流参数检测及流型识别中。

Xie等[25]首次研制出8电极ECT系统，并采用线性反投影算法重建两相流输送管道截面图像，且对环状流、层状流以及核心流等典型流型进行辨识。

Brodowicz等[26]通过分析8电极ECT图以区分气力输送中气固两相流的各种流型。

Ostrowski等[27]用ECT系统对密相气力输送过程进行实时监测，实现栓塞流中栓塞大小、形状和速度的可视化。

利用谱分析、互相关技术和混沌分析等与ECT相结合，获取固相浓度和颗粒速度数据。

丛星亮等[28]利用ECT技术识别了直径为50 mm的水平输送管道内几种典型的煤粉流动形态，如图7所示。

结果显示ECT具有较好的流型识别效果。