氣固兩相流動靜電-ECT測量方法的研究.pdf

1、氣固兩相流流動參數(shù)檢測對于兩相流體的理論研究以及工業(yè)生產(chǎn)過程的安全、經(jīng)濟、高效運行均具有重要意義,但氣同兩相流動過程的復(fù)雜性和隨機性致使其流動參數(shù)的檢測難度很大。早在20世紀60、70年代,國外就有將粉體顆粒靜電現(xiàn)象應(yīng)用于顆粒流動參數(shù)測量的研究,但靜電傳感技術(shù)在理論利應(yīng)用中都還存在不少問題需要進一步深入研究。電容層析成像技術(shù)(Electrical capacitance tomography簡稱ECT)是本世紀80年代后期出現(xiàn)并得到迅速

2、發(fā)展的,以兩相流為主要對象的過程參數(shù)檢測新技術(shù)。其利用圍繞被測對象安裝的傳感器陣列來獲取被測物場在不同觀測角度下的電容投影數(shù)據(jù),由計算機利用某種圖像重建算法給出被測對象的斷層圖。但其靈敏場為“軟場”,即靈敏場受介質(zhì)分布的影響。研發(fā)出能夠克服“軟場”問題的算法具有重要的意義。本文分別對靜電傳感器和電容層析成像、電荷層析成像,以及兩者相結(jié)合組成的多傳感器融合技術(shù)進行一些較為深入的研究。 首先,分析和探討了國際上幾種圓環(huán)狀靜電傳感器測

3、量模型的優(yōu)缺點。介紹了靜電傳感器接口電路的基本要求,并系統(tǒng)地分析了靜電傳感器敏感元件的等效電路和不同條件下電路參數(shù)對輸出信號的影響。 研究了基于靜電傳感器的空間濾波效應(yīng)以獲取同體顆粒平均速度的方法。在合理的假設(shè)條件下,對靜電傳感器的空間濾波特性進行分析,得出描述靜電傳感器空間濾波特性和固體速度的表達式。分別討論了傳感器的幾何參數(shù),顆粒沿管道截面的速度,濃度分布,顆粒材料的種類以及頻率分辨率對速度測量值的準(zhǔn)確性的影響。通過重力輸送

4、顆粒流動實驗測試了速度測量系統(tǒng)的性能。 在對內(nèi)嵌式圓環(huán)靜電傳感器的靈敏場進行三維有限元分析的基礎(chǔ)上,提出了基于靜電流測量值的動態(tài)靈敏度的概念,描述了傳感器上檢測信號與運動荷電粉體之間的關(guān)系。理論分析表明,傳感器的動態(tài)靈敏度主要取決于傳感機理,荷電粉體的空間位置及其速度(包括軸向和徑向分量)。傳送帶實驗結(jié)果驗證了理論分析的合理性。 針對電容層析成像的靈敏場為“軟場”的特點,開發(fā)了可利用電容或電勢測量值的隨機反演算法(GA-

5、ECT),其在圖象重建過程中無需建立靈敏場,避免了“軟場”問題。 研究了電容層析成像中的電勢測量方法。理論分析和三維有限元仿真都表明電勢測量值包含電容比值信息,與電極軸向長度無關(guān)。利用非線性圖像重建算法GA-ECT得到了較為滿意的圖像反演結(jié)果。表明電勢測量方法也可應(yīng)用于ECT系統(tǒng)。此外,還對使用電勢測量方法的條件進行了討論。 開發(fā)了ECT中的迭代靈敏場算法,迭代后的靈敏場更加接近真實流型下的靈敏場。研究了多傳感器融合技術(shù)

6、。建議聯(lián)合使用電容層析成像和靜電層析成像這兩種技術(shù)以同時獲取介質(zhì)分布和電荷分布。使用ECT中提供的介質(zhì)分布的先驗知識來改進電荷圖象重建結(jié)果。仿真實驗表明在濃相條件下,介質(zhì)分布先驗信息確實提高了電荷反演的準(zhǔn)確性。此方法有助于對濃相條件下顆粒的荷電機理的研究。 研究設(shè)計了微小電容檢測電路,在高壓濃相煤粉氣力輸送中實驗臺上進行了流型的在線測量。 最后,在Teesside University氣力輸送實驗裝置上對ABB粉體流量計