氣固兩相流動(dòng)靜電-ECT測(cè)量方法的研究.pdf

1、氣固兩相流流動(dòng)參數(shù)檢測(cè)對(duì)于兩相流體的理論研究以及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行均具有重要意義,但氣同兩相流動(dòng)過(guò)程的復(fù)雜性和隨機(jī)性致使其流動(dòng)參數(shù)的檢測(cè)難度很大。早在20世紀(jì)60、70年代,國(guó)外就有將粉體顆粒靜電現(xiàn)象應(yīng)用于顆粒流動(dòng)參數(shù)測(cè)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(wèn)題需要進(jìn)一步深入研究。電容層析成像技術(shù)(Electrical capacitance tomography簡(jiǎn)稱ECT)是本世紀(jì)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(duì)象的過(guò)程參數(shù)檢測(cè)新技術(shù)。其利用圍繞被測(cè)對(duì)象安裝的傳感器陣列來(lái)獲取被測(cè)物場(chǎng)在不同觀測(cè)角度下的電容投影數(shù)據(jù),由計(jì)算機(jī)利用某種圖像重建算法給出被測(cè)對(duì)象的斷層圖。但其靈敏場(chǎng)為“軟場(chǎng)”,即靈敏場(chǎng)受介質(zhì)分布的影響。研發(fā)出能夠克服“軟場(chǎng)”問(wèn)題的算法具有重要的意義。本文分別對(duì)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(jìn)行一些較為深入的研究。 首先,分析和探討了國(guó)際上幾種圓環(huán)狀靜電傳感器測(cè)

3、量模型的優(yōu)缺點(diǎn)。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(duì)輸出信號(hào)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(duì)靜電傳感器的空間濾波特性進(jìn)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(dá)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(duì)速度測(cè)量值的準(zhǔn)確性的影響。通過(guò)重力輸送

4、顆粒流動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了速度測(cè)量系統(tǒng)的性能。 在對(duì)內(nèi)嵌式圓環(huán)靜電傳感器的靈敏場(chǎng)進(jìn)行三維有限元分析的基礎(chǔ)上,提出了基于靜電流測(cè)量值的動(dòng)態(tài)靈敏度的概念,描述了傳感器上檢測(cè)信號(hào)與運(yùn)動(dòng)荷電粉體之間的關(guān)系。理論分析表明,傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度主要取決于傳感機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的合理性。 針對(duì)電容層析成像的靈敏場(chǎng)為“軟場(chǎng)”的特點(diǎn),開發(fā)了可利用電容或電勢(shì)測(cè)量值的隨機(jī)反演算法(GA-

5、ECT),其在圖象重建過(guò)程中無(wú)需建立靈敏場(chǎng),避免了“軟場(chǎng)”問(wèn)題。 研究了電容層析成像中的電勢(shì)測(cè)量方法。理論分析和三維有限元仿真都表明電勢(shì)測(cè)量值包含電容比值信息,與電極軸向長(zhǎng)度無(wú)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(shì)測(cè)量方法也可應(yīng)用于ECT系統(tǒng)。此外,還對(duì)使用電勢(shì)測(cè)量方法的條件進(jìn)行了討論。 開發(fā)了ECT中的迭代靈敏場(chǎng)算法,迭代后的靈敏場(chǎng)更加接近真實(shí)流型下的靈敏場(chǎng)。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(shí)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(yàn)知識(shí)來(lái)改進(jìn)電荷圖象重建結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)表明在濃相條件下,介質(zhì)分布先驗(yàn)信息確實(shí)提高了電荷反演的準(zhǔn)確性。此方法有助于對(duì)濃相條件下顆粒的荷電機(jī)理的研究。 研究設(shè)計(jì)了微小電容檢測(cè)電路,在高壓濃相煤粉氣力輸送中實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了流型的在線測(cè)量。 最后,在Teesside University氣力輸送實(shí)驗(yàn)裝置上對(duì)ABB粉體流量計(jì)