电容式气固两相流浓度测量系统

　　1　引　　言

　　中国是世界上少数几个能源消费以煤为主的国家。对电站锅炉燃烧器中煤粉和空气量的合理配比的测量与控制可以实现炉内煤粉均匀燃烧,提高热效率,减少大气污染,减少炉渣量,提高过程控制的综合自动化水平。在线实时准确的检测和控制锅炉输粉管道内的煤粉浓度,对于节能降耗、减少污染排放具有重大意义[1]。

　　燃煤锅炉输粉系统中的煤粉浓度测量是极稀相的气固两相流测量(固相体积浓度为0. 05%左右),是一个跨学科的极富挑战性的工作。国内外许多科学家和工程师在各自领域里经过了长期大量的尝试,到目前为止还没有找到一个通用的有效可靠的测量方法[2-3]。电容法测量气固两相流固相浓度的原理是基于流体通过电容极板形成的敏感电场时,气固流体混合物浓度(即等效介电常数)的变化将引起电极电容值相应的变化,这样使测量固相浓度问题转化为检测电容值的问题。电容法因其非侵入式结构,探头不磨损老化,不干扰流场,无辐射,适于粉尘、高温、污染环境工作而被公认为是气固两相流浓度测量最有前景的方法,许多科学家在不同的领域对此进行了大量研究工作[4-12]。但是燃煤锅炉输粉系统中被测电容(fF级)信号十分微弱,比杂散电容及连接传感器和测量电路的引线电容(10 pF级)小4个数量级以上,而且工业现场又存在着严重的电磁干扰、信号泄漏,再加上小信号放大电路的基线漂移,用现有的电容计(电容测量电路)及测量方法是无法测到有效信号的。

　　因此,研究高分辨率、高稳定性的电容传感器测量电路及先进的测量技术,探索基于电容传感器的锅炉煤粉浓度在线测量系统具有重大理论价值和现实的经济意义。本文从测量电极和测量电路等方面介绍一种电容式气固两相流浓度测量系统,搭建了气力输粉实验台,以面粉为媒质、在水平管道上对稀相气固两相流浓度进行了在线测量。

　　2　电容式气固两相流固相浓度测量系统

　　电容式气固两相流固相浓度测量系统如图1所示,由电容测量电极(电容传器)、电容测量电路(电容传感器接口电路)和数据处理3部分构成。

　　2.1　测量电极

　　为了使固相浓度测量少受流型的影响,本文采用螺旋式电极[9]。该电极由4块极板构成:源极板s,检测极板d,对称两边保护极板g,它们同时沿管道方向扭转180°,具有相对均匀的灵敏度分布,如图2所示。本文选用内径为Φ40 mm、壁厚为2 mm、长度为1 000 mm的水平放置的石英玻璃管作为试验段;电容传感器电极贴于玻璃管中间的外壁上,电极外缠绕1.5mm厚的云母纸作为绝缘层,紧贴绝缘层的是内屏蔽层,内屏蔽层外由绝缘子连接的是外屏蔽层;内外屏蔽层之间用跟随器相连,使内外屏蔽层等电位,防止信号泄漏。电极参数选择:张角θ= 155°,θg=20°,L=92 mm。