气固两相流速度及质量流量的静电测量法研究

　　对传输管道中气固两相流的测量及监控直接关系到产品的质量、工业过程的稳定、能量供给的平衡.由于传输过程中气固两相流的变化复杂,使得两相流 测量成为一项技术难题,可供实际使用的商业化设备及成熟产品也极其稀少.近年来一些新的研究手段和方法开始应用到此领域中来,比较典型的方法有:电容法、 压降法超声波法、光学法、声发射法、射线法、微波法、静电法等[1~3].与其他方法相比,静电法可实现对两相流的无源、无干扰测量,且成本低廉,是近年 来两相流测量研究的热点之一.

　　1　测量原理

　　两相流中固体微粒由于相互碰撞以及与传管道的摩擦而荷电,可将荷电的固体微粒看作移动的信源,利用该信源通过两个不同测量点时的信号X(t)和 Y(t)计算其相关函数,得到相移时间t,计算得出固相速度;根据静电感应的原理,可确定静电传感器上电压有效值U的大小与已知固体微粒质量流量的关系, 建立系统电压-质量量曲线,实现对两相流质量流量的测量[4].将两个固定的传感器探头安置在已知距离为L的两个位置上(如图1),该系统的基本模型可表 示为

　　式中:X(t)和Y(t)表示传感器探头1和2所接收的信号;S(t)是信源信号,即固体颗粒的静电荷产生的信号;D是两个接收传感器所接收到 的信号的时间差,即时延;k1(t)和k2(t)是两探头处的噪声.根据噪声源的物理特性,可假设k1(t),k2(t)是零均值、广义平稳的高斯白噪 声,彼此统计独立,且与信源信号S(t)统计独立.

　　实际测量中两探头处的信号波形相似,且探头2处的信号与探头1处信号相差时间τ.由于信源信号是未知的,因而不能用与确知信号相匹配的滤波器或相关器来实现信号最佳的接收.然而,根据所接收信号的统计特性,有表 明两接收信号X(t)和Y(t)的互相关函数RXY(τ)等于信源信号S(t)自相关函数RS(τ-D).当τ=D时,互相关函数RXY(τ)的值达到最 大值.为此,将探头接收信号X(t)和Y(t)进行互相关处理,求出其最大值所对应的τ值,即为所要测量和估计的时延值D.已知探头间的固定间距L,可计 算出固相传输速度V=L/D.

　　实际的测量中由于两相流在传输过程中速度变化复杂,在互相关分析中相关系数会产生一些虚假的峰值,造成时间延迟τ的计算误差,这种系统误差是不可避免的,但是可通过优化传感器和相关算法来尽量减小此类误差的影响.

　　2　传感器设计及实验方法

　　2.1　静电传感器设计

　　静电测量法的关键在于静电传感器的设计,图2所示为静电传感器的典型结构.

　　图2中传感器的测量段为固定长度的绝缘管,可避免因荷电对金属管壁的放电而影响静电信号的测量,保证了探头的实际测量效果;绝缘管的内径与两相 流的传输管道的内径相同,以避免两相流在通过传感器时因管道尺寸变化而引起的相变;同时绝缘管还起到支撑和固定探头的作用.屏蔽管的外法兰可与传输管道方 便地连接;屏蔽管使用金属壳体,可屏蔽外界噪声信号对静电探头的干扰.因为固体微粒的荷电信号较弱,导致静电探头上的感应信号以及前置放大的输入信号较 小,所以屏蔽管必须有效和可靠地接地,以保证屏蔽效果.