氣固兩相流靜電測速技術與系統(tǒng)

吳 曄 崔依冬 王啟昌 沈德魁

（1、江蘇省南京市大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司特許經(jīng)營分公司，江蘇 南京211100 2、東南大學，江蘇 南京210018）

1 概述

在眾多工業(yè)生成過程中，廣泛存在氣固兩相流這一特殊的流動狀態(tài)，而對其參數(shù)的測量存在著眾多難點，氣固兩相流靜電測速技術是近年來廣受關注和發(fā)展迅速的一種氣固兩相流速度的測量方法。

2 氣固兩相流顆粒荷電機理

固體接觸起電發(fā)現(xiàn)的時間很早，但是，對固體接觸起電的機理認知卻是一個漫長的過程。不同物體的功函數(shù)往往不同，這就導致兩個物體在接觸距離達到原子級別時（25 埃），接觸的兩個表面之間存著這接觸電位差，這就給電荷轉(zhuǎn)移提供的原始動力，在接觸電位差的驅(qū)動下，電荷開始移動，負電荷向功函數(shù)大的物體表面移動，正電荷向功函數(shù)小的物體表明移動，直至電荷轉(zhuǎn)移形成的反響電位差與接觸電位差等值反向，從而達到一種平衡狀態(tài)，此過程十分所需時間極短，在接觸的瞬間基本完成，此時接觸表面稱為電偶層，而電偶層的正負電荷數(shù)量相當，整體對外表現(xiàn)為不帶電。而在分離之后，功函數(shù)大的物體攜帶一部分負電荷，功函數(shù)小的物體則攜帶一部分的正電荷，兩者對外表現(xiàn)帶電，此過程如圖所示。

物體A 和物體B 接觸起電過程

若將接觸時物體B 所攜帶的電荷量定義為Q0，遠離后物體B 所攜帶的電荷量定義Q，則兩者之間如公式（1）所示：

式（1）中，f 成為逸散系數(shù)，其取值范圍為0＜f＜1。若兩者分離速度足夠快，則f 越接近于1，也就是說分離后的所攜帶的電荷量則越接近于分離前電偶層上所攜帶的電荷量；反之，分離速度很慢，兩者分離后所攜帶的電荷量也越小。

3 靜電傳感器測量原理

3.1 靜電感應效應

氣固兩相流中固體顆粒所攜帶的電荷將會產(chǎn)生靜電場，那當帶電體靠近不帶電的導體時，導體內(nèi)部電荷將在外電場的作用下重新分布，異種電荷分布在靠近帶電體的導體表面，同種電荷分布在遠離帶電體的導體表面，從而產(chǎn)生靜電感應效應。

3.2 靜電傳感器的種類

基于靜電感應現(xiàn)象，相關科研人員已經(jīng)開發(fā)了多種不同結(jié)構的靜電傳感器用于監(jiān)測氣固兩相流中的流動參數(shù)，整體上可分為接觸式靜電傳感器和非接觸式靜電傳感器[3]。

無論是哪種結(jié)構的靜電傳感器，都要求靜電傳感器內(nèi)部的感應電極具有良好的導電性。

4 靜電測速的基本原理與系統(tǒng)構成

4.1 互相關測速原理

在同一管道上相距為L 兩個截面處分別安裝結(jié)構完全相同的感應電極，當L 較小時，可認為被測流體在上下游感應電極之間沒有發(fā)生變化，即上下游感應電極所捕獲的隨機流動噪聲信號也是相同的，只是兩路信號存在一定的時間差τ[4]，即

式中τ 就是流體從上游感應電極流到下游感應電極的時間，稱為渡越時間。

而流動信號x（t）和y（t）的互相關函數(shù)Rxy（τ）：

則Rxy（τ）函數(shù)的峰值對應的時間τ0就是兩路流動噪聲信號之間的渡越時間，由此即可算出相關速度VC：

通過對相關速度VC的校正即可獲得流動速度V：

4.2 靜電測速的系統(tǒng)構成

氣固兩相流靜電測速系統(tǒng)由雙（多）感應電極構成的靜電傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集、相關分析的軟件組成。

4.2.1 靜電傳感器

氣固兩相流中固體顆粒在管道內(nèi)流動時，顆粒與顆粒或壁面之間將發(fā)生碰撞,導致顆粒表面將攜帶一定電荷量，形成帶電顆粒,在管道壁面處安裝感應電極對流動噪聲信號進行捕捉。各個帶電顆粒在感應電極上引起的靜電感應現(xiàn)象相互疊加共同構成了感應電極的輸出信號。而不同結(jié)構的傳感器所捕獲的流動噪聲信號也不經(jīng)相同，具體體現(xiàn)在輸出信號幅值不同，信號帶寬不同，這就要求如何優(yōu)化靜電傳感器的設計以滿足信號拾取精度高，動態(tài)響應快，空間靈敏度特性好的靜電傳感器性能需求。

同時，因采取互相關原理用于計算顆粒的速度值,所選擇使用靜電傳感器為雙（多）感應電極構成的靜電傳感器，而感應電極間距也因通過實驗不斷調(diào)整，以保證可獲得較為準確的流速值。

4.2.2 信號調(diào)理電路

雙感應電極的靜電傳感器輸出的兩路信號具有低功率和高阻抗的特點，一般采集設備難以采集，需經(jīng)過阻抗匹配和信號放大等調(diào)節(jié)電路處理，將其轉(zhuǎn)換為較高功率和低阻抗的信號。信號調(diào)理電路主要包括信號緩沖級和放大級，同時信號調(diào)理電荷還應具備低噪聲，低漂移、抗干擾能力強等設計要求。因此需要通過不斷的分析與驗證, 找到合適的調(diào)理電路各參數(shù)指標。

4.2.3 數(shù)據(jù)采集

調(diào)理電路輸出的電壓信號仍為連續(xù)變換的模擬信號, 并不能直接用于后續(xù)信號處理，需要通過數(shù)據(jù)采集卡,完成模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。而數(shù)據(jù)采集的采樣頻率一方面應滿足采樣定律，保證采集過后的信號不失真，另一方面采樣過后渡越時間將轉(zhuǎn)換為離散時間點對應的值。綜上所說，應充分考慮各影響因素,合理選擇數(shù)據(jù)采集的采樣頻率。

4.2.4 互相關運算

數(shù)據(jù)采集卡輸出的數(shù)字信號進行數(shù)字濾波，截取適當頻率范圍用于進行互相關運算，通過才采樣率和互相關函數(shù)峰值對應索引，即可得到兩路流動噪音信號的渡越時間，結(jié)合靜電傳感器上下游感應電極的間距，并加以修正，即可得到氣固兩相流中固體顆粒的速度。而目前主要互相關算法可以分為基于時域的互相關、基于頻域的互相關、歸一化互相關、差動自相關、極性互相關、梯度互相關、廣義互相關等。具體實現(xiàn)需編寫特定程序，用以分析幾種離散信號互相關的算法的優(yōu)劣，目的在于選擇合適的算法實現(xiàn)信號的互相關運算, 得到穩(wěn)定而準確的氣固兩相流固相顆粒的速度信息。

5 結(jié)論

氣固兩相流靜電測速系統(tǒng)有結(jié)構簡單、成本低廉、計算結(jié)果不受流質(zhì)干擾和可應用于惡劣工業(yè)環(huán)境等特點，應用前景較為廣泛。但由于氣固兩相流的流動特性十分復雜，應用環(huán)境多變，這就給整套系統(tǒng)的設計提出來眾多要求，尤其是靜電傳感器的設計及優(yōu)化，仍需進行大量的研究和實驗驗證，以滿足實際工業(yè)生產(chǎn)過程對氣固兩相流流動噪聲信號的精準感知。