王 超，徐占艷，秦偉剛，康旭冰

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院天津市過程檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

0 引言

氣固兩相流廣泛地應(yīng)用于電力、化工、食品處理、鋼鐵、冶金、機(jī)械制造、醫(yī)藥、飼料等工業(yè)生產(chǎn)過程中，因此，氣固兩相流流動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于提高生產(chǎn)率，生產(chǎn)部門的節(jié)能減排具有積極的意義。

利用固體顆粒碰撞的聲信號(hào)檢測(cè)氣固兩相流參數(shù)的方法具有檢測(cè)靈敏、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低的特點(diǎn)。很多研究者針對(duì)不同條件下獲取的聲信號(hào)，對(duì)其與兩相流流動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系開展了研究。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于流化床，安裝于分布板上方的外側(cè)聲檢測(cè)傳感器獲得的顆粒撞擊壁面的聲波信號(hào)的主頻位置變化可以進(jìn)行顆粒平均粒徑的測(cè)定［1，2］。對(duì)于粉料的管道氣力輸送，浙江大學(xué)石喜光通過在管道彎曲處外側(cè)的聲傳感器檢測(cè)固體顆粒撞擊管道產(chǎn)生的聲信號(hào)獲得氣固兩相流的質(zhì)量分?jǐn)?shù)［3］。為了使信號(hào)特征更加明顯，減少外界干擾的影響，在管道中插入探針，通過檢測(cè)固相顆粒撞擊探針產(chǎn)生的聲信號(hào)來分析氣固兩相流的參數(shù)的方法受到了很多研究者的關(guān)注。Meunier B M將探針的一端與加速度傳感器相連接測(cè)量探針的振動(dòng)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了振動(dòng)信號(hào)與兩相流參數(shù)的關(guān)系［4］。Hancke G P通過具有一組不同尺寸結(jié)構(gòu)的探針測(cè)量聲波信號(hào)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定粒徑的分布［5］。目前，基于聲檢測(cè)的氣固兩相流測(cè)量仍沒有確定的模型，主要是根據(jù)數(shù)據(jù)分析方法得到兩相流參數(shù)與聲波信號(hào)之間的關(guān)系，所以，設(shè)計(jì)合理的傳感器結(jié)構(gòu)，并確定聲信號(hào)的特征顯得尤為重要。

1 聲檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種新的傳感器，探針截面為正方形，采用圖1所示方式插入管道，該結(jié)構(gòu)可減少固相顆粒撞擊反彈后的再次撞擊對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

圖1 探針截面示意圖Fig 1 Cross section diagram of probe

為了防止聲檢測(cè)傳感器被磨損，將其置于管壁外，傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示，實(shí)物圖如圖2(b)所示。該傳感器由探針、壓電式聲傳感器及其信號(hào)處理模塊組成，當(dāng)具有一定速度的固相顆粒撞擊探針時(shí)，探針產(chǎn)生振動(dòng)，由置于探針平臺(tái)的壓電式聲傳感器檢測(cè)振動(dòng)產(chǎn)生的聲波信號(hào)。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖Fig 2 Structure and physical picture of sensor

2 信號(hào)特征規(guī)律的實(shí)驗(yàn)分析

為了研究該傳感器的測(cè)量規(guī)律，搭建了如圖3所示的測(cè)量平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)分別選取了小米顆粒與石英砂作為實(shí)驗(yàn)顆粒，顆粒速度的改變是通過改變漏斗與傳感器探針的相對(duì)位置實(shí)現(xiàn)的。聲波信號(hào)的采樣頻率為1 MHz。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig 3 Diagram of experimental platform

2.1 單顆粒下落碰撞實(shí)驗(yàn)

粒徑為0.5mm的單個(gè)小米，分別由10，20cm高度下落撞擊探針產(chǎn)生聲信號(hào)及其頻譜如圖4和圖5所示。由圖可知，撞擊過程很短，撞擊產(chǎn)生的聲波信號(hào)呈現(xiàn)出振蕩衰減形態(tài)，且高度越大，聲信號(hào)主頻的幅值越大，但是主頻位置不隨著速度的改變而改變。

圖5 下落高度20 cm的聲波信號(hào)及其頻譜Fig 5 Acoustic wave signal and spectrogram while dropping from 20 cm height

2.2 多顆粒下落碰撞實(shí)驗(yàn)

下落高度為10 cm，多個(gè)小米顆粒下落碰撞探針，聲信號(hào)及其頻譜如圖6所示。從圖6可以得出:多個(gè)顆粒連續(xù)下落時(shí)，聲波信號(hào)的主頻位置并未改變。

2.3 聲波信號(hào)主頻分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可以看出:聲信號(hào)的主頻的位置不隨著固體顆粒撞擊的速度和固體顆粒個(gè)數(shù)多少的改變而改變，該主頻位置應(yīng)是由固相顆粒撞擊探針，而激發(fā)的探針以其固有頻率為主的振動(dòng)而決定的。為了進(jìn)一步分析，將該傳

圖6 下落高度10 cm的聲波信號(hào)及其頻譜Fig 6 Acoustic wave signal and spectrogram while dropping from 10 cm height

其中，I為探針截面積的慣性矩;L為探針的長(zhǎng)度;S為探針的橫截面積;ρ0為探針的密度;A為共振模態(tài)系數(shù)，前三階的自振頻率的系數(shù)分別為:1.8752，4.6942和7.8552。

考慮到實(shí)際的系統(tǒng)是帶有阻尼的，那么主頻是探針固有頻率附近的頻率，且隨著阻尼的增大而減小。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)中所用探針固有頻率的計(jì)算可以得出，聲信號(hào)的主頻主要集中在一階自振頻率的附近，之后提到的主頻指的也是一階自振頻率。以此估計(jì)撞擊產(chǎn)生的聲信號(hào)的主頻的位置，并進(jìn)一步確定氣固兩相流的固相顆粒速度與質(zhì)量分?jǐn)?shù)和主頻幅值的關(guān)系。

3 管道實(shí)驗(yàn)信號(hào)分析

在天津大學(xué)多相流實(shí)驗(yàn)室氣固兩相流實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。實(shí)驗(yàn)管道直徑為50 mm，實(shí)驗(yàn)用固料為石英粉末，平均粒徑為100μm。通過調(diào)節(jié)螺旋給料機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)不同的固氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比。實(shí)驗(yàn)所用的氣流量調(diào)節(jié)范圍為160～240 m3/h。

圖7 氣固兩相流實(shí)驗(yàn)裝置Fig 7 Experimental device of gas-solid two-phase flow

3.1 探針尺寸選擇

實(shí)驗(yàn)采用3種尺寸的探針進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為探針1:長(zhǎng)度為35 mm，邊長(zhǎng)為5 mm;探針2:長(zhǎng)度為45 mm，邊長(zhǎng)為5 mm;探針3:長(zhǎng)度為15mm，邊長(zhǎng)為5mm。實(shí)驗(yàn)的固氣質(zhì)量比為0.6，氣流量為200 m3/h，采集時(shí)間為10 s。圖8(a)，(b)，(c)分別為3種探針的頻譜圖。

圖8 不同探針的頻譜Fig 8 Spectrogram of different probes

從圖8(a)，(b)可以看出:不同結(jié)構(gòu)的探針在同一速度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的主頻是不一樣的。探針1的主頻為16.38 kHz，探針2的主頻為11.52 kHz?？紤]到探針的安裝方式會(huì)影響其實(shí)際的自振頻率，所以，可以通過對(duì)比不同探針采集的聲信號(hào)主頻之間的關(guān)系來驗(yàn)證主頻是否滿足式(1)。理論上，探針的自振頻率與長(zhǎng)度的平方呈反比，與探針的直徑呈正比，那么，探針1與探針2的主頻的比值為1.65，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的聲信號(hào)主頻比值為1.42?？紤]到探針制造時(shí)存在的尺寸誤差和安裝造成的不同，可以通過式(1)來確定聲信號(hào)主頻的位置。從圖8(c)可以看出:主頻主要集中在高頻92 kHz附近，同時(shí)由探針1和探針2的頻譜也可以看出含有此部分的頻率成分，結(jié)合探針3的時(shí)域信號(hào)圖可以看出:探針3聲信號(hào)的時(shí)域信號(hào)不具有聲信號(hào)的衰減特征，說明探針3采集到的信號(hào)很大部分不是撞擊產(chǎn)生的聲信號(hào)，而是外界的干擾信號(hào)。結(jié)合管道固體顆粒速度的分布特點(diǎn)，可以得到靠近管道的位置固體顆粒的速度較小，探針3插入深度較小，被固體顆粒撞擊到的概率相應(yīng)很小。由此也可以確定出外界干擾信號(hào)的頻段，進(jìn)而在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)分析中采用濾波提取出聲信號(hào)。

通過3種尺寸探針的頻譜圖還可以看出:探針1在高頻干擾90～100 kHz頻段的幅值較小，主頻的成分占有的比重更大。所以，認(rèn)為探針1的長(zhǎng)度更適合管道實(shí)驗(yàn)的分析。

3.2 主頻與質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速度的關(guān)系

僅安裝探針1進(jìn)行不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和速度的實(shí)驗(yàn)，觀察不同質(zhì)量分靈敏與速度、主頻的影響。圖9為氣流量分別為160，200 m3/h的聲波信號(hào)的頻譜，可以看出聲波信號(hào)的頻譜分布是相似的，主頻的位置接近，氣流量越大，主頻的幅值越大。圖10為固氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40%與100%聲波信號(hào)的頻譜，從圖中也可以得到與圖9一致的結(jié)論。所以，可以通過分析主頻幅值與速度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系獲得兩相流的信息。

圖9 氣流量為160 m3/h與200 m3/h的頻譜圖Fig 9 Spectrogram of gas flows are 160 m3/h and 200 m3/h

圖10 固氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%和100%的頻譜圖Fig 10 Spectrogram of solid-gas mass fraction are 40%and 100%

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于插入式探針聲檢測(cè)原理的氣固兩相流參數(shù)檢測(cè)的傳感器，并對(duì)其檢測(cè)到的聲信號(hào)特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)單顆粒固體與多顆粒撞擊產(chǎn)生聲信號(hào)的分析，得到聲信號(hào)的主頻位置決定于探針的結(jié)構(gòu)，與固相顆粒的速度和個(gè)數(shù)的多少無關(guān)。通過管道實(shí)驗(yàn)聲信號(hào)分析，確定了適合管道實(shí)驗(yàn)的探針尺寸。通過進(jìn)一步改變兩相流速度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以得出，隨著固相顆粒的速度變大，主頻的幅值變大;反之，變小。隨著兩相流質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變大，主頻的幅值變大。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn):主頻幅值與固相顆粒的速度和兩相流的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系可望應(yīng)用于氣固兩相流的參數(shù)檢測(cè)方面。

［1］侯琳熙，王靖岱，陽(yáng)永榮，等.氣固流化床中聲發(fā)生機(jī)理及在工業(yè)裝置中的應(yīng)用［J］.化工學(xué)報(bào)，2005，56(8):1474-1478.

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