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(tuán)股份有限公司特許經(jīng)營(yíng)分公司，江蘇 南京211100 2、東南大學(xué)，江蘇 南京210018）

1 概述

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

2 氣固兩相流顆粒荷電機(jī)理

固體接觸起電發(fā)現(xiàn)的時(shí)間很早，但是，對(duì)固體接觸起電的機(jī)理認(rèn)知卻是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。不同物體的功函數(shù)往往不同，這就導(dǎo)致兩個(gè)物體在接觸距離達(dá)到原子級(jí)別時(shí)（25 埃），接觸的兩個(gè)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(dòng)力，在接觸電位差的驅(qū)動(dòng)下，電荷開始移動(dòng)，負(fù)電荷向功函數(shù)大的物體表面移動(dòng)，正電荷向功函數(shù)小的物體表明移動(dòng)，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(dá)到一種平衡狀態(tài)，此過(guò)程十分所需時(shí)間極短，在接觸的瞬間基本完成，此時(shí)接觸表面稱為電偶層，而電偶層的正負(fù)電荷數(shù)量相當(dāng)，整體對(duì)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(fù)電荷，功函數(shù)小的物體則攜帶一部分的正電荷，兩者對(duì)外表現(xiàn)帶電，此過(guò)程如圖所示。

物體A 和物體B 接觸起電過(guò)程

若將接觸時(shí)物體B 所攜帶的電荷量定義為Q0，遠(yuǎn)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(shuō)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(cè)量原理

3.1 靜電感應(yīng)效應(yīng)

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

3.2 靜電傳感器的種類

基于靜電感應(yīng)現(xiàn)象，相關(guān)科研人員已經(jīng)開發(fā)了多種不同結(jié)構(gòu)的靜電傳感器用于監(jiān)測(cè)氣固兩相流中的流動(dòng)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(wú)論是哪種結(jié)構(gòu)的靜電傳感器，都要求靜電傳感器內(nèi)部的感應(yīng)電極具有良好的導(dǎo)電性。

4 靜電測(cè)速的基本原理與系統(tǒng)構(gòu)成

4.1 互相關(guān)測(cè)速原理

在同一管道上相距為L(zhǎng) 兩個(gè)截面處分別安裝結(jié)構(gòu)完全相同的感應(yīng)電極，當(dāng)L 較小時(shí)，可認(rèn)為被測(cè)流體在上下游感應(yīng)電極之間沒(méi)有發(fā)生變化，即上下游感應(yīng)電極所捕獲的隨機(jī)流動(dòng)噪聲信號(hào)也是相同的，只是兩路信號(hào)存在一定的時(shí)間差τ[4]，即

式中τ 就是流體從上游感應(yīng)電極流到下游感應(yīng)電極的時(shí)間，稱為渡越時(shí)間。

而流動(dòng)信號(hào)x（t）和y（t）的互相關(guān)函數(shù)Rxy（τ）：

則Rxy（τ）函數(shù)的峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間τ0就是兩路流動(dòng)噪聲信號(hào)之間的渡越時(shí)間，由此即可算出相關(guān)速度VC：

通過(guò)對(duì)相關(guān)速度VC的校正即可獲得流動(dòng)速度V：

4.2 靜電測(cè)速的系統(tǒng)構(gòu)成

氣固兩相流靜電測(cè)速系統(tǒng)由雙（多）感應(yīng)電極構(gòu)成的靜電傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集、相關(guān)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(dòng)時(shí)，顆粒與顆?；虮诿嬷g將發(fā)生碰撞,導(dǎo)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(yīng)電極對(duì)流動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行捕捉。各個(gè)帶電顆粒在感應(yīng)電極上引起的靜電感應(yīng)現(xiàn)象相互疊加共同構(gòu)成了感應(yīng)電極的輸出信號(hào)。而不同結(jié)構(gòu)的傳感器所捕獲的流動(dòng)噪聲信號(hào)也不經(jīng)相同，具體體現(xiàn)在輸出信號(hào)幅值不同，信號(hào)帶寬不同，這就要求如何優(yōu)化靜電傳感器的設(shè)計(jì)以滿足信號(hào)拾取精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，空間靈敏度特性好的靜電傳感器性能需求。

同時(shí)，因采取互相關(guān)原理用于計(jì)算顆粒的速度值,所選擇使用靜電傳感器為雙（多）感應(yīng)電極構(gòu)成的靜電傳感器，而感應(yīng)電極間距也因通過(guò)實(shí)驗(yàn)不斷調(diào)整，以保證可獲得較為準(zhǔn)確的流速值。

4.2.2 信號(hào)調(diào)理電路

雙感應(yīng)電極的靜電傳感器輸出的兩路信號(hào)具有低功率和高阻抗的特點(diǎn)，一般采集設(shè)備難以采集，需經(jīng)過(guò)阻抗匹配和信號(hào)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(hào)。信號(hào)調(diào)理電路主要包括信號(hào)緩沖級(jí)和放大級(jí)，同時(shí)信號(hào)調(diào)理電荷還應(yīng)具備低噪聲，低漂移、抗干擾能力強(qiáng)等設(shè)計(jì)要求。因此需要通過(guò)不斷的分析與驗(yàn)證, 找到合適的調(diào)理電路各參數(shù)指標(biāo)。

4.2.3 數(shù)據(jù)采集

調(diào)理電路輸出的電壓信號(hào)仍為連續(xù)變換的模擬信號(hào), 并不能直接用于后續(xù)信號(hào)處理，需要通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡,完成模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。而數(shù)據(jù)采集的采樣頻率一方面應(yīng)滿足采樣定律，保證采集過(guò)后的信號(hào)不失真，另一方面采樣過(guò)后渡越時(shí)間將轉(zhuǎn)換為離散時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值。綜上所說(shuō)，應(yīng)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(guān)運(yùn)算

數(shù)據(jù)采集卡輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，截取適當(dāng)頻率范圍用于進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，通過(guò)才采樣率和互相關(guān)函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)索引，即可得到兩路流動(dòng)噪音信號(hào)的渡越時(shí)間，結(jié)合靜電傳感器上下游感應(yīng)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(guān)算法可以分為基于時(shí)域的互相關(guān)、基于頻域的互相關(guān)、歸一化互相關(guān)、差動(dòng)自相關(guān)、極性互相關(guān)、梯度互相關(guān)、廣義互相關(guān)等。具體實(shí)現(xiàn)需編寫特定程序，用以分析幾種離散信號(hào)互相關(guān)的算法的優(yōu)劣，目的在于選擇合適的算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的互相關(guān)運(yùn)算, 得到穩(wěn)定而準(zhǔn)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(cè)速系統(tǒng)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、計(jì)算結(jié)果不受流質(zhì)干擾和可應(yīng)用于惡劣工業(yè)環(huán)境等特點(diǎn)，應(yīng)用前景較為廣泛。但由于氣固兩相流的流動(dòng)特性十分復(fù)雜，應(yīng)用環(huán)境多變，這就給整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出來(lái)眾多要求，尤其是靜電傳感器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，仍需進(jìn)行大量的研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)氣固兩相流流動(dòng)噪聲信號(hào)的精準(zhǔn)感知。