一种判断气/固两相流流型的新方法

阚 哲，王晓蕾

（辽宁石油化工大学 辽宁 抚顺 113001）

气/固两相流广泛的存在于工业生产过程中，例如，在电力、建材、冶金、化工、环卫、医药和粮食加工等很多工业生产中，应用管道气力输送工艺来传送煤粉、水泥、矿石、盐类以及面粉等都是属于典型的气/固两相流流动。气/固两相流系统中，实现气/固两相流流动参数（如速度、浓度等）的实时在线检测，对科学研究具有更加广泛的意义。针对气/固两相流流动参数测量，出现了一些性能较好的测量仪器，如基于热学法的测量仪器、科里奥利流量计、利用差压法的测量仪器、电容传感器、静电传感器、超声传感器、微波传感器、射线传感器、光纤传感器和图像传感器等[1-3]。在众多测量仪器中，静电传感器以其结构简单、安装方便和非接触测量等优点吸引着广大学者和研究人员。因为气/固两相流的流动状态是决定两相流的传热、传质特性以及在管道中压力损失的重要因素，是测量气/固两相流速度分布和浓度分布的关键，所以在给定条件下，预知流型的种类是研究两相流首先要解决的问题[4]。

测量气/固两相流流型的仪器有多种，大致可分为直接测量法和间接测量法。虽然其中的每一种测量仪器都可以完成气/固两相流流型的测量，但是到目前为止，任何一种测量仪器都不能完成流型的准确测量。这其中电容层析成像法（ECT）和电阻层析成像法（ERT）可以获得较好的流型判断结果。本文基于静电传感器，提出了一种新型的气/固两相流流型判断方法。

1 气/固两相流流型判断方法

在气/固两相流中，虽然相界面的形状不会变化，但是由于固体颗粒的分布情况在流动过程中是随时变化的，因此相界面的分布情况也是不断变化的。气/固两相流的相界面的这种多变性，致使两相流的流型不仅是多种多样的，而且变化带有随机性。

1.1 直接测量法

根据两相流的流动形式，直接确定气/固两相流流型的方法为直接测量法。如图像传感器（Imaging Sensor）[3]和射线传感器（Radiometric Sensor）[5]测量法等。

1.1.1 图像传感器测量法

图像传感器主要由CCD照相机和激光片 （Laser Sheet）构成，其简图由图1所示。物料传送管的一部分制成透明的，当气/固两相流在传送管中运动时，由激光片照亮透明段传送管，照相机通过光电传感器（CCD）将图像信号采集出来，在应用数字图像处理技术，即可得到气/固两相流流型状况。固体颗粒尺寸为150 μm～25 mm范围进行实验[3]。

然而，在实时采集处理过程中，快门（Shutter）速度会给整个测量过程带来影响。当气/固两相流固体颗粒较多时，对于处于中心或底层的固体颗粒很难在采集的图像中体现出来，由于处于上层的固体颗粒对处于中心或底层的固体颗粒起到遮挡作用，这样由图像传感器采集到的图像不能完全的体现气/固两相流流型。而且在应用数字图像处理技术时，大量复杂的计算会加重测量仪器的工作负担。

图1 图像传感器Fig.1 Image sensor

1.1.2 射线衰减法

射线传感器主要由点光源 （Point Source）、光敏二极管（Photodiode）阵列和采样电路构成[6]，其简图由图2所示。当光源通过气/固两相流时，光子不断被吸收，射线辐射强度不断减弱。其强度变化可由下式表示：

图2 射线传感器Fig.2 Ray sensor

β（t）表示固体颗粒的体积分数；C表示光源照到传送管上的长度。

然而，在射线测量方法中，散射计数器应用范围要求粒子尺寸为1～10 μm，而且粒子数量浓度近似为每立方厘米105个。此外，粒子材质也能影响光的散射，如折射指标和粒子结构等。射线传感器相对窄的测量范围和要求射线源安全性限制了射线传感器应用。

1.2 间接测量法

通过某一个参量，进行成像处理，间接判断气/固两相流流型，如电容层析成像法（ECT)和电阻层析成像法（ERT)。或者根据对测量信号进行统计分析，进而确定流型。

1.2.1 电容层析成像法

电容层析成像（ECT）技术是基于电容敏感机理的PT技术。ECT系统由3个基本部分组成：传感器阵列；数据采集系统；图像重建计算机。其简图如图3所示。非导电物场内固体颗粒分布变化而引起电容值的变化，通过测量电容值的变化来重建物场内固体颗粒分布，而实现测量气/固两相

I（t），I分别表示被固体颗粒吸收前、后的光强；x（t）表示固体颗粒的有效厚度；μ表示固体颗粒对射线的线性吸收系数。

利用串联的光敏二极管线性陈列可以直接检测。根据关系式（2）可以直接求出固体颗粒的体积分数 β（t），进而可以得到气/固两相流流型。流流型。

图3 电容传感器Fig.3 Capacitive sensor

环境因素很大程度上影响了电容传感器，如温度、压力、湿度和机械振动等。大多数ECT成像都是二维的，这就要对三维ECT技术进行研究。而且ECT技术成像过程中计算量比较大。ECT技术是一门涉及电子、计算机技术、图形图像处理、工程热物理等多学科知识的新兴高新技术，它能提供过程参数的二/三维可视化信息，这是传统的检测手段和方法所无法比拟的。但是ECT技术目前不论在理论方面还是在应用方面尚存在一些问题需要解决[7]。

1.2.2 电阻层析成像法

电阻层析成象技术是一种基于电阻传感机理的层析成象技术，通过测量电阻率分布而测得气/固两相流固体颗粒分布。电阻传感器包括用于激励测量的电极阵列、数据采集与处理单元、图象重建和分析显示单元，其简图如图4所示。ERT技术实质上是根据敏感场的电导率分布获得固体颗粒分布信息，在敏感场边界施加激励电流，当场内电导率分布变化时，导致场内电势分布变化，从而边界上的测量电压发生变化，通过一定的图象重建算法，可以重建出场内的电导率分布。进而得到气/固两相流流型。

图4 电阻传感器Fig.4 resistance sensor

与ECT技术相类似，ERT技术在成像过程中计算量较大。就面向实际工业应用来说，还存在许多问题需要探讨，仍有大量的基础研究工作要做，如建立快速准确的三维图象重建算法；数据采集电路的速度、精度的进一步提高；新的重建精度高、速度快的图象重建算法的开发；传感器电极材料的稳定性、加工尺寸的一致性、安装定位准确性的保证；应用性的开发等[8]。

2 概率密度判断法

2.1 电压U的概率密度

概率密度判断流型的方法曾经应用于气/液两相流中，其分析的是空隙率的概率密度，画出测量数据的图形，通过观察曲线的峰值，来断定流型的形状[4]。

文中主要应用概率密度判断法来判断气/固两相流流型。基于静电传感器测量的电压随机信号，对电压的概率密度进行分析，进而得到气/固两相流流型。静电传感器如图5所示。具体计算过程如下所示。

图5 静电传感器Fig.5 Electrostatic sensor

找出电压U的最大值和最小值，将最大值和最小值间分成n份，每一份用ΔUi表示。ni表示采样电压U的值落在ΔUi范围内的次数。令采样时间为Δtj，有：

2.2 仿真分析

静电传感器是利用静电感应原理进行测量气/固两相流参数，因此被命名为静电流体电极（Electrostatic Flow Probe）[9]。进而将静电流体电极输出信号称为静电流体噪声，其符合窄带（Band-Limited）高斯波动[9]。仿真输入信号是随机分布的高斯信号（无干扰信号），利用等式（3）和（4）进行计算机仿真。得到仿真图像如图6所示。

图6 均值u=0、1.3和2.1时电压U概率密度图Fig.6 Mean u=0，1.3 and 2.1 voltage U of probability density

假设气/固两相流固体颗粒尺寸、速度不变时，其不同流型将输出不同的信号，根据图6的电压U概率密度峰值的位置，建立固体颗粒浓度与概率密度峰值的关系。由于静电流体噪声符合高斯变化，这样就可以通过静电流体噪声均值来判断气/固两相流固体颗粒浓度。

2.3 测量原理

利用绳流数学模型可以得出距离r，在利用均值判断固体颗粒浓度。进而可以快速地判断气/固两相流流型。

图7 绳流数学模型几何图Fig.7 Schematic plot of the model of the roping flow

3 结 论

静电传感器测量气/固两相流流型，利用本文提出的概率密度判断方法，仅需要计算出测量电压信号的均值和绳流数学模型中的距离r。可以实时快速地判断气/固两相流流型的变化。而不需要进行计算概率密度。

[1]Yan Y.Mass flow measurement of bulk solids in pneumatic pipelines[J].Measurement Science and Technology，1996（7）：1687-1706.

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[4]李海青.两相流参数检测及应用[M].杭州:浙江大学出版社，1991.

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[7]赵进创.电容层析成像技术及在两相流可视化监测中的应用研究[D].黑龙江：东北大学，2001.

[8]魏影.电阻层析成像技术（ERT）及其在两相流测量中的应用研究[D].黑龙江：东北大学，2001.

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