网状静电传感器弯管处颗粒速度与浓度的测量

为了对气力输送管道进行实时监控,并且提高炉膛内的燃烧效率,需要对气力输送管道中颗粒的速度与浓度分布进行测量。采用一种网状结构的静电传感器测量气力输送管道弯管处的颗粒速度与浓度分布。为了研究传感器的特性,首先建立了网状静电传感器的有限元模型。根据有限元仿真结果,优化网状静电传感器的设计,使其拥有更高更均匀的灵敏度分布,在实验室规模颗粒流实验平台上进行了实验研究。通过对上下游平面对应位置网状电极所得静电信号进行互相关运算,可以估测颗粒的轴向速度分布;通过对同一平面网状电极静电信号的均方根值进行重建,可以得到固体颗粒的相对浓度分布。实验研究表明,该网状静电传感器可以用来测量气力输送管道弯管处颗粒速度与浓度分布。     

立体网状静电传感器空间灵敏特性研究

提出一种全新的立体网状静电传感器,以克服现有静电传感器对流场内速度分布无法测量的不足。通过建立立体网状静电传感器的三维仿真模型,利用有限元分析法获得了立体网状静电传感器的灵敏度空间分布规律,并对其动态灵敏度进行了分析。结果表明:立体网状静电传感器具有局部敏感特性,对于管内颗粒分布比较敏感。而且由于其极棒间相互交错的特性,可以探测到颗粒的运动方向;传感器的动态灵敏度可以反映带电颗粒在各个极棒间的空间位置及其速度,即带电颗粒距离极棒交织点越近,速度越快,动态灵敏度越大。最后通过重力输送颗粒实验,证明理论分析的结果与实验结果一致,从而为立体网状静电传感器实现颗粒流动参数测量提供了理论依据。     

基于融合传感器的气固两相流参数检测系统设计

为了快速实现气固两相流输送过程中的多参数检测,设计了一种基于双圆环静电传感器和螺旋式电容传感器融合传感器的参数测量系统。采用螺旋电极电容传感器测量管内固相相对浓度,以降低电容传感器灵敏场不均匀对浓度测量的影响。将双圆环静电传感器的信号作互相关运算获得固相速度。由固相流速与相对浓度最终计算出固相质量流量,从而实现气固两相流的流速、浓度、流量等参数的综合测量。将系统测量的质量流量与重力传感器检测的质量流量相对比,两者误差小于7%,具有较好的一致性。     

金属颗粒的电容式速度测量方法研究

针对金属材料在静电场中呈现出的特殊性,设计了一种用于检测管道中金属颗粒速度的电容式传感器。首先,基于多电极理论建立了电容传感器测量金属物质的数学模型,在此基础上,使用COMSOL Multiphysics有限元分析工具建立了传感器三维仿真模型,并对其空间灵敏度分布特性进行了分析。然后,基于该传感器的空间滤波效应对金属颗粒速度测量原理进行了理论分析,建立了传感器输出信号功率谱截止频率和金属颗粒速度之间的关系式。最后,开发了基于三角电极电容传感器和电容数字转换芯片Pcap01的金属颗粒速度测量系统,并在重力输送装置进行了验证及分析。实验结果表明,该测量方法具有良好的可行性,在2.44～5.34 m/s的速度范围内,测量速度的重复性误差小于4%。     

基于阵列式静电传感器的密相气力输送表观气速测量方法研究

高压密相气力输送是加压气流床煤气化的关键技术之一,对其表观气速的测量是监测其流动状态变化的重要依据,目前主要采用测量温度、压力、流量等参数进行间接计算的方法获取。本文提出一种基于阵列式静电传感器直接测量的新方法,利用阵列式静电传感器局部敏感特性,通过对每个电极获取的静电信号进行EMD分解得到其多尺度能量比,进而提取出其高频高能分量,并进行功率谱分析和等效频率计算,对各电极的等效频率进行加权平均从而获取加权频率,进而建立加权频率与表观气速的关系。通过对3种粒径褐煤煤粉输送的实验验证,结果表明该方法可行,能够建立加权频率与表观气速的线性关系,并且该线性关系的斜率随着输送颗粒粒径的增大而减小,同时也为测量颗粒粒径提供了新的手段。     

基于COMSOL的油气润滑系统ECT三维阵列电极的特性分析

利用COMSOL有限元软件搭建油气润滑系统电容层析成像(ECT)的阵列电极三维管道模型,得到阵列电极在不同阵列电极结构参数下的电势云图,并求出空场满场的三维阵列电极的电容值。根据油气润滑系统小管径的管道特点,推导出一种适合油气润滑系统阵列电极三维管道内快速计算灵敏度场的计算表达式;定义横向灵敏性和灵敏度均匀性2个评价指标,并结合传统的阵列电极的灵敏度、被测电容的变化范围2个评价指标对油气润滑系统空间ECT阵列电极进行特性分析。结果表明：经过特性分析的空间ECT阵列电极可获得比较均匀的灵敏度分布和较好的检测灵敏性。该结果将为油气润滑系统ECT阵列电极的后期加工制作提供依据。     

厚管壁电容层析成像传感器特性研究

电容层析成像技术利用多电极电容传感器实现对多相流电介质分布进行可视化.通过对管道内径为10 mm,管壁厚度为5 mm的8电极电容传感器的数值模拟,研究了管道介电常数、管内介质介电常数以及径向电极对传感器电容绝对值、空满管电容变化值和传感器线性度的影响,分析了厚管壁下电容传感器的灵敏场特性,并给出了在高径极比条件下传感器设计的参数优化方案,为电容层析成像检测电路的设计提供相应的依据.     

尾气静电传感器空间滤波特性研究

对尾气静电传感器空间灵敏度的分布图进行拟合获得静电传感器空间灵敏度分布函数;然后使用求得的空间灵敏度分布函数对荷电颗粒的静电场进行加权平均,得出函数绘制出尾气静电传感器的空间频谱分布图。整理得出频率响应特性表达式,分析出探极频率响应特性影响因素,为研究尾气静电传感器的动态特性奠定了基础。     

基于电容成像的料腿内气固两相流浓度测量

旋风分离器是循环流化床锅炉的主要组成部分,其分离效率是影响整个锅炉的重要因素之一.采用电容层析成像技术(ECT),对旋风分离器料腿中的固体颗粒体积浓度进行测量.这种测试方法的优点在于不破坏原有系统的运行特性,属于非侵入式、在线的快速测试技术.电容传感器均匀布置在分离器料腿直管上,电极数目为8.改变螺杆给料速度以及抽吸风量可改变给料浓度,通过对管道截面体积浓度、波动特性以及体积浓度平均测量结果的比较分析,证明这种方法可获得可靠的测量结果.     

基于双截面ECT的气/固两相流参数检测系统

为了实现多相流的流动过程在线监测和多参数测量,设计并研发了一套应用于气/固两相流检测的双截面8电极电容层析成像系统.采用交流法电容检测原理实现具有16个独立电容检测通道的电容测量电路,实测系统的成像速度为590帧/秒.将双截面电容层析成像系统用于气/固两相流的实时检测,并将两层截面的图像作相关计算,获取成像截面的固相速度分布.由固相速度和浓度最终算出气/固两相流的固相质量流量,从而实现气/固两相流浓度、速度、流量等多参数的综合检测.将双截面ECT传感器算得的质量流量与发料罐重力传感器获取的质量流量作对比发现,两者具有较好的一致性,流量测量误差小于8％.     

An instrumentation system for multi-parameter measurements of gas-solid two-phase flow based on Capacitance-Electrostatic sensor

In this paper, an instrumentation system for the measurements of local solid volumetric concentration, local solid velocity, local solid mass flowrate and solid mass flowrate in gas-solid two-phase flow system is developed. It is based on a new type of a Capacitance-Electrostatic sensor (CES). The CES sensor is mainly composed of a capacitance electrode array and two electrostatic electrode arrays. The optimum design of the sensor is achieved by finite element method. The capacitance electrode array is employed to detect the solid distribution over the cross-section of the pipe, and the local solid volumetric concentration measurement is further derived. The electrostatic electrode arrays are used to measure the local solid velocities in conjunction with cross-correlation method. From the local solid velocity and local volumetric concentration, the solid mass flowrate and the local solid mass flowrate can be achieved. The developed system for the local solid volumetric concentration measurement is verified through analogue simulation experiments and static experiments. Finally, the system is employed to measure the local solid volumetric concentration, local solid velocity, local solid mass flowrate and solid mass flowrate on a belt conveyor. The experimental results show that the measurement error of the local solid volumetric concentration measurement results are less than 10.43% for solid local volumetric concentration ranging from 0.02 to 0.56, the standard deviations of the local solid velocity measurement results are less than 0.42 for solid velocity ranging from 3.5 m/s to 15.0 m/s, and the relative error of the solid mass flowrate is within −19.6% to +14.9% for solid mass flowrate ranging from 0.006 kg/s to 0.103 kg/s, indicating that the system is capable of achieving multi-parameters measurement in gas-solid two-phase flow system.     

一种新型电容式空隙率传感器仿真研究

该文提出了一种侵入式多环套状结构电极的电容传感器,并研究它对气液两相流空隙率测量的可行性。通过建立多环套状电容传感器装置的有限元仿真数学模型,运用ANSYS软件对电容传感器有限元模型进行了二维静电场仿真。其分析了极板间的电位分布,计算不同相分布下传感器的电容及变化量,分析空隙率的设定值与仿真值对比结果,并以层流和环流为例比较并分析传感器的灵敏度以及受流型的影响。仿真结果表明,多环套状电极结构电容传感器可运用于两相流的空隙率测量技术上,为多环套状电极结构电容传感器的设计提供了部分理论依据。     

Investigation of two-phase flow mixing mechanism of a swirl burner using an electrostatic sensor array system

A novel electrostatic sensor array was designed to measure particle concentration downstream of a swirl burner. The fundamental mechanism and the primary constituent elements of the sensor array were described. The root-mean-square magnitude of the measured electrostatic voltage was determined as an indication of the particle concentration. The accuracy of the electrostatic sensor array was calibrated by the optical fluctuation method. Local particle concentrations at different cross-sections of the measuring chamber were measured to investigate the diffusion characteristic of the pulverized coal particles. Electrostatic sensor array showed its ability in the field measurement in this work. The measurements indicated that the velocity of the inner secondary air had a significant effect on the diffusion of the pulverized coal particles. The particles concentrated in the center of the cross-section after leaving the burner. With the development of the gas–solid two-phase flow, the particles distributed like a ring shape. The radius of the particle ring increased with the increase of the velocity of the inner secondary air. But the effect of the velocity of outer secondary air on the radius of the particle ring is very slight. The maximum radius occurred when the velocity of inner secondary air was 21 m/s, which was favorable for stable combustion.     

Electrostatic monitoring of coal velocity and mass flowrate at a power plant

It is necessary to monitor and balance the pulverized coal velocity and flowrate among the conveying pipelines leading to injection burners and to optimize the air-coal ratio for safety, economical operation, and reduction of pollution of coal-fired boilers in power plants. A novel electrostatic sensing system is reported for monitoring the velocity and relative mass flowrate of pulverized coal. The design, implementation, and on-plant trials of the system are reported. The velocity of pulverized coal was determined by autocorrelating the output derived from a linear electrostatic sensor array. The relative concentration and mass flowrate were obtained by the root mean square values of the output of two ring-shaped electrodes with the consideration of the pulverized coal velocity. The instrumentation was evaluated on a full-scale 600 MW power generation unit. The results demonstrate that the technique provides reliable measurement of pulverized coal velocity, relative flowrate, and split distribution among the injection pipes from the same pulverizing mill. The prototype achieved split balance and optimized air/coal ratio in combination with the pulverized coal balancing control valve and proportional-integral-derivative controller in fuel injection pipes in a power plant.     

阵列式静电传感器结构设计与优化研究

气固两相流广泛存在于自然界和工业生产过程中,利用阵列式静电传感器感应成像系统可以对两相流的流型、截面分布等信息进行可视化监测,进而得到其流动特性、运输效率、安全状况等情况,对于两相流体的理论研究以及相关生产过程的安全化、高效化和实时控制等具有重要意义。本文提出了一种新型的阵列式静电传感器结构,通过有限元方法分析静电传感器敏感场特性,进而验证传感器的结构参数对测量结果的影响;建立了两相流流动的仿真模型,通过对比传感器不同结构参数下的敏感特性,对相关参数进行优化,对提高静电成像系统的成像精度与准确度具有重要意义。     

一种新型的电容式油气两相流相份额传感器

本文介绍了一个高精度的电容式两相流相份额传感器。该传感器是非插入式,传感部件与测量电路集成一体,排除了寄生电容和杂散电容的影响,使测量精度和稳定性大大提高;输出是直流电压信号,便于计算机自动采集数据;动态反应快,适于实时在线测量。可用于管内油气两相流相份额测量、流型识别、两相流量测量和流动状态监测     

气固两相流质量流量测量的新方法

文提出了一种采用电容传感器测量气固两相流质量流量的新方法。通过电容传感器对固相浓度的测量,可以求出气固两相流的固气比,结合气固混合之前所测得的载气流量,便可测出固相的质量流量。实测结果显示,测量误差小于5