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 技术论文


气力输送管道中固体颗粒质量流量测量技术及装置

李 序 金喜平(沈阳工业大学 信息科学与工程学院 沈阳 110023)
季秀丽(沈阳东宇电子商务有限公司 沈阳 110001)

   

    摘要  在过去的20年里,许多种用于测量气力输送管道中固体颗粒质量流量的方法被提出和发展起来。这些方法可分为节流法和非节流法。包括三大类别:固体颗粒质量流量的直接测量,浓度测量和速度测量,本文介绍了该方面的技术发展水平,及该领域的研究、发展和商用产品的现状。

    主题词  质量流量 浓度测量 速度测量

                               1. 引 言

   固体颗粒的在线连续测量和后续控制都是公认的普遍要求,需要有相当大数目的固体流量计来满足不同的工业过程,在世界范围内极具市场潜力。

               2.  质量流量测量方法的研究现状及相关产品

   固体颗粒的质量流量测量是一个技术难题。为此,国内外学者均做了大量的研究工作,研究较多的测量方法多涉及一些新技术。也有很多研究工作是应用传统的单相流仪表和多相流模式进行多参数组合辩识而检测的,同时,将软测量技术引入到气力输送系统参数测试领域中。软测量技术包括模式识别,状态估计,过程参数识别,模糊数学,人工神经网络等,是利用较易在线测量的辅助过程变量和离线分析信息提供主要过程参数的在线估计的技术,可用来解决复杂的不确定的气力输送系统的质量流量测量问题。

   世界上从事质量流量测量研究的主要有:英国的Greenwich大学的Yan.Y采用静电传感器结合相关信号处理器测量固体颗粒的浓度及流速。英国Manchester大学 Xie采用二维有限元法与因素轮换法相结合对一对表面极板电容式相浓度传感器进行了优化设计。清华大学张宝芬,黄松明等人将多电极旋转法与传感器结构优化设计结合起来。此外,东北大学等对电容层析成像技术做了系统的研究工作。

   国际市场上出现的一些相应的固体流量测量仪表。如表1所示。

          公司         国家         传感器       被测参数
  ABB         英国         静电       质量流量
  PCME         英国         静电 光学       质量流量 浓度
  Ramsey         美国         电容  微波       浓度 速度
  Lasser         德国         超声       浓度
  CSIRO MineraI         澳大利亚         声学       浓度  速度
  Process Tomography         英国         电容       流型成像
  S-E-G(UK)         英国         科里奥利       质量流量
  MiIItronics         英国         冲击盘       质量流量

                               3.  质量流量测量技术

      3.1  节流法

      测量固体颗粒的质量流量计可分为节流型和非节流型。节流型流量传感器机械原理如表2所示。实际的现场试验和研究证明这些设备适用于各种不同的工业过程中受重力作用的固体质量流量的测量。机械固体流量计的测量值正比于固体质量流速,但在本质上对固体颗粒大小、化学组合、湿度的变化不敏感。

               所有的节流型传感器都存在磨损问题。由于传感器安装的侵入性,移动颗粒的磨损性、散射以及流线的压缩等,影响了其对气力输送管道中固体颗粒质量流量测量的精确性。

         表 2   节流法

    原理    传感器
    科里奥利原理    科里奥利管
    热力学    文丘里管,孔板
    冲击    冲击盘
    称量  称重螺旋,振动板,间歇脉冲

        3.2  非节流法

        3.2.1  直接测量    固体质量流量的测量的非节流法主要可以分为两类:直接测量和间接测量。直接固体流量计有一个穿过设备的直接响应固体质量流速的敏感元件,仅需要单信号处理元件。已设计出三种直接法固体流量计并经过测试 ,包括热力法、主动充电检测法和被动充电检测法。其共同特性是需要沿着管道轴线方向按差动方式设置一对敏感或检测元件来获取质量流量信号。但直接法的使用经常导致传感头在轴线方向的长度过长,但其不适用于能源工业中大规模生产过程。

       3.2.2   间接测量    现在提出方法大多数基于间接测量原理,即独立测量瞬时体积浓度和瞬时固体流速。

       3.2.2.1   流速测量   基于多普勒方法、相关法、空间滤波法、质点成像法等四种原理的速度传感器,如表3所示。

         表 3 固体流速测量

    原理   传感器
    多普勒方法   激光,微波
    相关法   电容,声学,静电,光学,辐射
    空间滤波法   声学,电容,静电,光学,微波
    质点成像法   光学,辐射

   采用多普勒方法既可以采用微波传感器对固体流速进行粗略估计,又可以使用激光传感器获取流型中固定点的精确结果。

   相关测速提供了一种比多普勒方法更好的途径。电学传感器(静电和电容)与衰减法相比,优点在于价格、维护以及适用性。但电容法及衰减法易受流型变化的影响。深入的理论研究及现场实验发现静电型相关测速仪优于其他相关测量设备。

    空间滤波法是一种新方法,一般来说,空间滤波法所用的传感器比相关法传感器在设计和结构上更复杂,但是,信号处理设备相对简单。空间滤波能从颗粒流中获取更多的信息,当与有效的信号处理技术相结合,可得到较为精确的结果。

     质点成像法既可以利用其可视化测量的优势进行在线检测,观察流型,计算相含率,也可从其直接测量信号中提取流型,相含率等信息。

      3.2.2.2  浓度测量  固体浓度测量使用的方法多样,进展也不相同。对于稀相的测量存在许多难题,并造成极大的测量误差,但被动充电检测法和光学衰减法这两种方法适用于稀相检测。此外,不均匀的固体分布导致了另外的操作错误,因为传感器都显示出一定程度的非均匀的空间灵敏度。若想获得更均匀的敏感场,必须使用更大物理尺寸的传感头,如更厚的管壁或更长的轴向长度。多传感器融合和新的信号处理技术的结合能有效地解决这一问题。

     微粒尺寸的差异影响了大部分传感器的运作,而基于电容和辐射原理的传感器则不受此影响。因此,对特定尺寸微粒的浓度测量的标定不需传输不同尺寸分布的微粒。许多传感器包括所有基于电学和共振方法的传感器依赖于固体的化学性质。用电容传感器等测浓度时,湿度和物料种类的不同引起了很大的误差,因此,使得基于电学、共振和衰减原理的传感器必须用特定已测的固体来进行校准。

              表 4 固体浓度测量  

    原理   传感器
    电学   电容,静电
    共振   声学,微波,核磁,电磁
    衰减/散射   声学,微波,光学,辐射
    层析成像   声学,电容,静电,光学,辐射

 
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