稀相氣固兩相流探針聲檢測方法的測量信號特征分析*

王 超，徐占艷，秦偉剛，康旭冰

(天津大學電氣與自動化工程學院天津市過程檢測與控制重點實驗室，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，氣固兩相流流動參數(shù)的準確測量對于提高生產(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檢測氣固兩相流參數(shù)的方法具有檢測靈敏、結(jié)構(gòu)簡單、造價低的特點。很多研究者針對不同條件下獲取的聲信號，對其與兩相流流動參數(shù)之間的關(guān)系開展了研究。研究發(fā)現(xiàn)，對于流化床，安裝于分布板上方的外側(cè)聲檢測傳感器獲得的顆粒撞擊壁面的聲波信號的主頻位置變化可以進行顆粒平均粒徑的測定［1，2］。對于粉料的管道氣力輸送，浙江大學石喜光通過在管道彎曲處外側(cè)的聲傳感器檢測固體顆粒撞擊管道產(chǎn)生的聲信號獲得氣固兩相流的質(zhì)量分數(shù)［3］。為了使信號特征更加明顯，減少外界干擾的影響，在管道中插入探針，通過檢測固相顆粒撞擊探針產(chǎn)生的聲信號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量探針的振動，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了振動信號與兩相流參數(shù)的關(guān)系［4］。Hancke G P通過具有一組不同尺寸結(jié)構(gòu)的探針測量聲波信號，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定粒徑的分布［5］。目前，基于聲檢測的氣固兩相流測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)與聲波信號之間的關(guān)系，所以，設(shè)計合理的傳感器結(jié)構(gòu)，并確定聲信號的特征顯得尤為重要。

1 聲檢測傳感器設(shè)計

本文設(shè)計了一種新的傳感器，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測量結(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處理模塊組成，當具有一定速度的固相顆粒撞擊探針時，探針產(chǎn)生振動，由置于探針平臺的壓電式聲傳感器檢測振動產(chǎn)生的聲波信號。

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

2 信號特征規(guī)律的實驗分析

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

圖3 實驗平臺示意圖Fig 3 Diagram of experimental platform

2.1 單顆粒下落碰撞實驗

粒徑為0.5mm的單個小米，分別由10，20cm高度下落撞擊探針產(chǎn)生聲信號及其頻譜如圖4和圖5所示。由圖可知，撞擊過程很短，撞擊產(chǎn)生的聲波信號呈現(xiàn)出振蕩衰減形態(tài)，且高度越大，聲信號主頻的幅值越大，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 多顆粒下落碰撞實驗

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

2.3 聲波信號主頻分析

根據(jù)實驗結(jié)果的分析可以看出:聲信號的主頻的位置不隨著固體顆粒撞擊的速度和固體顆粒個數(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而決定的。為了進一步分析，將該傳

圖6 下落高度10 cm的聲波信號及其頻譜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。通過對實驗中所用探針固有頻率的計算可以得出，聲信號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。以此估計撞擊產(chǎn)生的聲信號的主頻的位置，并進一步確定氣固兩相流的固相顆粒速度與質(zhì)量分數(shù)和主頻幅值的關(guān)系。

3 管道實驗信號分析

在天津大學多相流實驗室氣固兩相流實驗裝置上進行實驗，整個實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。實驗管道直徑為50 mm，實驗用固料為石英粉末，平均粒徑為100μm。通過調(diào)節(jié)螺旋給料機的電機轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)不同的固氣質(zhì)量分數(shù)配比。實驗所用的氣流量調(diào)節(jié)范圍為160～240 m3/h。

圖7 氣固兩相流實驗裝置Fig 7 Experimental device of gas-solid two-phase flow

3.1 探針尺寸選擇

實驗采用3種尺寸的探針進行實驗，分別為探針1:長度為35 mm，邊長為5 mm;探針2:長度為45 mm，邊長為5 mm;探針3:長度為15mm，邊長為5mm。實驗的固氣質(zhì)量比為0.6，氣流量為200 m3/h，采集時間為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)量分數(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影響其實際的自振頻率，所以，可以通過對比不同探針采集的聲信號主頻之間的關(guān)系來驗證主頻是否滿足式(1)。理論上，探針的自振頻率與長度的平方呈反比，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，實驗測得的聲信號主頻比值為1.42。考慮到探針制造時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的時域信號圖可以看出:探針3聲信號的時域信號不具有聲信號的衰減特征，說明探針3采集到的信號很大部分不是撞擊產(chǎn)生的聲信號，而是外界的干擾信號。結(jié)合管道固體顆粒速度的分布特點，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的頻段，進而在后續(xù)的實驗分析中采用濾波提取出聲信號。

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，認為探針1的長度更適合管道實驗的分析。

3.2 主頻與質(zhì)量分數(shù)、速度的關(guān)系

僅安裝探針1進行不同質(zhì)量分數(shù)和速度的實驗，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的聲波信號的頻譜，可以看出聲波信號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)量分數(shù)分別為40%與100%聲波信號的頻譜，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)量分數(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)量分數(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)計了基于插入式探針聲檢測原理的氣固兩相流參數(shù)檢測的傳感器，并對其檢測到的聲信號特征進行了實驗研究。通過對單顆粒固體與多顆粒撞擊產(chǎn)生聲信號的分析，得到聲信號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數(shù)的多少無關(guān)。通過管道實驗聲信號分析，確定了適合管道實驗的探針尺寸。通過進一步改變兩相流速度、質(zhì)量分數(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)量分數(shù)的變大，主頻的幅值變大。通過實驗結(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)量分數(shù)的關(guān)系可望應(yīng)用于氣固兩相流的參數(shù)檢測方面。

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

［2］王靖岱，曹翌佳，任聰靜，等.氣固流化床中聲發(fā)射和流動模式關(guān)系［J］.化工學報，2007，58(7):1714-1717.

［3］石喜光，周 昊，岑可法.基于超聲波方法的管內(nèi)氣固兩相流濃度測量技術(shù)［J］.熱力發(fā)電，2005，5:37-44.

［4］Meunier B M，Watts P M，Marshall JS.Vibration sensor for particle concentration measurement in pneumatic pipeline flows［J］.Measurement Science and Technology，2010，21(12):125401.

［5］Hancke G P.A modal analysis technique for the on-line particle size measurement of pneumatically conveyed pulverized coal［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1998，47(1):114-122.

［6］劉晶波，杜修力.結(jié)構(gòu)動力學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005:160-165.