濃度對光脈動法氣固兩相流顆粒粒徑測量的影響

楊斌，何淵，周騖，姜勇俊，蔡小舒

(上海理工大學 顆粒與兩相流測量研究所，上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海，200093)

濃度對光脈動法氣固兩相流顆粒粒徑測量的影響

楊斌，何淵，周騖，姜勇俊，蔡小舒

(上海理工大學 顆粒與兩相流測量研究所，上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海，200093)

針對工業應用中氣固兩相流濃度對光脈動(LTF)顆粒粒徑測量方法的影響問題，通過對比濃度基本不變及濃度時刻變化的光脈動頻譜特征，分析確定因濃度變化造成影響的閾值頻率，由此提出高通濾波光脈動法顆粒粒徑優化算法，并將該算法用于濃度時刻變化的光脈動法數據處理中。研究結果表明：優化算法結果與激光粒度儀離線測量結果相對偏差改進到12%內，且標準差降低為11.3 μm，由此驗證了該算法可有效減小濃度對光脈動法測量結果的影響，提高測量結果的準確性和穩定性。

氣固兩相流；在線測量方法；光脈動法；顆粒粒徑；濃度影響

氣固兩相流氣力輸運廣泛存在于能源、環境和化工領域中，其過程的優化控制與運行需實現氣固兩相流參數的實時在線測量[1?2]。顆粒的粒徑為其中最重要的參數之一，直接影響氣固兩相流流動情況、氣力輸運能力等[3?4]。目前，氣固兩相流顆粒的粒徑在線測量方法主要有超聲法、圖像法和光散射法等[5?7]。其中，光脈動法(light transmission fluctuation, LTF)是利用透射光強隨機變化規律結合光散射理論的氣固兩相流顆粒粒徑測量方法[8?10]，因具有結構簡單、對測量環境要求低、長時間運行可靠等優點，更適合工業現場的在線監測。目前，光脈動法已在電站鍋爐煤粉氣力輸運、水泥生料制備輸運、石油化工催化劑添加等領域進行了應用探索[11?13]。在實際應用過程中，由于工業過程中氣固兩相流中顆粒濃度通常時刻發生變化，隨濃度變化造成的光強脈動會與因顆粒大小造成的光強脈動疊加，造成光脈動法顆粒粒徑測量結果偏大，給測量的準確度和穩定性都帶來不利影響[14]。針對這一問題，本文作者通過對比濃度基本不變及濃度時刻變化的光脈動信號來研究濃度變化對光脈動法顆粒粒徑測量的影響，并提出消除濃度變化影響方法，以提高光脈動法測量結果的準確性和穩定性。

1　光脈動法測量原理

光脈動法氣固兩相流顆粒粒徑測量基本原理是：當光束照射氣固兩相流時，照亮測量區域內的顆粒數隨時間變化，造成透射光強出現脈動信號。將不同時刻光束照亮測量區域內的顆粒數作為隨機事件，建立顆粒粒徑及顆粒數與透射光強的關系，便可實現對氣固兩相流顆粒粒徑的在線測量。

光脈動法測量原理示意圖如圖1所示。由圖1可見：當一束平行單色光照射氣固兩相流被測顆粒時，由于顆粒的散射和吸收，透射光強將會衰減，衰減量符合Beer?Lambert定律，即

其中：Γ為對數透射率，為透射光強It與入射光強I0的對數比；L為測量光束在測量區內的光程，m；N為單位體積顆粒數濃度，m3，當光束面積為A時，該時刻激光照射顆粒數n=NAL；D為顆粒的平均粒徑，m；kext為消光系數，它是入射光波長λ、顆粒平均粒徑D和顆粒相對折射率m的函數，可由米氏散射理論求得[15?16]。

定義Sext為顆粒的消光面積為

代入式(1)得

若減小光束的截面積A，某一時刻被照射顆粒數n也會相應減小，當n減至一定程度時，呈現隨機性，相應的透射光強It出現脈動信號。可以認為n符合泊松分布，可得E(n)=D(n)。因此，可以建立對數透射率Γ與顆粒數n之間的統計學關系：

將式(3)代入式(4)可求得顆粒消光面積Sext，由此便可計算顆粒的平均粒徑D為

因此，通過測量入射光強與透射光強信號，依據建立的顆粒粒徑與光脈動信號的關系，便可實現對氣固兩相流顆粒粒徑的在線測量。

2　測量系統與實驗裝置

圖2　光脈動法顆粒粒徑在線測量系統示意圖Fig. 2 Schematic diagram of in-line particle size measurement system based on LTF

光脈動法氣固兩相流顆粒粒徑在線測量系統如圖2所示。由圖2可見：測量探針采用凹槽結構設計，激光器由探針座發出，經小孔照射測量區域后，由探測器接收，利用計算機記錄光脈動信號并處理得到氣固兩相流顆粒粒徑。為模擬氣固兩相流濃度變化，設計氣固兩相流裝置如圖3所示，將煤粉裝入料倉，通過調節閥門開口截面來改變煤粉下料質量，以模擬不同濃度的煤粉氣固兩相流。

圖3　實驗裝置示意圖Fig. 3 Schematic diagram of experimental device

3　濃度變化影響研究

3.1光脈動信號現象分析

實驗獲得濃度基本不變及濃度時刻變化的光脈動信號如圖4所示。由圖4可以看出：對于濃度基本不變的信號，其頻率較高，且在均值附近波動，其幅值較小；對于濃度時刻變化的信號，其存在高頻信號的同時，還出現低頻大幅波動。因此，2種條件下光脈動信號頻譜存在明顯差異。

圖4　不同濃度條件下透射光強信號Fig. 4 Comparison of signals on different concentration conditions

圖5　信號振幅譜圖Fig. 5 Schematic of signal amplitude spectrum

3.2頻譜分析

對這2組典型信號進行快速傅里葉變換(fast Fourier transformation, FFT)振幅譜分析，結果如圖5所示。從圖5可以看出：當頻率大于75 Hz時，2種濃度下光脈動信號振幅幅值基本相當；當頻率小于75 Hz時，2種濃度下光脈動信號振幅幅值存在明顯差異。由此可知，濃度的改變僅影響頻率小于75 Hz的光脈動信號，對于大于75 Hz的光脈動信號可以認為是顆粒流經測量區域造成。進一步分析頻率小于75 Hz光脈動信號頻譜，對于濃度時刻變化條件下的光脈動信號，頻譜幅值隨著頻率的減小而大幅增大，可以認為這是由于濃度變化造成信號低頻大幅值變化。而對于濃度基本保持不變條件下的光脈動信號，大部分頻譜幅值與高于75 Hz的頻譜幅值相當，可以認為這是大顆粒或多個顆粒疊加所造成，而對于低于10 Hz頻率頻譜幅值仍較大的情況，是因為此時濃度仍存在小變化。因此，75 Hz可以作為因濃度變化造成光脈動信號頻率變化的低頻閾值頻率。但是這一閾值頻率并不具有普適性，它由顆粒的粒徑和速度決定，其數學關系模型有待進一步研究。在目前的工業應用中，閾值的確定方法是將一段時間的原始信號進行分析，結合取樣分析結果進行對比，最終確定這一閾值頻率。

3.3算法優化

以75 Hz作為因濃度變化造成光脈動信號頻率變化的低頻閾值頻率對濃度變化條件下的光脈動信號進行分解，如圖6所示。由圖6可以看出：高頻部分信號可認為因顆粒流經測量區域造成，可以用作顆粒粒徑計算以提高測量結果的準確性和穩定性；對于低頻部分，主要是因為濃度變化造成衰減強度的低頻變化，對于粒徑計算應予以消除，但對于雙光束光脈動法相關原理測量顆粒速度來說，用其作為分析信號可以有效提高互相關計算的效率。通過上述分析，可以提出消除濃度影響的顆粒粒徑測量優化算法，即采用高通濾波方式預先對光脈動原始信號進行處理后再計算顆粒粒徑。

圖6　信號高頻與低頻部分信號Fig. 6 Signals at high and low frequencies

3.4對比驗證

將優化算法應用于42組濃度變化條件下光脈動信號的處理，對比通過原始算法與優化算法處理結果如圖7所示。由圖7可知：通過原始算法處理的42組測量結果平均值為87.78 μm，標準差為18.80 μm；通過優化算法處理的42組測量結果平均值為52.70 μm，標準差為11.30 μm。選取樣品煤粉，利用激光粒度儀(Malvern APA2000)對煤粉顆粒粒度進行測量，典型測量結果如圖8所示，因基于光脈動法測量所得結果為顆粒的平均粒徑，取激光粒度儀5次平均粒徑測量結果的平均值(47.49 μm)作為對比參考值進行分析。

圖7　2種算法所得顆粒粒徑對比圖Fig. 7 Comparison of particle sizes by using two algorithms

圖8　激光粒度儀測量結果圖Fig. 8 Measurement result of pulverized coal by particle size analyzer

將原算法與優化算法處理結果與參考值對比，如表1所示。由表1可以看出：對于濃度改變條件下的光脈動實驗結果，優化算法可使處理結果與平均值的相對偏差降低到10.9%，有效提高了測量準確性；另外，優化算法使42組測量結果標準差降為11.30 μm，有效提高了測量的穩定性。

表1　2種算法所得顆粒粒徑對比Table 1 Comparison of particle sizes by using two algorithms

4　結論

1) 通過對比濃度基本不變與時刻改變情況下光脈動法透射信號特征發現：因濃度變化造成的光脈動信號具有低頻高幅值特征，因粒徑變化造成的信號具有高頻低幅值特征。

2) 通過對比兩者振幅譜特征，確定了濃度變化影響光脈動信號特征的閾值頻率，由此提出了光脈動法高通濾波優化算法。

3) 通過激光粒度儀測量對比，驗證了優化算法可有效減小濃度對光脈動法測量結果的影響，提高了測量結果的準確性和穩定性。

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(編輯 劉錦偉)

Concentration influence on light transmission fluctuation method for particle size measurement of gas-solid two-phase flow

YANG Bin, HE Yuan, ZHOU Wu, JIANG Yongjun, CAI Xiaoshu
(Institute of Particle and Two-phase Flow Measurement, Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

For the influence on the light transmission fluctuation (LTF) method of particle concentration for the particle size measurement in industrial applications, the frequency spectrum characteristics were analyzed by comparing the steady particle concentration condition with the unsteady condition, and the threshold frequency caused by unsteady concentration was obtained. Thus, the high-pass filtering optimum algorithm of LTF was presented for particle size calculation. The results show that the relative deviation between optimum algorithm and original algorithm is improved within 12%, and the standard deviation is reduced to 11.3 μm. The influence on LTF of particle concentration can be decreased by the optimum algorithm effectively, and the accuracy and reliability of measurements are improved respectively.

gas-solid two-phase flow; in-line measurement; light transmission fluctuation method; particle size; concentration influence

TH89

A

1672?7207(2016)03?1044?05

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.043

2015?03?15；

2015?05?07

國家自然科學基金資助項目(50836003)；上海市科委科研計劃項目(13DZ2260900)；上海高校青年教師培養資助計劃項目(ZZslg15002) (Project(50836003) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(13DZ2260900) supported by the Shanghai Science and Technology Commission; Project(ZZslg15002) supported by the Shanghai Young University Teachers Training Program)

周騖，博士，講師，從事多相流與燃燒在線測量方法研究；E-mail: zhouwu@usst.edu.cn