基于互相關(guān)算法擋板式內(nèi)循環(huán)流化床參數(shù)測量

1、基于互相關(guān)算法擋板式內(nèi)循環(huán)流化床參數(shù)測量摘要:為了實現(xiàn)擋板式內(nèi)循環(huán)流化床參數(shù)的準確檢測,設(shè)計并制作了一個擋板式內(nèi)循環(huán)流化床模 型和一套基于互相關(guān)算法的三電極ECT系統(tǒng)。采用交流激勵的方法，完成2組電容值的檢測及信號處 理。再根據(jù)速度與濃度計算獲取質(zhì)量流量，在給定的幾種工況下對介質(zhì)流速進行實驗分析，通過實驗 數(shù)據(jù)分析完成了一致性的驗證、氣體流速與顆粒流速的對比、相關(guān)參數(shù)的計算，準確地檢測到床內(nèi)動態(tài) 參數(shù)的變化，為擋板式內(nèi)循環(huán)流化床內(nèi)動態(tài)變化研究提供一個有效途徑。關(guān)鍵詞:氣固兩相流;流化床；互相關(guān)算法;流速；質(zhì)量流量Parameter Measurement of Baffle Type ICFB

2、Based on Cross-correlation AlgorithmAbstract：A baffle type ICFB and a 3 electrode ECT system based on cross-correlation algorithm was designed to accurately measure the flow parameters of the baffletype ICFB.The method of AC excitation was used to complete the detection and signal processing of 2 gr

3、oups of capacitance values.Based on flow velocity and concentration，the mass flow rate was calculated.Experi- mental analysis of the velocity of medium under several working conditions was conducted.Through the analysis of experimental data，the consistency verification，the comparison of gas velocity

4、 and particle velocity，and the calculation of relevant parameters were completed，and the change of dynamic parameters in the bed was accurately detected，providing another effective way for the dynamic change research in the baffle type ICFB.Keywords：gas solid two phase flow；fluidized bed；cross-corre

5、lation；flow velocity；mass flow0引言氣固兩相流是兩相流體系中常見的流動形式，針 對其的測量已廣泛存在于工業(yè)領(lǐng)域。內(nèi)循環(huán)流化床 (internally circulating fluidized bed，ICFB)是一種使氣 固兩相流達到流化狀態(tài)的設(shè)備，其具有高度低、結(jié)構(gòu) 簡單、反應(yīng)過程辨識度高、負載控制范圍大、氣固反應(yīng) 效率高等優(yōu)點C2，目前已受到越來越多的關(guān)注和研 究。但由于ICFB內(nèi)流體流動過程中具有非均勻性和 不對稱性的特點且隨機多變，目前依然無法實現(xiàn) 針對ICFB內(nèi)部流體參數(shù)的準確測量，所以研究內(nèi)循 環(huán)流化床內(nèi)氣固兩相流的參數(shù)測量方法具有重要 意義。電容層

6、析成像(electrical capacitance tomography， ECT)是20世紀80年代興起的一種多相流參數(shù)檢測 技術(shù)，具有響應(yīng)速度快、干擾小、非侵入性、成本低、安 全性能好等優(yōu)點竹項，近年來，在工業(yè)檢測領(lǐng)域中得到 了廣泛的應(yīng)用。Sun等回利用雙截面ECT系統(tǒng)和互 相關(guān)算法檢測了氣力輸送裝置中煤粉灰流速;Makkai 等08通過ECT測量數(shù)據(jù)并利用數(shù)值模擬估算氣固兩 相流的顆粒數(shù)度、顆粒間接觸力等參數(shù)。這些研究都 為運用ECT技術(shù)檢測內(nèi)循環(huán)流化床提供了試驗基礎(chǔ)。本文針對擋板式內(nèi)循環(huán)流化床中氣固兩相流的 流動參數(shù)檢測設(shè)計了一套三電極的ECT系統(tǒng),采用交 流激勵，將電容值的多通道檢

7、測應(yīng)用到顆粒流動參數(shù) 檢測中，結(jié)合互相關(guān)算法，實現(xiàn)了對氣固兩相流流動 過程中的流速、濃度、質(zhì)量流量等參數(shù)的測量。1擋板式流化床檢測系統(tǒng)圖1 (a)給出了設(shè)計好的擋板式流化床的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)圖。為了準確地測得床內(nèi)參氣固兩相流運動參數(shù),結(jié)合擋板式流化床的結(jié)構(gòu)特性,本文將床體底部的布 風(fēng)板又當(dāng)作激勵電極使用，另外2塊檢測電極分別位 于中間擋板底部的左右兩端，間距為固定值。圖1(b)給出了測速系統(tǒng)的框架圖，測速系統(tǒng)的工 作原理：上、下游測速電極與激勵電極(布風(fēng)板)之間 的電容值分別通過c/v轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電壓值;C/V 轉(zhuǎn)換電路出來的信號，經(jīng)過正/反放大電路以后通過 ADG436,如圖2所示，輸入信號A和

8、輸入信號B是2 路完全相同的信號，只是在相位上相差了 180； ADG436的IN1管腳輸入的控制信號是由輸入信號A 或B通過電壓比較器而產(chǎn)生的方波信號，控制信號的 頻率和正弦信號A/B的頻率是完全相同的，所以Di 管腳輸出的為正弦信號的上半部分；最后通過二階低 通濾波電路傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換器,再由其傳輸給主控芯 片進行數(shù)據(jù)的處理和分配。(b)測速系統(tǒng)的框架圖輸入信號B輸出信號輸入信號A圖1擋板式流化床檢測系統(tǒng)控制信號(b)測速系統(tǒng)的框架圖輸入信號B輸出信號輸入信號A圖1擋板式流化床檢測系統(tǒng)控制信號IN1IN2S1BS2BADG436D1D2S1AS2A2流化床中相關(guān)參數(shù)測量的理論基礎(chǔ)2.1流速的

9、測量原理本文設(shè)計的ECT系統(tǒng)同時檢測上、下游電極的電 容值，當(dāng)固相介質(zhì)流過上、下游電極時，其在時間上會 有一個滯后性，從而可以將流速的計算轉(zhuǎn)化為渡越時 間的計算08。圖3給出了互相關(guān)測速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框 圖。本系統(tǒng)中由于傳感器的尺寸大小已固定，所以上 下游之間的距離$是已知值。傳感器11x(。傳感器1R xy互相關(guān)計算H峰值搜索| |速度:計算| -|vc(1)圖3互相關(guān)測速系統(tǒng)原理圖(1)圖3中&(%)表示上游傳感器輸出的信號,，(%)表 示下游傳感器輸出的信號，(%)和y(%)極為相似，它 們只是在時間上有一個，o的延時，又稱2個信號的渡 越時間，所以可以表示為&(%) = y(%+，0)&(

10、%)和y(%)的互相關(guān)函數(shù)為 E &(%) y(% + ,) lim 上& (%) y (% + ,) d%將式(1)代入式(2)中化簡得：?二 lim &(%) &(% + , - ,o) d%J j o=R,y(，- , o )由自相關(guān)函數(shù)的特性回可以知道，當(dāng)xy(2)(3)，=，0時候,R&y能夠取到最大值，所以要求介質(zhì)的流速就必須求 xy(2)(3)，=，0時候,2.2固相濃度的測量原理固相介質(zhì)和氣相介質(zhì)在流化床中具有不同的介 電常數(shù)，所以當(dāng)兩相流通過上下游檢測區(qū)域時，由于 濃度分布的不同，對應(yīng)的電容值也將發(fā)生變化回所 以可以用電容值的大小來衡量流化床中固相介質(zhì)的 濃度。如式(4)所示

11、：Kolid&eff!城=(4),& solid gas式中:!soiid為固相濃度;，solid為固相體積；，為氣相和固 相的總體積;&Dff為氣固混合的等效介電常數(shù)solid為 固相介電常數(shù);&gas為空氣介電常數(shù)。2.3質(zhì)量流量的測量原理固相介質(zhì)在流化床中運動時瞬時的質(zhì)量流量 N(%)可以用式(5)表示：N(%) = DS飽任lid式中:D為常數(shù);+為固相流過的截面積;p為固相介質(zhì) 的密度；為流體的運動速度;0城為固相介質(zhì)的 濃度。對于已設(shè)計好的傳感器和介質(zhì)，+和p都是已知 量,所以式(5)又可以表示為M(t) = Ksolid(6)K值可以通過實驗標定測得，所以可以用叫和 !solid

12、的乘積來衡量質(zhì)量的大小。3內(nèi)循環(huán)流化床實驗的分析實驗以平均粒徑為1 mm的石英玻璃圓珠為檢測 對象，所通氣體為事先經(jīng)空壓機存儲到儲氣罐的室內(nèi) 空氣。氣體從儲氣罐出來經(jīng)三通閥流入2個分別接有 流量計和壓力表的管道,通過改變管道氣體流速實現(xiàn) 流化。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的離散數(shù)據(jù)送到上位 機處理，如圖4所示。圖4實驗裝置3.1上下游區(qū)域一致性實驗根據(jù)互相關(guān)算法的測量原理，當(dāng)介質(zhì)流過上、下 游電極的檢測區(qū)域時，會產(chǎn)生2路相關(guān)系性很強的電 容信號，需要獲取采集信號中最為相似的2個點訶。 所以這2個點在對顆粒流速的計算中起到?jīng)Q定性作 用，這2路信號的相關(guān)性就直接影響流速測量的準確 性。所以實驗需要驗證系統(tǒng)

13、2路信號的一致性，采樣 率設(shè)置為10 kHz。向流化床內(nèi)加入2 L的玻璃顆粒,對左側(cè)氣室通 入流量為10 m0/h、右側(cè)氣體流量為20 m3/h時采集 顆粒流過傳感器兩個電極的電壓值，如圖5所示。從 圖5中發(fā)現(xiàn)上、下游的電容噪聲信號極為相似,且曲線 在時間上存在一定的延時，另一方面也反映出傳感器 的合理性以及系統(tǒng)具有較高靈敏度。3.2相濃度的數(shù)據(jù)分析已測得滿管狀態(tài)下的電壓值1.389 V，空管狀態(tài)下 的電壓值為0.254 V。給定傳感器入口氣體流速為p = 1.24 m/s、Pm = 0. 44 m/s，圖6給出了實際采集的電 壓值。所以由式(4)可以算得介質(zhì)濃度的相對分布, 如圖7所示。從圖

14、中可以看出，濃度的分布隨著介質(zhì)(a)上游電壓值(b)下游電壓值圖5上/下游電壓值在兩氣室中的循環(huán)流動在不斷地變化。由圖6可知， 測得的電壓值變小，是由于流化床床底產(chǎn)生的氣泡導(dǎo) 致的，氣泡越大測得電容值越小，濃度也越小。對比 圖6和圖7發(fā)現(xiàn)，曲線的走勢基本相同，由此可以用歸 一化的電壓值衡量介質(zhì)在流化床中的濃度。(a)上游電壓值(b)下游電壓值圖 6 上、下游電壓值(uf = 1.24 m/s,( = 0.44 m/s)圖 7 相對濃度（綺=1. 24 m/s, m =0. 44 m/s）3.3流速的數(shù)據(jù)分析3.3.1 第一組工況（uf = 0. 89 m/s, um =0. 44 m/s）根據(jù)

15、之前的實驗,氣流流量小于9 m3/h的時候不 能起到流化的效果。所以給定右側(cè)氣室氣流流量為 10 m3/h（氣流流速為0.44 m/s）,左側(cè)為20 m3/h （氣 流流速為0.89 m/s） #由于內(nèi)循環(huán)流化床結(jié)構(gòu)的不規(guī) 則性，所以其運動速度也比較復(fù)雜，在這種情況下抽 樣了 102 400個數(shù)據(jù)進行分析，由上文中的互相關(guān)算 法，可以計算出該工況下的顆粒的流速。選擇的采樣 頻率為10 kHz,上、下游電極間的距離L = 6 mm,8 = 1 024,當(dāng)N = 1 024時將數(shù)據(jù)分成了 100組，運用相關(guān) 算法在MATLAB中可以計算出流體的速度，從100組 中隨機抽取了一組數(shù)據(jù)。運用相關(guān)算法計

16、算，當(dāng)相關(guān) 性最大的時候?qū)?yīng)的延時幀數(shù)為150幀，所以,= 0.015 s, = 0. 4 m/s。圖8給出了 100組數(shù)據(jù)的流體速度，可以看出：顆 粒在擋板式內(nèi)循環(huán)流化床中運動的速度是不規(guī)則的; 介質(zhì)流動過程中某一時間內(nèi)顆粒速度是保持恒定的； 在這種工況下顆粒的速度基本都小于0.5 m/s。0.5 r圖8圖8隨時間變化的流速曲線（f = 0.89 m/s,（ = 0.44 m/s） 3.3.2 第二組工況（u = 1.24 m/s,um =0.44 m/s）圖9為給定右側(cè)氣室流量為14 m3/h （氣體流速 為0.44 m/s）,左側(cè)流量為28 m3/h（流速為1.24 m/s）(TS -

17、UI)、取瑕時,顆粒在擋板式流化床中的運動情況。同樣抽樣 102 400幀數(shù)據(jù)，可以看出：顆粒的最大速度相比于工 況一增大,但是顆粒的速度基本都小于0.9 m/s； 段 時間內(nèi)，顆粒速度也是恒定的。(TS(TSUI)逾增圖 9 流速數(shù)據(jù)（F = 1.24 m/s、（m = 0.44 m/s）由工況一（如圖8）和工況二（如圖9）的分析可 知，提高流化床中氣體的流速可以提高介質(zhì)運動速 度，且在某一時間段內(nèi)顆粒是流速維持恒定，但是介 質(zhì)最大速度比氣體的最大速度要小，同時也反映了能 量在不斷地轉(zhuǎn)移。3.4內(nèi)循環(huán)流化床內(nèi)質(zhì)量流量的分析在工況二的情況下對介質(zhì)運動過程中的質(zhì)量流 量進行研究分析。由于傳感器中擋板下方介質(zhì)流過 的截面是50 mm X 25 mm的通道，介質(zhì)的密度為 1 640 kg/m3，所以由式（6）可以算出介質(zhì)的瞬時 M（t），如圖10所示。1-2 r質(zhì)量流量1.0 -1.024 2.048 3.072 4.096 5.120 6.144 7.168 8.192 9.216 10.240 時間/s圖10瞬時質(zhì)量流量從圖10瞬時質(zhì)量流量的曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)，曲線 走勢與介質(zhì)的流速曲線相似，但質(zhì)量流量沒有出現(xiàn)恒 定的現(xiàn)象。因