氣固兩相流傳感器靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

氣固兩相流傳感器靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

在氣輸過(guò)程中，由于碰撞和摩擦，粉末表面產(chǎn)生電，或通過(guò)人工負(fù)荷法穩(wěn)定表面上的電，形成管道中的電流。電流的流動(dòng)特性與粉末的流動(dòng)參數(shù)直接相關(guān)。假設(shè)粉末材料和輸運(yùn)氣體在管道中形成穩(wěn)定的氣固相流，并將粉末顆粒的徑向路徑均勻地分配，則可以看出，每個(gè)粉末微的電流在環(huán)形電極幾何軸的運(yùn)行方向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)每個(gè)微的電壓電子團(tuán)被認(rèn)為是電壓電子團(tuán)，或通過(guò)電極裝置產(chǎn)生的電壓電子團(tuán)的感知信號(hào)反映電壓電子團(tuán)的特性。利用帶電小國(guó)模擬電離作用，在實(shí)驗(yàn)中研究傳感器的特性。1傳感器的靜電感應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)1.1參考感應(yīng)信號(hào)的輸出靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,整個(gè)系統(tǒng)由兩套靜電傳感器構(gòu)成,一套為參考傳感器,另一套為實(shí)驗(yàn)傳感器.絕緣管和固定幾何尺寸的參考電極構(gòu)成了參考傳感器的敏感部件即探頭,用以提供參考感應(yīng)信號(hào)的輸出;絕緣管和可變幾何尺寸的實(shí)驗(yàn)電極構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)傳感器的探頭,用以提供實(shí)驗(yàn)感應(yīng)信號(hào)的輸出.參考探頭和實(shí)驗(yàn)探頭同軸連接,兩個(gè)探頭的絕緣管內(nèi)徑及電極直徑均分別相同.兩探頭垂直放置,在其正上方有一絕緣漏斗,漏斗的出口在探頭的幾何軸線上.當(dāng)帶電小球由漏斗落下,通過(guò)兩探頭時(shí),將分別產(chǎn)生參考感應(yīng)信號(hào)和實(shí)驗(yàn)感應(yīng)信號(hào)的輸出.所有探頭裝入金屬罩之內(nèi)進(jìn)行屏蔽,利用同軸屏蔽電纜線將兩探頭感應(yīng)的信號(hào)分別引入性能參數(shù)相同的前置處理電路單元,并將它們的輸出引入信號(hào)分析儀進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理及顯示.1.2極上感應(yīng)荷量測(cè)量電路流經(jīng)探頭的粉體電荷產(chǎn)生空間電場(chǎng),該電場(chǎng)穿透絕緣管,在電極上產(chǎn)生感應(yīng)電荷.感應(yīng)電荷的量隨著探頭感應(yīng)區(qū)域中電場(chǎng)的變化而改變.假設(shè)粉體電荷在電極上的感應(yīng)電荷為q(t),則輸出電壓的測(cè)量可由圖2所示的電路表示.其中R表示測(cè)量回路的等效電阻;C表示測(cè)量回路的等效電容.假設(shè)電路的初始狀態(tài)均為零,則輸出電壓的拉氏變換U(S)和感應(yīng)電荷的拉氏變換Q(S)之間的關(guān)系為U(S)=RSQ(S)/(RCS+1),(1)U(S)=RSQ(S)/(RCS+1),(1)當(dāng)|RCS|?1時(shí),感應(yīng)電荷的測(cè)量模型為u(t)≈Rq′(t).(2)u(t)≈Rq′(t).(2)1.3u3000實(shí)驗(yàn)過(guò)程在傳感器感應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)裝置中,漏斗出口至參考電極中心距離為200mm,參考電極中心至實(shí)驗(yàn)電極中心的距離為250mm,參考電極的長(zhǎng)度為30mm,實(shí)驗(yàn)電極的長(zhǎng)度可變,探頭內(nèi)徑為50mm,點(diǎn)電荷由直徑為3mm的塑料帶電小球模擬.將小球輕輕放在漏斗出口處,小球自由下落并沿軸線通過(guò)探頭,在參考傳感器和實(shí)驗(yàn)傳感器輸出如圖3所示幅值為u的信號(hào),圖中實(shí)線表示為參考感應(yīng)信號(hào),虛線表示實(shí)驗(yàn)感應(yīng)信號(hào).重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)可觀察到u的變化很大,這是由于每次實(shí)驗(yàn)時(shí)小球的帶電量不同而造成的;另外還可觀察到每次實(shí)驗(yàn)中,信號(hào)形狀沿時(shí)間軸沒(méi)有變化,這是因?yàn)槊看螌?shí)驗(yàn)時(shí),小球通過(guò)參考電極和測(cè)試電極的速度分別保持恒定的緣故.假設(shè)每次實(shí)驗(yàn)中以參考信號(hào)的最大幅值為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)實(shí)驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理,則根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,歸一化信號(hào)具有非常好的重復(fù)性,它的幅值與小球的帶電量無(wú)關(guān).因此可通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)電極的長(zhǎng)度,利用它們的歸一化信號(hào)來(lái)研究電極的特性.根據(jù)式(2),將歸一化的電壓信號(hào)積分即可得到歸一化的感應(yīng)電荷信號(hào)q.保持參考電極與實(shí)驗(yàn)電極中心距離不變,改變實(shí)驗(yàn)電極的長(zhǎng)度分別為90mm,60mm,30mm,15mm和5mm時(shí)進(jìn)行測(cè)量,得到q如圖4所示.圖中點(diǎn)電荷的速度相同,因此可用時(shí)間表示軸向位置關(guān)系.2傳感器性能2.1粉粒體荷流傳感器的等效原理傳感器由探頭和前置放大器串聯(lián)構(gòu)成,因此傳感器的頻率響應(yīng)為兩部分頻率響應(yīng)的乘積.探頭環(huán)形電極所感應(yīng)的電荷是敏感區(qū)域中所有粉粒體電荷在電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷的總和,它對(duì)粉粒體電荷流信號(hào)有平滑作用,相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器,而根據(jù)式(1),前置放大器為高通濾波器,因此傳感器相當(dāng)于帶通濾波器.若前置放大器的參數(shù)不變,則系統(tǒng)頻率響應(yīng)由探頭電極確定.不妨假設(shè)式(1)中的R=1Ω,當(dāng)電極的長(zhǎng)度分別為90mm,60mm和15mm時(shí)傳感器的相對(duì)幅度響應(yīng)uR如圖5所示,圖中粉粒體電荷經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探頭的速度為1m/s.從圖中可看出,電極的長(zhǎng)度越短,傳感器頻帶寬度越大,可反映的粉粒體電荷流信號(hào)頻率越豐富,但uR卻降低了.2.2流體噪聲信號(hào)模型較高的傳感器輸出信號(hào)功率可降低對(duì)后續(xù)信號(hào)處理設(shè)備的要求,因此在傳感器設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡可能地提高輸出信號(hào)的功率.假設(shè)傳感器的輸入信號(hào)功率為pi,輸出信號(hào)功率為po,定義傳感器的能量傳遞系數(shù)kp=po/pi.(3)kp=po/pi.(3)該系數(shù)越大,表示在單位功率輸入信號(hào)作用下傳感器的輸出信號(hào)功率越強(qiáng).粉體靜電傳感器感受到的是粉體電荷流的流動(dòng)噪聲,當(dāng)粉體電荷流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),其流動(dòng)噪聲可看作平穩(wěn)、遍歷的隨機(jī)過(guò)程.假設(shè)Si(f)是流體流動(dòng)噪聲信號(hào)的功率譜,H(f)是傳感器的頻率響應(yīng),則輸出信號(hào)的功率譜So(f)=Si(f)|H(f)|2.So(f)=Si(f)|Η(f)|2.若Si(f)為常數(shù),則傳感器的能量傳遞系數(shù)為kp=∫B0S0(f)df/∫b0Si(f)df=1b∫B0|H(f)|2df?kp=∫0BS0(f)df/∫0bSi(f)df=1b∫0B|Η(f)|2df?式中,B為傳感器的高頻截止頻率;b為流動(dòng)噪聲信號(hào)的高頻截止頻率(b≥B).由于傳感器的時(shí)間常數(shù)較難達(dá)到足夠的大,因此式(2)可作為粉體感應(yīng)電荷的測(cè)量模型,若固定傳感器的前置放大器,則式(2)中的R可看作常數(shù),因而傳感器的能量傳遞系數(shù)將由電極的尺寸確定.不妨假設(shè)R=1