楊斌，何淵，周騖，姜勇俊，蔡小舒

(上海理工大學(xué) 顆粒與兩相流測(cè)量研究所，上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200093)

濃度對(duì)光脈動(dòng)法氣固兩相流顆粒粒徑測(cè)量的影響

楊斌，何淵，周騖，姜勇俊，蔡小舒

(上海理工大學(xué) 顆粒與兩相流測(cè)量研究所，上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200093)

針對(duì)工業(yè)應(yīng)用中氣固兩相流濃度對(duì)光脈動(dòng)(LTF)顆粒粒徑測(cè)量方法的影響問題，通過對(duì)比濃度基本不變及濃度時(shí)刻變化的光脈動(dòng)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(dòng)法顆粒粒徑優(yōu)化算法，并將該算法用于濃度時(shí)刻變化的光脈動(dòng)法數(shù)據(jù)處理中。研究結(jié)果表明：優(yōu)化算法結(jié)果與激光粒度儀離線測(cè)量結(jié)果相對(duì)偏差改進(jìn)到12%內(nèi)，且標(biāo)準(zhǔn)差降低為11.3 μm，由此驗(yàn)證了該算法可有效減小濃度對(duì)光脈動(dòng)法測(cè)量結(jié)果的影響，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

氣固兩相流；在線測(cè)量方法；光脈動(dòng)法；顆粒粒徑；濃度影響

氣固兩相流氣力輸運(yùn)廣泛存在于能源、環(huán)境和化工領(lǐng)域中，其過程的優(yōu)化控制與運(yùn)行需實(shí)現(xiàn)氣固兩相流參數(shù)的實(shí)時(shí)在線測(cè)量[1?2]。顆粒的粒徑為其中最重要的參數(shù)之一，直接影響氣固兩相流流動(dòng)情況、氣力輸運(yùn)能力等[3?4]。目前，氣固兩相流顆粒的粒徑在線測(cè)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(dòng)法(light transmission fluctuation, LTF)是利用透射光強(qiáng)隨機(jī)變化規(guī)律結(jié)合光散射理論的氣固兩相流顆粒粒徑測(cè)量方法[8?10]，因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，更適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的在線監(jiān)測(cè)。目前，光脈動(dòng)法已在電站鍋爐煤粉氣力輸運(yùn)、水泥生料制備輸運(yùn)、石油化工催化劑添加等領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用探索[11?13]。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于工業(yè)過程中氣固兩相流中顆粒濃度通常時(shí)刻發(fā)生變化，隨濃度變化造成的光強(qiáng)脈動(dòng)會(huì)與因顆粒大小造成的光強(qiáng)脈動(dòng)疊加，造成光脈動(dòng)法顆粒粒徑測(cè)量結(jié)果偏大，給測(cè)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性都帶來不利影響[14]。針對(duì)這一問題，本文作者通過對(duì)比濃度基本不變及濃度時(shí)刻變化的光脈動(dòng)信號(hào)來研究濃度變化對(duì)光脈動(dòng)法顆粒粒徑測(cè)量的影響，并提出消除濃度變化影響方法，以提高光脈動(dòng)法測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1　光脈動(dòng)法測(cè)量原理

光脈動(dòng)法氣固兩相流顆粒粒徑測(cè)量基本原理是：當(dāng)光束照射氣固兩相流時(shí)，照亮測(cè)量區(qū)域內(nèi)的顆粒數(shù)隨時(shí)間變化，造成透射光強(qiáng)出現(xiàn)脈動(dòng)信號(hào)。將不同時(shí)刻光束照亮測(cè)量區(qū)域內(nèi)的顆粒數(shù)作為隨機(jī)事件，建立顆粒粒徑及顆粒數(shù)與透射光強(qiáng)的關(guān)系，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣固兩相流顆粒粒徑的在線測(cè)量。

光脈動(dòng)法測(cè)量原理示意圖如圖1所示。由圖1可見：當(dāng)一束平行單色光照射氣固兩相流被測(cè)顆粒時(shí)，由于顆粒的散射和吸收，透射光強(qiáng)將會(huì)衰減，衰減量符合Beer?Lambert定律，即

其中：Γ為對(duì)數(shù)透射率，為透射光強(qiáng)It與入射光強(qiáng)I0的對(duì)數(shù)比；L為測(cè)量光束在測(cè)量區(qū)內(nèi)的光程，m；N為單位體積顆粒數(shù)濃度，m3，當(dāng)光束面積為A時(shí)，該時(shí)刻激光照射顆粒數(shù)n=NAL；D為顆粒的平均粒徑，m；kext為消光系數(shù)，它是入射光波長(zhǎng)λ、顆粒平均粒徑D和顆粒相對(duì)折射率m的函數(shù)，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(shí)刻被照射顆粒數(shù)n也會(huì)相應(yīng)減小，當(dāng)n減至一定程度時(shí)，呈現(xiàn)隨機(jī)性，相應(yīng)的透射光強(qiáng)It出現(xiàn)脈動(dòng)信號(hào)。可以認(rèn)為n符合泊松分布，可得E(n)=D(n)。因此，可以建立對(duì)數(shù)透射率Γ與顆粒數(shù)n之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系：

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

因此，通過測(cè)量入射光強(qiáng)與透射光強(qiáng)信號(hào)，依據(jù)建立的顆粒粒徑與光脈動(dòng)信號(hào)的關(guān)系，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣固兩相流顆粒粒徑的在線測(cè)量。

2　測(cè)量系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)裝置

圖2　光脈動(dòng)法顆粒粒徑在線測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of in-line particle size measurement system based on LTF

光脈動(dòng)法氣固兩相流顆粒粒徑在線測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。由圖2可見：測(cè)量探針采用凹槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，激光器由探針座發(fā)出，經(jīng)小孔照射測(cè)量區(qū)域后，由探測(cè)器接收，利用計(jì)算機(jī)記錄光脈動(dòng)信號(hào)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(shè)計(jì)氣固兩相流裝置如圖3所示，將煤粉裝入料倉(cāng)，通過調(diào)節(jié)閥門開口截面來改變煤粉下料質(zhì)量，以模擬不同濃度的煤粉氣固兩相流。

圖3　實(shí)驗(yàn)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(dòng)信號(hào)現(xiàn)象分析

實(shí)驗(yàn)獲得濃度基本不變及濃度時(shí)刻變化的光脈動(dòng)信號(hào)如圖4所示。由圖4可以看出：對(duì)于濃度基本不變的信號(hào)，其頻率較高，且在均值附近波動(dòng)，其幅值較??；對(duì)于濃度時(shí)刻變化的信號(hào)，其存在高頻信號(hào)的同時(shí)，還出現(xiàn)低頻大幅波動(dòng)。因此，2種條件下光脈動(dòng)信號(hào)頻譜存在明顯差異。

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

圖5　信號(hào)振幅譜圖Fig. 5 Schematic of signal amplitude spectrum

3.2頻譜分析

對(duì)這2組典型信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(fast Fourier transformation, FFT)振幅譜分析，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出：當(dāng)頻率大于75 Hz時(shí)，2種濃度下光脈動(dòng)信號(hào)振幅幅值基本相當(dāng)；當(dāng)頻率小于75 Hz時(shí)，2種濃度下光脈動(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)，對(duì)于大于75 Hz的光脈動(dòng)信號(hào)可以認(rèn)為是顆粒流經(jīng)測(cè)量區(qū)域造成。進(jìn)一步分析頻率小于75 Hz光脈動(dòng)信號(hào)頻譜，對(duì)于濃度時(shí)刻變化條件下的光脈動(dòng)信號(hào)，頻譜幅值隨著頻率的減小而大幅增大，可以認(rèn)為這是由于濃度變化造成信號(hào)低頻大幅值變化。而對(duì)于濃度基本保持不變條件下的光脈動(dòng)信號(hào)，大部分頻譜幅值與高于75 Hz的頻譜幅值相當(dāng)，可以認(rèn)為這是大顆粒或多個(gè)顆粒疊加所造成，而對(duì)于低于10 Hz頻率頻譜幅值仍較大的情況，是因?yàn)榇藭r(shí)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(dòng)信號(hào)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(shù)學(xué)關(guān)系模型有待進(jìn)一步研究。在目前的工業(yè)應(yīng)用中，閾值的確定方法是將一段時(shí)間的原始信號(hào)進(jìn)行分析，結(jié)合取樣分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最終確定這一閾值頻率。

3.3算法優(yōu)化

以75 Hz作為因濃度變化造成光脈動(dòng)信號(hào)頻率變化的低頻閾值頻率對(duì)濃度變化條件下的光脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，如圖6所示。由圖6可以看出：高頻部分信號(hào)可認(rèn)為因顆粒流經(jīng)測(cè)量區(qū)域造成，可以用作顆粒粒徑計(jì)算以提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；對(duì)于低頻部分，主要是因?yàn)闈舛茸兓斐伤p強(qiáng)度的低頻變化，對(duì)于粒徑計(jì)算應(yīng)予以消除，但對(duì)于雙光束光脈動(dòng)法相關(guān)原理測(cè)量顆粒速度來說，用其作為分析信號(hào)可以有效提高互相關(guān)計(jì)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(cè)量?jī)?yōu)化算法，即采用高通濾波方式預(yù)先對(duì)光脈動(dòng)原始信號(hào)進(jìn)行處理后再計(jì)算顆粒粒徑。

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

3.4對(duì)比驗(yàn)證

將優(yōu)化算法應(yīng)用于42組濃度變化條件下光脈動(dòng)信號(hào)的處理，對(duì)比通過原始算法與優(yōu)化算法處理結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：通過原始算法處理的42組測(cè)量結(jié)果平均值為87.78 μm，標(biāo)準(zhǔn)差為18.80 μm；通過優(yōu)化算法處理的42組測(cè)量結(jié)果平均值為52.70 μm，標(biāo)準(zhǔn)差為11.30 μm。選取樣品煤粉，利用激光粒度儀(Malvern APA2000)對(duì)煤粉顆粒粒度進(jìn)行測(cè)量，典型測(cè)量結(jié)果如圖8所示，因基于光脈動(dòng)法測(cè)量所得結(jié)果為顆粒的平均粒徑，取激光粒度儀5次平均粒徑測(cè)量結(jié)果的平均值(47.49 μm)作為對(duì)比參考值進(jìn)行分析。

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

圖8　激光粒度儀測(cè)量結(jié)果圖Fig. 8 Measurement result of pulverized coal by particle size analyzer

將原算法與優(yōu)化算法處理結(jié)果與參考值對(duì)比，如表1所示。由表1可以看出：對(duì)于濃度改變條件下的光脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化算法可使處理結(jié)果與平均值的相對(duì)偏差降低到10.9%，有效提高了測(cè)量準(zhǔn)確性；另外，優(yōu)化算法使42組測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差降為11.30 μm，有效提高了測(cè)量的穩(wěn)定性。

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

4　結(jié)論

1) 通過對(duì)比濃度基本不變與時(shí)刻改變情況下光脈動(dòng)法透射信號(hào)特征發(fā)現(xiàn)：因濃度變化造成的光脈動(dòng)信號(hào)具有低頻高幅值特征，因粒徑變化造成的信號(hào)具有高頻低幅值特征。

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

3) 通過激光粒度儀測(cè)量對(duì)比，驗(yàn)證了優(yōu)化算法可有效減小濃度對(duì)光脈動(dòng)法測(cè)量結(jié)果的影響，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

[1] 車得福, 李會(huì)雄. 多相流及其應(yīng)用[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2007: 3?50. CHE Defu, LI Huixiong. Multiphase flow and its applications[M]. Xi’an: Xi’an Jiaotong University Press, 2007: 3?50.

[2] 滕汜穎, 李永光, 周偉國(guó), 等. 氣固兩相流動(dòng)測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J]. 上海電力學(xué)院學(xué)報(bào), 2002, 18(4): 39?43. TENG Siying, LI Yongguang, ZHOU Weiguo, et al. Present & prospective techniques for gas-solid two-phase flow measurement[J]. Journal of Shanghai University of Electric Power, 2002, 18(4): 39?43.

[3] 王乃寧. 顆粒粒徑的光學(xué)測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 原子能出版社, 2000: 370?374. WANG Naining. Optical measurement techniques and applications for particle size[M]. Beijing: Atomic Press, 2000: 370?374.

[4] 林宗虎, 王棟, 王樹眾, 等. 多相流的近期工程應(yīng)用趨向[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 35(9): 886?890. LIN Zonghu, WANG Dong, WANG Shuzhong, et al. Recent trend towards engineering application of multiphase flow[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2001, 35(9):886?890.

[5] 蔡小舒, 蘇明旭, 沈建琪. 顆粒粒度測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010: 336?355. CAI Xiaoshu, SU Mingxu, SHEN Jianqi. Measurement techniques and applications for particle size[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2010: 336?355.

[6] 田昌, 蘇明旭, 蔡小舒. 基于超聲法測(cè)量氣固兩相流濃度實(shí)驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2013, 34(8): 1487?1490. TIAN Chang, SU Mingxu, CAI Xiaoshu. Particle concentration characterization in gas-solid two-phase flow by ultrasonic methods[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2013, 34(8): 1487?1490.

[7] 張晶晶, 范學(xué)良, 蔡小舒. 單幀單曝光圖像法測(cè)量氣固兩相流速度場(chǎng)[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2012, 33(1): 79?82. ZHANG Jingjing, FAN Xueliang, CAI Xiaoshu. Measurement for velocity field of gas-solid two phase flow using single frame and single exposure imaging[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2012, 33(1): 79?82.

[8] SHIFRIN K S, SAKHAROV A N. Determination of the average size and concentration of suspended particles from intensity fluctuations of transmitted light[J]. Optics and Spectroscopy, 1975, 39(2): 208?210.

[9] GREGORY J. Turbidity fluctuations in flowing suspensions[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 1985, 105(2): 357?371.

[10] QIN Shouxuan, CAI Xiaoshu. Indirect measurement of the intensity of incident light by the light transmission fluctuation method[J]. Optics Letters, 2011, 36(20): 4068?4070.

[11] CAI Xiaoshu, LI Junfeng, OUYANG Xin, et al. In-line measurement of pneumatically conveyed particles by a light transmission fluctuation method[J]. Flow Measurement and Instrumentation. 2005, 16(5): 315?320.

[12] 蔡小舒, 李俊峰, 歐陽(yáng)新, 等. 光脈動(dòng)法煤粉實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)展[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 30(6): 38?42. CAI Xiaoshu, LI Junfeng, OUYANG Xin, et al. Progress on on-line monitoring of pulverized coal in power station based on LTF[J]. Journal of North China Electric Power University, 2003, 30(6): 38?42.

[13] 蔡小舒, 李俊峰, 歐陽(yáng)新, 等. 在美國(guó)Bull Run電廠900 MW鍋爐上風(fēng)粉在線測(cè)量試驗(yàn)[J]. 熱力發(fā)電, 2005, 34(5): 24?26, 64. CAI Xiaoshu, LI Junfeng, OUYANG Xin, et al. On-line measurement test of air/fuel for 900 MW boiler in bull run power plant of USA[J]. Thermal Power Generation, 2005, 34(5): 24?26, 64.

[14] 黃春燕, 蔡小舒, 趙志軍, 等. 電站煤粉光脈動(dòng)信號(hào)的小波分析及粒度計(jì)算[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2004, 25(增2): 507?508, 524. HUANG Chunyan, CAI Xiaoshu, ZHAO Zhijun, et al. Wavelet analysis and granularity calculation of coal powder fluctuating light signals at power plant[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2004, 25(Suppl 2): 507?508, 524.

[15] 王亞偉. 光散射理論及其應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2007: 21?47. WANG Yawei. Light scattering theory and its application technology[M]. Beijing: Science Press, 2007: 21?47.

[16] 項(xiàng)建勝, 何俊華. Mie光散射理論的數(shù)值計(jì)算方法[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2007, 28(3): 363?366. XIANG Jiansheng, HE Junhua. Numerical calculation of Mie theory[J]. Journal of Applied Optics, 2007, 28(3): 363?366.

(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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50836003)；上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目(13DZ2260900)；上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃項(xiàng)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(cè)量方法研究；E-mail: zhouwu@usst.edu.cn