稀相气固两相流探针声检测方法的测量信号特征分析*

王 超，徐占艳，秦伟刚，康旭冰

(天津大学电气与自动化工程学院天津市过程检测与控制重点实验室，天津300072)

0 引言

气固两相流广泛地应用于电力、化工、食品处理、钢铁、冶金、机械制造、医药、饲料等工业生产过程中，因此，气固两相流流动参数的准确测量对于提高生产率，生产部门的节能减排具有积极的意义。

利用固体颗粒碰撞的声信号检测气固两相流参数的方法具有检测灵敏、结构简单、造价低的特点。很多研究者针对不同条件下获取的声信号，对其与两相流流动参数之间的关系开展了研究。研究发现，对于流化床，安装于分布板上方的外侧声检测传感器获得的颗粒撞击壁面的声波信号的主频位置变化可以进行颗粒平均粒径的测定［1，2］。对于粉料的管道气力输送，浙江大学石喜光通过在管道弯曲处外侧的声传感器检测固体颗粒撞击管道产生的声信号获得气固两相流的质量分数［3］。为了使信号特征更加明显，减少外界干扰的影响，在管道中插入探针，通过检测固相颗粒撞击探针产生的声信号来分析气固两相流的参数的方法受到了很多研究者的关注。Meunier B M将探针的一端与加速度传感器相连接测量探针的振动，通过神经网络建立了振动信号与两相流参数的关系［4］。Hancke G P通过具有一组不同尺寸结构的探针测量声波信号，结合神经网络确定粒径的分布［5］。目前，基于声检测的气固两相流测量仍没有确定的模型，主要是根据数据分析方法得到两相流参数与声波信号之间的关系，所以，设计合理的传感器结构，并确定声信号的特征显得尤为重要。

1 声检测传感器设计

本文设计了一种新的传感器，探针截面为正方形，采用图1所示方式插入管道，该结构可减少固相颗粒撞击反弹后的再次撞击对测量结果的影响。

图1 探针截面示意图Fig 1 Cross section diagram of probe

为了防止声检测传感器被磨损，将其置于管壁外，传感器结构示意图如图2(a)所示，实物图如图2(b)所示。该传感器由探针、压电式声传感器及其信号处理模块组成，当具有一定速度的固相颗粒撞击探针时，探针产生振动，由置于探针平台的压电式声传感器检测振动产生的声波信号。

图2 传感器结构和实物图Fig 2 Structure and physical picture of sensor

2 信号特征规律的实验分析

为了研究该传感器的测量规律，搭建了如图3所示的测量平台。实验分别选取了小米颗粒与石英砂作为实验颗粒，颗粒速度的改变是通过改变漏斗与传感器探针的相对位置实现的。声波信号的采样频率为1 MHz。

图3 实验平台示意图Fig 3 Diagram of experimental platform

2.1 单颗粒下落碰撞实验

粒径为0.5mm的单个小米，分别由10，20cm高度下落撞击探针产生声信号及其频谱如图4和图5所示。由图可知，撞击过程很短，撞击产生的声波信号呈现出振荡衰减形态，且高度越大，声信号主频的幅值越大，但是主频位置不随着速度的改变而改变。

图5 下落高度20 cm的声波信号及其频谱Fig 5 Acoustic wave signal and spectrogram while dropping from 20 cm height

2.2 多颗粒下落碰撞实验

下落高度为10 cm，多个小米颗粒下落碰撞探针，声信号及其频谱如图6所示。从图6可以得出:多个颗粒连续下落时，声波信号的主频位置并未改变。

2.3 声波信号主频分析

根据实验结果的分析可以看出:声信号的主频的位置不随着固体颗粒撞击的速度和固体颗粒个数多少的改变而改变，该主频位置应是由固相颗粒撞击探针，而激发的探针以其固有频率为主的振动而决定的。为了进一步分析，将该传

图6 下落高度10 cm的声波信号及其频谱Fig 6 Acoustic wave signal and spectrogram while dropping from 10 cm height

其中，I为探针截面积的惯性矩;L为探针的长度;S为探针的横截面积;ρ0为探针的密度;A为共振模态系数，前三阶的自振频率的系数分别为:1.8752，4.6942和7.8552。

考虑到实际的系统是带有阻尼的，那么主频是探针固有频率附近的频率，且随着阻尼的增大而减小。通过对实验中所用探针固有频率的计算可以得出，声信号的主频主要集中在一阶自振频率的附近，之后提到的主频指的也是一阶自振频率。以此估计撞击产生的声信号的主频的位置，并进一步确定气固两相流的固相颗粒速度与质量分数和主频幅值的关系。

3 管道实验信号分析

在天津大学多相流实验室气固两相流实验装置上进行实验，整个实验系统的结构图如图7所示。实验管道直径为50 mm，实验用固料为石英粉末，平均粒径为100μm。通过调节螺旋给料机的电机转速，可以实现不同的固气质量分数配比。实验所用的气流量调节范围为160～240 m3/h。

图7 气固两相流实验装置Fig 7 Experimental device of gas-solid two-phase flow

3.1 探针尺寸选择

实验采用3种尺寸的探针进行实验，分别为探针1:长度为35 mm，边长为5 mm;探针2:长度为45 mm，边长为5 mm;探针3:长度为15mm，边长为5mm。实验的固气质量比为0.6，气流量为200 m3/h，采集时间为10 s。图8(a)，(b)，(c)分别为3种探针的频谱图。

图8 不同探针的频谱Fig 8 Spectrogram of different probes

从图8(a)，(b)可以看出:不同结构的探针在同一速度和质量分数下的主频是不一样的。探针1的主频为16.38 kHz，探针2的主频为11.52 kHz。考虑到探针的安装方式会影响其实际的自振频率，所以，可以通过对比不同探针采集的声信号主频之间的关系来验证主频是否满足式(1)。理论上，探针的自振频率与长度的平方呈反比，与探针的直径呈正比，那么，探针1与探针2的主频的比值为1.65，实验测得的声信号主频比值为1.42。考虑到探针制造时存在的尺寸误差和安装造成的不同，可以通过式(1)来确定声信号主频的位置。从图8(c)可以看出:主频主要集中在高频92 kHz附近，同时由探针1和探针2的频谱也可以看出含有此部分的频率成分，结合探针3的时域信号图可以看出:探针3声信号的时域信号不具有声信号的衰减特征，说明探针3采集到的信号很大部分不是撞击产生的声信号，而是外界的干扰信号。结合管道固体颗粒速度的分布特点，可以得到靠近管道的位置固体颗粒的速度较小，探针3插入深度较小，被固体颗粒撞击到的概率相应很小。由此也可以确定出外界干扰信号的频段，进而在后续的实验分析中采用滤波提取出声信号。

通过3种尺寸探针的频谱图还可以看出:探针1在高频干扰90～100 kHz频段的幅值较小，主频的成分占有的比重更大。所以，认为探针1的长度更适合管道实验的分析。

3.2 主频与质量分数、速度的关系

仅安装探针1进行不同质量分数和速度的实验，观察不同质量分灵敏与速度、主频的影响。图9为气流量分别为160，200 m3/h的声波信号的频谱，可以看出声波信号的频谱分布是相似的，主频的位置接近，气流量越大，主频的幅值越大。图10为固气质量分数分别为40%与100%声波信号的频谱，从图中也可以得到与图9一致的结论。所以，可以通过分析主频幅值与速度、质量分数的关系获得两相流的信息。

图9 气流量为160 m3/h与200 m3/h的频谱图Fig 9 Spectrogram of gas flows are 160 m3/h and 200 m3/h

图10 固气质量分数为40%和100%的频谱图Fig 10 Spectrogram of solid-gas mass fraction are 40%and 100%

4 结论

本文设计了基于插入式探针声检测原理的气固两相流参数检测的传感器，并对其检测到的声信号特征进行了实验研究。通过对单颗粒固体与多颗粒撞击产生声信号的分析，得到声信号的主频位置决定于探针的结构，与固相颗粒的速度和个数的多少无关。通过管道实验声信号分析，确定了适合管道实验的探针尺寸。通过进一步改变两相流速度、质量分数，可以得出，随着固相颗粒的速度变大，主频的幅值变大;反之，变小。随着两相流质量分数的变大，主频的幅值变大。通过实验结果分析发现:主频幅值与固相颗粒的速度和两相流的质量分数的关系可望应用于气固两相流的参数检测方面。

［1］侯琳熙，王靖岱，阳永荣，等.气固流化床中声发生机理及在工业装置中的应用［J］.化工学报，2005，56(8):1474-1478.

［2］王靖岱，曹翌佳，任聪静，等.气固流化床中声发射和流动模式关系［J］.化工学报，2007，58(7):1714-1717.

［3］石喜光，周 昊，岑可法.基于超声波方法的管内气固两相流浓度测量技术［J］.热力发电，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］刘晶波，杜修力.结构动力学［M］.北京:机械工业出版社，2005:160-165.