基于静电法的烟尘流速检测技术

王茂杰,杨 帆,胡红利,卢家宇,蔡和睿

(西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室,陕西 西安 710049)

随着人类工业技术的不断发展,工业废气所带来的大气污染也越来越引起环保人士的重视。此外,随着燃油汽车的不断增长,汽车尾气对大气环境的危害也在不断增强,因此,对烟气的排放进行检测对于环境保护具有重要意义。烟尘流速可以反映烟尘排放流量,及时了解除尘装置收尘情况,可以使除尘装置保证在最佳状态运行,对于全面、正确地掌握污染源的排放状况及改善大气环境具有重要的现实意义[1-3]。

传统的烟气流速检测方法有基于两相流中移动颗粒电介质特性的电学测量法[4-5],基于射线、声波、微波、光学原理的衰减法[6],基于声波、微波、核磁等原理的共振法[7-8],基于不同原理的层析成像法[9],这些传统的检测方法存在输出信号较弱、现场干扰较大、价格昂贵、算法复杂等缺点,在使用上存在一定局限性。烟气的成分主要为气固两相流,在被传送过程中固体颗粒因为碰撞与摩擦等因素,表面会产生电荷,使用静电传感器可以检测到气固两相流中的静电信号,该静电信号可用于分析气固两相流的参数。Mathur和Klinzing最早提出将静电传感器和有关技术相互结合测量气固管道中固体颗粒物速度[10]。Shao等人在测量锅炉气力输送管道内部固体颗粒速度时,创新性地使用了插入式和环形静电传感器[11]。关于利用气固两相流的静电信号结合静电传感器的空间滤波特性进行颗粒物速度测量方面,Xu等人对静电传感器的测量机理和频率特性进行研究,定量分析电极长度、传感器绝缘管道长度和厚度等传感器参数对其空间滤波特性的影响,由此得出管道内固体颗粒的流速与静电传感器所检测得到的静电信号频率峰值成正比的结论[12]。付飞飞等人提出一种阵列式静电传感器,运用有限元法系统分析了该传感器灵敏度的分布特性,利用FFT变换和近似熵方法分别得到阵列传感器输出静电信号的频谱特性和近似熵值,再结合静电传感器的空间滤波特性进行流速的计算[13]。

在现有研究基础上,本文通过对静电传感器采集到的静电信号采用基于希尔伯特-黄(Hilbert-Huang)变换的信号处理方法,提取特征参量,利用空间滤波效应计算固体颗粒的流动速度,并在气力输送装置上进行实验分析,该方法对烟气流速检测技术有较大提升。

1 空间滤波测速原理

探针式静电传感器安装及测量原理如图1所示,测量系统主要由传感探头和接口电路构成。带电颗粒分布在传感器敏感空间,因为其静电感应可以在探针电极上产生感应电荷和感应电势。颗粒在不同空间位置时,静电传感器感应到的电荷和电势也不同,感应电荷与源电荷的比值为传感器的空间灵敏度,因此,传感器对处于不同的空间位置上的源电荷有一个特定的空间灵敏度分布函数。

图1 基于静电法的测量系统示意图

管道流动方向为z轴,探针插入方向为y轴,选取yoz平面进行分析,当带电颗粒在管道中所处位置为图1所示时,颗粒距离探针等效中心的距离为r,沿y轴方向距离探针等效中心距离为h。此时,探针式传感器上感应电量可以表示为

Qind=∬Q(z,h)s(z,h)dzdh

(1)

式中:Qind为该探针式静电传感器的感应电量;Q(z,h)为颗粒在轴向位置为z、距离探针电极等效中心的径向距离为h的静电荷值;s(z,h)为静电传感器在颗粒位置处的空间灵敏度。

由于带电颗粒在管道中移动,其所处的空间位置在不断变化,对于此带电颗粒传感器感应的空间灵敏度值也根据其空间位置相应变化。如果颗粒沿轴向z以速度v运动,以颗粒当前所在位置为运动起点,颗粒在z轴上的坐标可以表示为z+vt。由式(1)可得颗粒运动产生的电荷信号为

Qind(t)=∬Q(z+vt,h)s(z+vt,h)dzdh

(2)

探针式静电传感器输出电荷信号Qind(t)的自相关函数定义为[14-15]

φind(τ)=E[Qind(t)Qind(t+τ)]

(3)

由维纳-辛钦定理可得,Qind(t)的功率谱为

(4)

对于固定h位置上的沿轴向运动的带电颗粒,分布颗粒信号为限定带宽的白噪声公式可简化为[16]

(5)

式中:k为常数;s(f/v)为探针式静电传感器的空间灵敏度函数的傅里叶变换。

在接口电路等效原理图图1中,Re、Ce是探针的绝缘阻抗和等效电容,Ri、Ci是接口电路的等效输入阻抗和输入电容。那么此电路的传递函数可以表示为[17-21]

(6)

式中:R=(Re+Ri)/ReRi;C=Ce+Ci;Ui(s)为输入电压Ui(t)的拉普拉斯变换;Qind(s)为静电传感器输出电荷Qind(t)的拉普拉斯变换。静电信号的频率一般小于1 kHz,设计电路时选取pF级电容,可以满足|sRC|远小于1,因此,接口电路的频率响应特性函数可以表示为

Ui(jw)/Qind(jw)=jwR

(7)

根据式(5)和(7),静电传感器的输出信号的功率谱可以表示为

(8)

对探针式静电传感器进行数学建模,探针式传感器空间灵敏度函数可以表示为[22]

(9)

式中:k为比例系数。

式(9)的傅里叶变换为

(10)

式中:S(fz) 为静电传感器的空间滤波传递函数;fz为空间频率。

结合式(8)和(10),得出探针式静电传感器测量系统输出信号的功率谱为

(11)

定义尖峰频率为功率谱函数取得最大值时的频率,令式(11)导数为0,计算出功率谱的尖峰频率为

(12)

由于流动过程中h受烟尘分布的影响为非定值,所以引入速度无量纲校正系数gh,则式(12)可以写为

v=ghfmax

(13)

由式(13)可知,通过分析探针式静电传感器测量系统的信号功率谱,提取尖峰频率,可以计算出烟尘的平均流速。

2 基于Hilbert-Huang变换的静电信号处理

静电信号是一种非线性、非平稳性的随机信号,选择何种信号处理方法对其进行处理分析并提取特征量就显得尤为关键。希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang transform,HHT)经常被使用来有效处理非平稳、非线性信号。它由经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)和Hilbert谱分析(Hilbert spectrum analysis,HSA)两部分组成,通过经验模式分解将给定的信号分解为若干固有模态函数,并通过希尔伯特变换得到其瞬时频率和幅度[23-25]。

经验模式分解(EMD)能够根据信号的局部特征尺度有效地把信号分解为若干个本征模式函数(intrinsic mode function, IMF)。IMF满足以下2个条件:整个信号上的极值点个数和过零点个数相等或至多相差一个;在任意点处,由所有局部极大值点确定的上包络和由所有局部极小值点所确定的下包络的均值为0。

本文通过对静电信号做Hilbert-Huang变换,分析静电信号在各基本模式分量上的能量分布,滤除其中的高频噪声分量,对功率谱做EMD分解,提取趋势线,得出尖峰频率来计算流速。基本流程如图2所示。

图2 静电信号流速计算基本过程

3 烟尘流速测量实验

3.1 实验装置

鼓风机烟尘输送实验系统主要由风机系统、给粉系统、测量系统和回收系统组成,系统结构如图3所示。

图3 鼓风机气力输送装置示意图

1)风机系统。为了模拟烟道粉尘输送条件并防止测试现场的粉尘污染,在此次实验中采用鼓风机送风。通过调节鼓风机的风门来调节空气流速,风速的测量使用转子流量计。

2)给粉系统。 系统由固定转速的电机带动可调节变比的变速箱以及输粉漏斗组成。 带动电机转动速度为1 400 r/min, 给粉速率范围为30 g/min～3 kg/min。

3)测量系统(试验段)。本次实验中测量系统是一个水平放置的长度为1 200 mm、外径40 mm的玻璃管,给粉管道较长而且没有变径和拐弯部分。静电探头安装在管道的中部位置,保证前后各保持管道直径10倍以上的平直距离,探头测量流经插入探针的静电信号。本实验设计的测量装置(探针式静电传感器、管道)的参数如表1所示。

表1 测量装置的结构参数

测量系统主要包括数据采集模块和基于PC机的信号处理模块。在数据采集模块中,信号调理电路由OPA128集成运算放大器和OP07二阶有源低通滤波器组成,滤波电路截止频率为f=1.02 kHz,原始数据经过信号调理电路处理之后,由数据采集卡采集进PC机。数据采集卡的选取根据实际测量情况,选用NI公司的PCI-6024E数据采集板,主要参数指标如下:采样速率200 kS/s,12位分辨率,采用PCI数据总线,最大传输速率为132 MB/s。PC机的信号处理模块是基于虚拟仪器开发软件的LabVIEW8.0。采集程序使用DAQ Assistant控件,设置合理的采样点数与采样速率,双通道采集使用Convert from Dynamic Data控件,并分别设置Channel 0与Channel 1显示并作FFT变换。存储部分采用Flat Structure控件。最终实现信号的采集、显示、存储、信号HHT滤波、提取特征量计算流速。

4)回收系统。在管道末端安装布袋集尘器作为回收装置,防止粉尘颗粒进入大气造成污染。具体实验装置如图4所示。

图4 鼓风机粉尘输送装置

3.2 实验步骤

1) 在进行流速测量之前,需要对给粉机和风速进行标定。

2) 设定固定的给粉流量,调整鼓风机的风门开口度来设定风速,记录风速值,测量系统稳定时的静电信号,对信号做功率谱分析,提取尖峰频率值,重复测量7次并求出平均尖峰频率。然后,依次在5种不同风速下重复测量7次并记录数据。最终标定尖峰频率与风速的曲线并进行分析。

3.3 速度测量实验

1)尖峰频率提取。图5是一组烟尘输送平台实验输出信号的处理结果。图5(a)是原始信号;图5(b)是信号的功率谱曲线;图5(c)为经过EMD分解后提取的趋势线,尖峰频率为52.73 Hz。

图5 烟尘输送平台提取静电信号尖峰频率

2)速度测量。在固定的给粉流量(8.92 g/s)条件下,选取不同风速v进行多次测量,得到滤波后的静电信号,对滤波信号进行功率谱分析得到尖峰频率值,求取其平均值,结果如表2所示。

表2 烟尘输送实验在不同风速下测量的尖峰频率

根据误差理论公式计算测量点的标准差如表3所示。

表3 各测量点的标准差

则5组测量的标准偏差为

(14)

式中:m为测量点数。

平均值的标准偏差为

(15)

当置信因子K=2,置信度为95%时的重复性为

(16)

式中:YF.S为不同流速下尖峰频率平均值的最大值与最小值的差。从表2可以得到YF.S=117.00-52.07≈65。

风速值与尖峰频率做线性拟合,得到尖峰频率与风速值的关系为

v=0.097 6fmax+0.639 2

(17)

根据拟合公式得到校正系数gh为0.097 6,空间滤波法速度与风速的比较如图6所示。可以看出,空间滤波法测量的颗粒物速度比风速小,形成速度滑差,这是因为颗粒在管道中受风的带动形成流动,其速度应当比气体表观速度值小,空间滤波速度与风速的最大相对误差为13.4%,所产生的速度滑差还受颗粒物粒径分布、温度、湿度等因素的影响,需要结合使用场景实际情况进一步探索。

图6 空间滤波速度与风速比较

4 结语

本文通过探针式传感器的空间滤波特性得出静电法检测烟尘流速的公式,使用希尔伯特-黄变换对静电信号进行处理,并在鼓风机气力输送装置平台上进行了速度测量实验,对实验数据进行了分析。实验结果表明,针对气力输送实验平台,烟尘速度测量系统的重复性为1.4%,最大相对误差为13.4%。从实验结果来看,本文提出的基于静电法的烟尘流速分析方法在数据测量上具有较大可靠性,误差较小,一定程度上满足了工业生产的需求,对烟尘流速检测技术有了较大改进和提升。