CN103499516B - 一种高压密相气力输送煤粉流动状态的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压密相气力输送煤粉流动状态的检测方法及检测装置，其中检测方法具体步骤如下：采集所述的静电传感器探头上的静电信号和压差传感器的压差信号；分别对采集到的静电信号和压差信号进行经验模态分解处理，得到Hurst指数H；根据分型特征及Hurst指数H的大小，将静电信号和压差信号划分为多个不同尺度；计算静电信号的不同尺度能量比重并判断其大小；将不同尺度能量比重及大小关系作为必要参数，进行判断高压密相气力输送煤粉流动状态。该判断依据适合各种输送载气的情况，实用性广，同时采用静电信号和压力信号作为双重判断标准，准确性较高。本发明的信号采集装置，包括：静电传感器探头，前置电压放大电路，压力传感器，数据采集卡及计算机。

Description

一种高压密相气力输送煤粉流动状态的检测方法

技术领域

本发明属于气固两相流流动检测技术领域，尤其是高压密相气力输送流动状态的检测技术。

背景技术

煤气化技术是在常压或加压条件下，保持一定温度，通过气化剂与煤炭反应生成煤气，煤气中主要成分是一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气体。煤在气化中可脱硫除氮，排去灰渣，因此，煤气就成为洁净燃料。高压密相煤粉气力输送是煤气化技术的关键环节之一，其输送的稳定性以及煤粉在输送管道内的流动特性直接影响到煤的气化产物，因此对输送不稳定的诊断是亟待解决的问题。所谓输送稳定是指水平管道中的煤粉输送连续且管道截面上的煤粉浓度分布相对均匀，此时煤粉的流动状态为悬浮流、层流或两者之间的过渡流态。反之，输送不稳定时，煤粉在管道截面上浓度分布不均匀且随时间变化剧烈，比如疏密流和沙丘流以及两者之间的过渡流态，更严重时煤粉输送间断，导致栓塞流甚至堵管的发生。

目前有较多的学者采用多种方法对高压密相气力输送流动的不稳定性进行研究，具体可以概括为采用基本方法（统计学和频谱分析）或者非线性方法（分形，混沌，熵，小波，以及希尔伯特黄变换等）对输送不稳定时产生的压力信号进行分析，提取特征参数，对流动不稳定性进行探讨。这些研究结果对认识高压密相气力输送流动不稳定性有很大的帮助，但尚且没有能够给出明确的可用于检测流动状态不稳定的方法或依据。目前有通过计算压力信号的“均方根/平均值”是否在某一区间范围内来判断输送是否达到临界堵管状态的方法，但区间范围受输送载气的影响，且该方法仅给出输送载气为空气和CO₂时的区间范围，因此适用范围受限。同时随着检测技术的发展，静电和声发射检测技术所提取的输送系统的波动信号中也包含了非常多的与流动相关的信息，而这些信息不包含在压力信号中，因此仅采用压力信号的特征值作为判断流动不稳定的依据会影响判断结果的准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种同时检测高压密相气力输送系统的静电信号和压差信号，并分别通过对静电信号和压差信号进行处理作为判断高压密相气力输送煤粉流动状态的参数，从而提高流动状态判断准确性的检测方法及检测装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案是：

一种高压密相气力输送煤粉流动状态的检测方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、在高压密相气力输送水平管道上安装圆环状静电传感器探头和压差传感器探头，并采集所述的静电传感器探头上的静电信号和压差传感器的压差信号；

步骤二、分别对采集到的静电信号和压差信号进行经验模态分解处理，静电信号得到10个本征模态分量IMFs，压力信号得到8个本征模态分量IMFs，然后对每个IMF分量进行R/S分形分析得到关系曲线ln[R(τ)/S(τ)]～lnτ，最后对关系曲线的直线段部分做线性拟合，得到拟合直线的斜率，即Hurst指数H；

步骤三、根据分形特征及Hurst指数H的大小，将静电信号划分为微尺度、介尺度和宏尺度，将压差信号划划分为宏尺度和介尺度；

步骤四、计算静电信号的微尺度能量比重和介尺度能量比重，并比较静电信号的微尺度能量比重和介尺度能量比重的大小；同时计算压差信号的宏尺度能量比重；

步骤五、将静电信号的微尺度能量比重和介尺度能量比重的大小关系和压差信号的宏尺度能量比重分别作为一个必要参数，进行判断高压密相气力输送煤粉流动状态。

所述静电信号的划分为：对于静电信号，将具有单分形特征，即Hurst指数H小于0.5的IMF分量划入微尺度；将具有双分形特征，即在小的时间延迟τ下Hurst指数H大于0.5小于1而大的时间延迟τ下的Hurst指数H小于0.5的IMF分量划入介尺度；将具有单分形特征，即Hurst指数H大于0.95小于1的IMF划入宏尺度；

所述压差信号的划分为：对于压差信号，将具有单分形特征，即Hurst指数H大于0.95小于1的IMF分量划入宏尺度，将其余的IMF量划入介尺度。

一种高压密相气力输送煤粉流动状态检测的检测装置，包括设置在输送管道中的静电传感器、设置在输送管道上的压差传感器探头、数据采集卡以及计算机，所述的静电传感器和压差传感器探头经数据采集卡连接所述计算机，在所述的静电传感器与数据采集卡之间还连接有一前置电压放大电路。

所述静电传感器包括金属屏蔽罩、绝缘管道以及电极片，所述的电极片设置在绝缘管道的内壁上，所述电极片的宽度为绝缘管道内径的1/3-2/3，在所述的绝缘管道外设置所述的金属屏蔽罩。

本发明检测方法中静电信号和压差信号各尺度的能量比重计算方法为：

静电信号被分解成10个IMF分量，假设其中微尺度占有M个IMF分量，分别是IMF₁，IMF₂...，IMF_M。一个IMF分量为一组时间序列{x₁,x₂,...x_H}，其能量E_IMF的计算公式为：

E_IMF=x₁ ²+x₂ ²+...+x_H ²

利用上述公式分别计算每个IMF分量的能量，则静电信号微尺度的能量比重R_emicro：

$R_{\mathrm{emicro}}=\frac{E_{\mathrm{IMF}1}+E_{\mathrm{IMF}2}+...+E_{\mathrm{IMFM}}}{\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{IMFi}}}$

按照计算静电信号微尺度的能量比重R_emicro的方法，计算静电信号介尺度能量比重R_emeso以及压力信号宏尺度能量比重R_pmacro。

本发明将静电信号的微尺度能量比重R_emicro和介尺度能量比重R_emeso的大小关系以及压力信号的宏尺度能量比重R_pmacro的大小，作为两个必要参数同时来判断高压密相气力输送煤粉流动状态，具体判断时，当同时满足以下两个关系式时，可判定为不稳定，反之，则为稳定：

R_emicro<R_emeso和R_pmacro>90%

本发明具有如下优点：

1）该方法从流动本质出发，其判断依据不受输送载气的影响。

2）由于静电信号和压力信号两者分别包含煤粉的不同运动特征信息，采用单一信号作为信息源来检测流动状态不稳定必然会有片面性。因此本发明同时采用静电信号和压差信号的多尺度能量比重作为双重判断标准，检测结果相比单一信息源更准确。

3）静电传感器和压差传感器结构简单，价格低廉，适合于恶劣的工业环境。

附图说明

图1是信号采集系统示意图，其中，1—静电传感器；2—压差传感器测量探头；3—输送管道；4—前置电压放大电路；5—数据采集卡；6—计算机。

图2是静电传感器的结构示意图，其中7—金属屏蔽罩；8—绝缘管道；9—电极片。

图3是静电传感器电压放大电路图。其中10—输入端；11—输出端。

具体实施方式

下面参照附图，对本发明的具体实施方案做出更为详细的说明：

1、如附图1所示，将静电传感器1和压差传感器的探头2分别安装在高压密相气力输送水平管道3上，静电传感器探头的信号输出导线需接入前置电压放大电路4的输入端，放大电路的输出端与高速数据采集卡5的输入端连接，由计算机6控制采集卡。压差传感器的输出端直接连接采集卡的输入端。当管道内煤粉流动时，静电传感器探头上产生的信 号经放大电路放大后再由采集卡传送到计算机中，而压差传感器探头产生压差信息直接由数据采集卡传送到计算机中。

2、对采集到的静电信号和压力信号分别进行经验模态分解，静电信号被分解成10个本征模态分量IMFs，压力信号分解成8个本征模态分量IMFs，然后对每个IMF分量进行R/S分形分析，得到关系曲线ln[R(τ)/S(τ)]～lnτ，最后对关系曲线的直线段部分做线性拟合，得到拟合直线的斜率，即Hurst指数H。

3、根据IMF的分形特征，将静电信号和压差信号划分为多个尺度。对于静电信号，将具有单分形特征，即Hurst指数H小于0.5的IMF分量划入微尺度；将具有双分形特征，即在小的时间延迟τ下Hurst指数H大于0.5而大的时间延迟τ下的Hurst指数H小于0.5的IMF分量划入介尺度；将Hurst指数H大于0.95小于1的IMF划入宏尺度。对于压差信号，将具有单分形特征，即Hurst指数H大于0.95小于1的IMF分量划入宏尺度，将其余的IMF量划入介尺度。

4、计算静电信号和压差信号各尺度的能量比重。经过步骤3，静电信号被分解成10个IMF分量，假设微尺度下的IMF分量有M个，分别是IMF₁，IMF₂...，IMF_M。一个IMF分量为一组时间序列{x₁,x₂,...x_H}，其能量E_IMF的计算公式为：

E_IMF=x₁ ²+x₂ ²+...+x_H ²

利用上述公式分别计算每个IMF分量的能量，则静电信号微尺度的能量比重R_emicro：

$R_{\mathrm{emicro}}=\frac{E_{\mathrm{IMF}1}+E_{\mathrm{IMF}2}+...+E_{\mathrm{IMFM}}}{\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\&Sigma;}}}{E}_{\mathrm{IMFi}}}$

按照同样的方法，计算静电信号介尺度能量比重R_emeso以及压力信号宏尺度能量比重R_pmacro。

5、比较静电信号的微尺度能量比重R_emicro和介尺度能量比重R_emeso，以及压力信号的宏尺度能量比重R_pmacro，同时满足以下两个关系式：

R_emicro<R_emeso和R_pmacro>90%

参照图2和图3对测量装置的具体说明如下：如图2所示的静电传感器结构。电极片9贴于绝缘管道8的外壁上，电极片的宽度为管道内径的1/3-2/3范围内。绝缘管道外一定要有金属屏蔽罩7消除电磁干扰。

图3所示的静电传感器电压放大电路的连接方式为：第一电阻R1一端与放大电路输入端10相连，另一端与第二电阻R2的一端以及第一运算放大器A1的反向输入端相连接； 第二电阻R₂的另一端与第一运算放大器A₁的输出端连接，第一运算放大器A1的正向输入端接地；第一电容C₁的一端与第一运算放大器A₁的输出端连接，另一端与第三电阻R₃的一端相连，第三电阻R₃的另一端和第四电阻R₄一端以及第二运算放大器A₂的反向输入端连接，第四电阻R₄的另一端与第二运算放大器A₂的输出端连接。第五电阻R₅的一端与第二运算放大器A₂的正向输入端连接，另一端接地。本电路中第一运算放大器A₁和第二运算放大器A₂采用OP07型号的高精度的仪用放大器。电路中电阻均采用低噪声的金属膜电阻，精度为1%，功率为1/2(W)。该电路具有输入阻抗高、共模抑制比高、失调电压低、漂移小、放大倍数稳定和输出阻抗低等优点。

Claims (1)

1.一种高压密相气力输送煤粉流动状态的检测方法，其特征在于，具体步骤如下： 

步骤一、在高压密相气力输送水平管道上安装圆环状静电传感器探头和压差传感器探头，并采集所述的静电传感器探头上的静电信号和压差传感器的压差信号；

步骤二、分别对采集到的静电信号和压差信号进行经验模态分解处理，静电信号得到10个本征模态分量IMFs，压力信号得到8个本征模态分量IMFs；然后对每个IMF分量进行R/S分形分析得到关系曲线ln[R(τ)/S(τ)]~lnτ，最后对关系曲线的直线段部分做线性拟合，得到拟合直线的斜率，即Hurst指数H；

步骤三、 根据分型特征及Hurst指数H的大小，将静电信号划分为微尺度、介尺度和宏尺度，将压差信号划划分为宏尺度和介尺度；对于静电信号，将具有单分形特征，即Hurst指数H小于0.5的IMF分量划入微尺度；将具有双分形特征，即在小的时间延迟τ下Hurst指数H大于0.5小于1而大的时间延迟τ下的Hurst指数H小于0.5 的IMF分量划入介尺度；将Hurst指数H大于0.95小于1的IMF划入宏尺度；对于压差信号，将具有单分形特征，即Hurst指数H大于0.95小于1的IMF分量划入宏尺度，将其余的IMF量划入介尺度；

步骤四、计算静电信号的微尺度能量比重和介尺度能量比重，并比较静电信号的微尺度能量比重和介尺度能量比重的大小；同时计算压差信号的宏尺度能量比重；

步骤五、将静电信号的微尺度能量比重和介尺度能量比重的大小关系和压差信号的宏尺度能量比重分别作为一个必要参数，进行判断高压密相气力输送煤粉流动状态。