CN109164159A - 一种气固流化床气泡流动参数测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种气固流化床气泡流动参数测量方法及装置，所述方法为：采用静电传感器阵列获取流化床内气泡流动产生的静电信号，再通过前置信号调理模块对所述静电信号进行转换、滤波及放大处理，再由数据采集卡将处理后的信号传输至计算机，结合互相关函数运算及寻峰寻谷算法，实现对气泡流动参数的实时在线测量；所述装置包括依次电连接的静电传感器阵列、前置信号调理模块、数据采集卡和计算机。本发明具有可靠性高、低成本、安全等优点，且可实现实时在线测量，适用于恶劣的工业现场条件。
Description
技术领域
本发明属于流化床内气泡流动参数测量技术领域，具体是一种气固流化床气泡流动参数测量方法及装置。
背景技术
流化床技术目前已广泛运用于化工、石化、冶金、能源、材料、生化、环保、制药等领域，与传统的燃烧、反应设备相比，流化床具有传热传质效率高、床温易控制、易于床料的加入和卸出、反应过程易于控制和调节以及可以提高产品的收率等优点。气泡现象是气固流化床最基本的特征，气泡的存在不但对床内的流体力学性能发生作用,而且对床内气固混合、传质和传热性能都有明显的影响。因此,深入了解气泡的流动特性是研究气固流化床的重要基础，也是认识床内流动性及流态化质量的重要前提。对于流化床内气泡流动特性的研究主要在于对气泡的上升速度、直径的测量。气泡上升速度是气泡的重要参数之一,其大小决定了床内的湍流强度和气固两相接触的好坏；气泡直径的大小直接影响床内气固介质的混合质量。气泡直径越大，气泡速度越快,更多的气体通过气泡流过床层，气、固介质的混合变差，不利于气固相的反应；反之，当气泡较小时，床内气速一般较低，介质的流动度不足，也不利于气固物料的混合。因此，在对气固流化床进行深入研究时，气泡的上升速度以及直径的测量显得尤为重要。
测量气泡参数的技术主要可归纳为两类：一种是接触式的方法，如探针法、压差法等；另外一种则是非接触式方法，如层析法、照相法等。
在研究气泡特性的众多方法中，使用探针法与高速相机的图像测量方法是近些年在流化床内气泡参数测量领域应用广泛的两种测量方法。探针法的测量原理是利用不同相之间的物理性质不同，如导电率、折射率、反射率等，实现对流化床内气泡参数的测量，在气固流化床中，颗粒流动剧烈，该方法存在探针易磨损、安装过程繁琐等缺点，故该方法多用于气液两相中的气泡参数测量。基于高速相机的测量方法则是通过对气泡连续拍照，结合图像处理算法处理拍摄后的图像，得出气泡的上升速度及直径等数据,该方法局限于透明的流化床，须对拍摄图片进行后续处理，测量延迟较高，仅适用于实验室规模的理论研究中，不适用于工业现场流化床装置。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种气固流化床气泡流动参数测量方法及装置，本发明通过在流化床内部设置多组静电传感器阵列，每两个静电传感器组成一组阵列，气泡流经静电传感器阵列时，对一组阵列的输出信号做互相关运算来获取气泡的流动速度，再根据气泡流经静电传感器的时间，计算得出气泡直径；本发明具有可靠性高、低成本、安全等优点，且可实现实时在线测量，适用于恶劣的工业现场条件。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种气固流化床气泡流动参数测量方法，包括如下步骤：
S1，采用侵入式静电传感器，每两个静电传感器组成一个阵列，将多组阵列均匀布置于流化床内部；
S2，对静电传感器获得的气泡流动产生的静电信号进行互相关运算，计算得出气泡的流动速度；
S3，采用滤波算法对所测信号进行滤波处理，去除噪声干扰；再通过寻峰寻谷算法对滤波后的静电信号进行处理，计算气泡流经静电传感器的时间；
S4，根据气泡流动速度以及气泡流经静电传感器的时间，计算得出气泡的直径。
具体地，所述气泡自下而上通过流化床时，所述静电传感器的电极上会产生静电信号。
具体地，步骤S1中，所述一个阵列的两个静电传感器呈竖直方向布置在流化床壁面，所述两个静电传感器之间的距离是固定的，且在同一个阵列中，位于上方的静电传感器为上游静电传感器，位于下方的静电传感器为下游静电传感器。
具体地，步骤S2中，所述静电传感器获得的静电信号经过信号转换电路转换为电压信号，再通过数据采集卡对每组静电传感器阵列中各局部上游静电信号和下游静电信号进行采集；每组静电传感器阵列所测得信号的互相关函数表示为：
其中，R(τ)是延迟时间τ的互相关函数，T为采样时间，x(t)为上游静电信号，y(t-τ)为下游静电信号；所述气泡的流动速度为：
v＝L/τm
其中，L为上、下游静电传感器的中心间距，τm为气泡通过一组静电传感器阵列的时间。
具体地，步骤S3中，所述滤波算法为移动平均滤波法；
进一步地，在所述气固流化床内部，若单个气泡通过静电传感器，则所述气泡流经静电传感器的时间Δt为：
Δt＝tmax-tmin
其中，tmax表示静电传感器电极输出的电压信号中的波峰时刻，即气泡底部刚离开静电传感器电极的时刻；tmin表示静电传感器电极输出的电压信号中的波谷时刻，即气泡顶部刚接触静电传感器电极的时刻；
进一步地，在所述气固流化床内部，若有多个气泡同时流经静电传感器，所述静电传感器电极输出的电压信号会产生多个波峰、波谷的叠加，采用寻找波峰波谷算法对滤波后的静电信号进行处理，去除重叠的波峰波谷后，计算相邻波谷、波峰时间差即可得出单个气泡流经静电传感器的时间；气泡群通过静电传感器的平均时间为：
其中，N为在采样时间T内流经一个静电传感器的气泡数量，Δtk表示第k个气泡流经所述静电传感器所用的时间。
具体地，步骤S4中，气泡的直径通过如下方法计算得出：
在所述气固流化床内部，若单个气泡通过静电传感器，则所述单个气泡的直径为：
D＝v·Δt
其中，v为所述单个气泡的流动速度，Δt为所述单个气泡流经静电传感器的时间；
若有多个气泡同时流经静电传感器，则T时间内流经所述静电传感器的气泡群的平均直径为：
v'＝L/τ'm
其中，v'为所述气泡群流经静电传感器的速度，为气泡群通过静电传感器的平均时间，τ'm为气泡群通过一组静电传感器阵列的时间。
一种气固流化床气泡流动参数测量装置，包括：
多组静电传感器阵列，用于获取气固流化床内气泡流动过程中产生的静电信号；
前置信号调理模块，用于将所述静电信号转化为电压信号，并进行滤波及放大处理；
数据采集卡，用于采集所述前置信号调理模块处理后的电压信号；
计算机，用于对所述数据采集卡采集到的电压信号进行分析及存储；
所述多组静电传感器阵列与前置信号调理模块的输入端通过静电信号传输电缆连接，所述前置信号调理模块的输出端与数据采集卡的输入端通过37pin D-Sub传输线连接，所述数据采集卡的输出端与计算机通过USB传输线连接。
具体地，所述前置信号调理模块包括信号转换电路、滤波电路和放大电路；所述信号转换电路用于将静电传感器获取的静电信号转换为电压信号，所述滤波电路用于对转换后的电压信号进行滤波以消除噪声干扰，所述放大电路用于对滤波后的电压信号进行放大便于数据采集卡进行采集。
具体地，所述数据采集卡内嵌入有数据采集电路，用于采集所述前置信号调理模块处理后的电压信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明通过在流化床内部设置静电传感器阵列来检测气泡上升过程中产生的静电信号，通过对该静电信号进行处理运算，实现对气泡参数的实时在线测量，具有高时效性和高精准性；(2)相比于传统的高速相机气泡参数测量法，本发明可适用于复杂的非透明工业流化床，适用范围更加广泛；(3)本发明的测量装置结构简单，易于安装、维护与拆卸，且成本低廉。
附图说明
图1为实施例1一种气固流化床气泡流动参数测量方法的流程示意框图；
图2为实施例2一种气固流化床气泡流动参数测量装置的整体结构示意图；
图3为实施例1中静电传感器获取的原始信号；
图4为实施例1中经过滤波后的电压信号；
图5为实施例1中单个气泡流经静电传感器的电压信号变化图；
图6a为实施例1中气泡顶部刚接触静电传感器电极的示意图；
图6b为实施例1中气泡经过静电传感器电极的示意图；
图6c为实施例1中气泡底部刚离开静电传感器电极的示意图；
图7为实施例1中电压信号处理流程图；
图中：1、气泡；2、静电传感器；3、流化床壁面；4、静电信号传输电缆；5、前置信号调理模块；6、37pin D-Sub传输线；7、数据采集卡；8、USB传输线；9、计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种气固流化床气泡流动参数测量方法，包括如下步骤：
S1，采用侵入式静电传感器2，每两个静电传感器2组成一个阵列，将多组阵列均匀布置于流化床内部；
S2，对静电传感器2获得的气泡1流动产生的静电信号进行互相关运算，计算得出气泡1的流动速度；
S3，采用滤波算法对所测信号进行滤波处理，去除噪声干扰；再通过寻峰寻谷算法对滤波后的静电信号进行处理，计算气泡1流经静电传感器2的时间；
S4，根据气泡1流动速度以及气泡1流经静电传感器2的时间，计算得出气泡1的直径。
具体地，在所述气固流化床内，气泡1的流动会引起静电变化，该静电变化信号由静电传感器2感应，并经前置调理电路转换为电压信号，经过滤波、放大处理后，由数据采集卡7进行采集，最后传输至计算机9，结合互相关函数运算及寻峰寻谷算法，实现对气泡1流动参数的实时在线测量。
具体地，步骤S1中，所述一个阵列的两个静电传感器2呈竖直方向布置在流化床壁面3，所述两个静电传感器2之间的距离是固定的L，且在同一个阵列中，位于上方的静电传感器2为上游静电传感器，位于下方的静电传感器2为下游静电传感器。
具体地，步骤S2中，所述静电传感器2获得的静电信号经过信号转换电路转换为电压信号，经过滤波电路和放大电路处理后，再通过数据采集卡7对每组静电传感器2阵列中各局部上游静电信号(x1(t)，x2(t)，…，xn(t))和下游静电信号(y1(t)，y2(t)，…，yn(t))进行采集；每组静电传感器2阵列所测得信号的互相关函数表示为：
其中，R(τ)是延迟时间τ的互相关函数，T为采样时间，x(t)为上游静电信号，y(t-τ)为下游静电信号；所述气泡1的流动速度为：
v＝L/τm
其中，L为上、下游静电传感器2的中心间距，τm为气泡1通过一组静电传感器2阵列的时间。
具体地，步骤S3中，所述滤波算法为移动平均滤波法；
进一步地，在气固流化床内，气泡1流经静电传感器2的电极时，静电传感器2输出的电压信号变化如图3所示，由于背景噪声的干扰，信号由明显毛刺现象，采用移动平均滤波法对获取的电压信号进行滤波处理，去除噪声干扰，滤波后的电压信号如图4所示；
在气固流化床内部，若有单个气泡1通过静电传感器2，所述静电传感器2的电极输出的电压信号会出现如图5所示的波谷与波峰，其中波谷时刻tmin表示气泡1刚进入电极，此时气泡1顶部刚与电极接触，如图6a所示；波峰时刻tmax表示气泡1底部刚离开电极，如图6c所示；波谷到波峰的中间时段表示气泡1通过电极的过程，如图6b所示，电极正处于气泡1中间；则所述气泡1流经静电传感器2的时间Δt为：
Δt＝tmax-tmin
当流化床内处于自然鼓泡状态时，气泡群连续流经静电传感器2，电压信号连续出现波峰与波谷，如图3所示，若多个气泡1同时流经传感器，电压信号会产生多个波峰、波谷的叠加；为计算单个气泡1通过传感器的时间，采用寻找波峰波谷算法对滤波后的静电信号进行处理，处理流程如图7所示，去除重叠的波峰、波谷后，计算相邻波谷、波峰的时间差即可得出单个气泡1流经静电传感器2的时间；若在采样时间T内共出现N对相邻的波谷、波峰信号，即表示在采样时间T内共有N个气泡1流经某个静电传感器2；气泡群通过静电传感器2的平均时间为：
其中，N为在采样时间T内流经一个静电传感器2的气泡1数量，Δtk表示第k个气泡1流经所述静电传感器2所用的时间。
具体地，步骤S4中，气泡1的直径通过如下方法计算得出：
在所述气固流化床内部，若单个气泡1通过静电传感器2，则所述单个气泡1的直径为：
D＝v·Δt
其中，v为所述单个气泡1的流动速度，Δt为所述单个气泡1流经静电传感器2的时间；
若有多个气泡1同时流经静电传感器2，则T时间内流经所述静电传感器2的气泡群的平均直径为：
v'＝L/τ'm
其中，v'为所述气泡群流经静电传感器2的速度，为气泡群通过静电传感器2的平均时间，τ'm为气泡群通过一组静电传感器2阵列的时间。
本实施例采用阵列式静电传感器，结合相应的信号处理方法，实现气固流化床内气泡流动参数的实时在线测量，克服了高速相机法只适用于二维透明流化床实验研究的局限性，可用于复杂工业流化床内气泡流动状况的在线监测。
实施例2
如图2所示，本实施例提供了一种气固流化床气泡流动参数测量装置，包括：
多组静电传感器2阵列，用于获取气固流化床内气泡1流动过程中产生的静电信号；
前置信号调理模块5，用于将所述静电信号转化为电压信号，并进行滤波及放大处理；
数据采集卡7，用于采集所述前置信号调理模块5处理后的电压信号；
计算机9，用于对所述数据采集卡7采集到的电压信号进行分析及存储；
所述多组静电传感器2阵列与前置信号调理模块5的输入端通过静电信号传输电缆4连接，所述前置信号调理模块5的输出端与数据采集卡7的输入端通过37pin D-Sub传输线6连接，所述数据采集卡7的输出端与计算机9通过USB传输线8连接。
具体地，所述前置信号调理模块5包括信号转换电路、滤波电路和放大电路；所述信号转换电路用于将静电传感器2获取的静电信号转换为电压信号，所述滤波电路用于对转换后的电压信号进行滤波以消除噪声干扰，所述放大电路用于对滤波后的电压信号进行放大便于数据采集卡7进行采集。
具体地，所述数据采集卡7内嵌入有数据采集电路，用于采集所述前置信号调理模块5处理后的电压信号。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种气固流化床气泡流动参数测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，采用侵入式静电传感器，每两个静电传感器组成一个阵列，将多组阵列均匀布置于流化床内部；
S2，对静电传感器获得的气泡流动产生的静电信号进行互相关运算，计算得出气泡的流动速度；
S3，采用滤波算法对所测信号进行滤波处理，去除噪声干扰；再通过寻峰寻谷算法对滤波后的静电信号进行处理，计算气泡流经静电传感器的时间；
S4，根据气泡流动速度以及气泡流经静电传感器的时间，计算得出气泡的直径。
2.根据权利要求1所述的一种气固流化床气泡流动参数测量方法，其特征在于，步骤S1中，所述一个阵列的两个静电传感器呈竖直方向布置在流化床壁面，所述两个静电传感器之间的距离是固定的，且在同一个阵列中，位于上方的静电传感器为上游静电传感器，位于下方的静电传感器为下游静电传感器。
3.根据权利要求1所述的一种气固流化床气泡流动参数测量方法，其特征在于，步骤S2中，所述静电传感器获得的静电信号经过信号转换电路转换为电压信号，再通过数据采集卡对每组静电传感器阵列中各局部上游静电信号和下游静电信号进行采集；每组静电传感器阵列所测得信号的互相关函数表示为：
其中，R(τ)是延迟时间τ的互相关函数，T为采样时间，x(t)为上游静电信号，y(t-τ)为下游静电信号；所述气泡的流动速度为：
v＝L/τm
其中，L为上、下游静电传感器的中心间距，τm为气泡通过一组静电传感器阵列的时间。
4.根据权利要求1所述的一种气固流化床气泡流动参数测量方法，其特征在于，步骤S3中，所述滤波算法为移动平均滤波法；
在所述气固流化床内部，若单个气泡通过静电传感器，则所述气泡流经静电传感器的时间Δt为：
Δt＝tmax-tmin
其中，tmax表示静电传感器电极输出的电压信号中的波峰时刻，即气泡底部刚离开静电传感器电极的时刻；tmin表示静电传感器电极输出的电压信号中的波谷时刻，即气泡顶部刚接触静电传感器电极的时刻；
在所述气固流化床内部，若有多个气泡同时流经静电传感器，所述静电传感器电极输出的电压信号会产生多个波峰、波谷的叠加，采用寻找波峰波谷算法对滤波后的静电信号进行处理，去除重叠的波峰波谷后，计算相邻波谷、波峰时间差即可得出单个气泡流经静电传感器的时间；气泡群通过静电传感器的平均时间为：
其中，N为在采样时间T内流经一个静电传感器的气泡数量，Δtk表示第k个气泡流经所述静电传感器所用的时间。
5.根据权利要求1所述的一种气固流化床气泡流动参数测量方法，其特征在于，步骤S4中，气泡的直径通过如下方法计算得出：
在所述气固流化床内部，若单个气泡通过静电传感器，则所述单个气泡的直径为：
D＝v·Δt
其中，v为所述单个气泡的流动速度，Δt为所述单个气泡流经静电传感器的时间；
若有多个气泡同时流经静电传感器，则T时间内流经所述静电传感器的气泡群的平均直径为：
v'＝L/τ'm
其中，v'为所述气泡群流经静电传感器的速度，为气泡群通过静电传感器的平均时间，τ'm为气泡群通过一组静电传感器阵列的时间。
6.一种气固流化床气泡流动参数测量装置，其特征在于，包括：
多组静电传感器阵列，用于获取气固流化床内气泡流动过程中产生的静电信号；
前置信号调理模块，用于将所述静电信号转化为电压信号，并进行滤波及放大处理；
数据采集卡，用于采集所述前置信号调理模块处理后的电压信号；
计算机，用于对所述数据采集卡采集到的电压信号进行分析及存储；
所述多组静电传感器阵列与前置信号调理模块的输入端通过静电信号传输电缆连接，所述前置信号调理模块的输出端与数据采集卡的输入端通过37pin D-Sub传输线连接，所述数据采集卡的输出端与计算机通过USB传输线连接。
7.根据权利要求6所述的一种气固流化床气泡流动参数测量装置，其特征在于，所述前置信号调理模块包括信号转换电路、滤波电路和放大电路。
8.根据权利要求6所述的一种气固流化床气泡流动参数测量装置，其特征在于，所述数据采集卡内嵌入有数据采集电路。
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