基于静电法的烟尘流速检测技术.pdf

西北大学学报（自然科学版）2023年8 月，第53卷第4期，Aug.,2023,Vol.53,No.4Journal of Northwest University(Natural Science Edition)JNWU可视化检测技术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7 10 0 49）摘要长期以来我国的能源结构以燃煤发电为主，燃煤发电所产生的烟尘是主要的大气颗粒污染物，对环境和人体健康造成了严重的危害，准确监测烟尘排放的速度对于有效防止环境污染具有十分重要的意义。针对静电传感器具有灵敏度高、不受烟道积粉影响、结构简单、成本低等优点，该文采用探针型静电传感器用于电厂烟道粉尘流动参数的测量。通过获取包含丰富两相流流动信息的静电信号，使用基于希尔伯特-黄变换信号处理的空间滤波法对粉尘流动速度进行检测。通过搭建气力输送实验平台测量系统，进行流速的静态特性测试。实验结果表明，使用静电法检测得到的烟尘流速数据具有较大可靠性，测量误差较小，对烟尘流速检测技术有了较大提升和改进。关键词烟尘流速检测；探针型传感器；静电法；空间滤波；希尔伯特-黄变换中图分类号：TN-713The measurement technology of soot velocity basedWANG Maojie,YANG Fan,HU Hongli,LU Jiayu,CAI Herui(State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment,Xi an Jiaotong University,Xian 710049,China)Abstract For a long time,Chinas energy structure has been dominated by coal-fired power generation.Thesmoke and dust generated by coal-fired power generation are the main atmospheric particulate pollutants,cau-sing serious harm to the environment and human health.It is very important to monitor the speed of soot emis-sion accurately to prevent environmental pollution effectively.In view of the advantages of electrostatic sensorwith high sensitivity,not affected by flue dust accumulation,simple structure and low cost,this paper adoptsprobe electrostatic sensor to measure dust flow parameters in power plant flue.By acquiring the electrostaticsignal which contains rich information of two-phase flow,the dust flow velocity is monitored by the spatial filte-ring method based on Hilbert-Huang transform.Through constructing pneumatic conveying experiment platformmeasuring system,the static characteristic of flow velocity is tested.The experimental results show that the e-lectrostatic method used to detect the smoke velocity data has higher reliability,measurement error is smaller,the smoke velocity detection technology has significant improvement.Keywords soot velocity detection;probe type electrostatic sensor;electrostatic method;spatial filteringmethod;Hilbert-Huang transform收稿日期:2 0 2 2-0 9-16基金项目：国家自然科学基金（52 17 7 0 0 9）;陕西省科技攻关项目（2 0 16 GY001)第一作者：王茂杰，男，从事电气工程研究，。通信作者：胡红利，男，教授，博士生导师，从事检测测试与计量技术研究,。D0I:10.16152/ki.xdxbzr.2023-04-009on electrostatic method580.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13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45,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 ,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Klinz-ing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，创新性地使用了插人式和环形静电传感器。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变换和近似嫡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（Hil-bert-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。西北大学学报（自然科学版）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。静电传感器带电烟尘颗料Ui图1基于静电法的测量系统示意图Fig.1 Schematic diagram of measuring system based onelectrostatic method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Qmna=J Q(z,h)s(z,h)ddh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+ut。由式（1）可得颗粒运动产生的电荷信号为Qima(t)=JQ(z+ut,h)s(z+ut,h)dzdh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第53卷信号调理电路上位机(1)(2)第4期Pind(T)=EQind(t)Qind(t+T)由维纳-辛钦定理可得Qind（t）的功率谱为Sind=J-Pima(T)exp(-j2 mfr)dt(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 Sind=ko=I s()式中：k为常数;s(f/）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,R。、C。是探针的绝缘阻抗和等效电容,R;、C,是接口电路的等效输人阻抗和输人电容。那么此电路的传递函数可以表示为17.2 1 U,(s)/Q ma(s)=1+sRC式中:R=(R。+R,)/R R;C=C。+C;U,(s)为输入电压U（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1kHz,设计电路时选取pF级电容,可以满足IsRCI远小于1,因此,接口电路的频率响应特性函数可以表示为U.(jw)/Qina(jw)=jwR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S.=juR 12ko=I s()ho(2m/R)21 S()2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2 2 s(2)=?+h式中：k为比例系数。式(9）的傅里叶变换为S(f.)=F(s(z)=Js(z)exp(-j2fz)dz=kTT-2m/f(10)e式中：S(f.）为静电传感器的空间滤波传递函数；f.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1S.=ki(2/f)2王茂杰，等：基于静电法的烟尘流速检测技术(3)mx=V/h由于流动过程中h受烟尘分布的影响为非定值,所以引人速度无量纲校正系数gh，则式（12)(5)可以写为=gifmx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sR(6)(7)12=(8)(9)(11)h581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)(13)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，H SA）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2 3-2 5 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，IM F）。IM F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。3火烟尘流速测量实验3.1实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582图3所示。静电信号功率谱曲线EMD分解提取功率求取估算谱趋势线尖峰频率图2 静电信号流速计算基本过程Fig.2 The basic process of electrostatic signal velocitycalculation77777771.鼓风机；2.高压气罐：3.控制阀：4.流量计：5.给粉机；6.混合器；7.旋风除尘器；8.回收器；SE为插入式静电传感器图3鼓风机气力输送装置示意图Fig.3 Pneumatic conveying device diagram of blower1)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140 0 r/min，给粉速率范围为30g/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12 0 0 mm、外径40mm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，探头测量流经插人探针的静电信号。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Tab.1 The structural parameters of measure device参数名参数值管道壁厚/mm2绝缘管道材料PVC探针半径/mm管道介电常数4探针长度/mm管道半径/mm40西北大学学报（自然科学版）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=计算流速1.02kHz,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2 0 0 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SEDAQAssistant控件，设置合理的采样点数与采样速率，双通道采集使用ConvertfromDynamicData控件,并分别设置 Channel 0与Channel1显示并作FFT变换。存储部分采用FlatStructure控件。最终实现信号的采集、显示、存储、信号HHT滤8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Fig.4Blower dust conveying device3.2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。参数值参数名探针电极材料30 4不锈钢120绝缘层聚四氟乙烯第53卷测量系统主要包括数据采集模块和基于PC3.3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）为经过第4期EMD分解后提取的趋势线，尖峰频率为52.7 3Hz。2)速度测量。在固定的给粉流量（8.9 2 g/s）0.2时间/(a)原始信号(,zH:A)/暴IASd0.010.00500(,zH :A)/IASd10342王茂杰,等：基于静电法的烟尘流速检测技术0.050-0.050583条件下，选取不同风速进行多次测量，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。0.10.3100200频率/Hz(b)功率谱曲线0.43004000.550000Fig.5 The soot conveying platform extracts the peak frequency of electrostatic signal表2 烟尘输送实验在不同风速下测量的尖峰频率Tab.2Spike frequencies measured at different wind speeds in soot transport experiments测量次数U=5.62 m/s152.05250.80353.02452.10551.56652.24752.73平均值52.07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Tab.3Standard deviation of each measurement point测量点数j5标准差g;/Hz0.681.890.71.420.78则5组测量的标准偏差为m51Sm式中：m为测量点数。平均值的标准偏差为100图5烟尘输送平台提取静电信号尖峰频率U=7.68 m/s68.1471.8170.8768.9972.4171.4173.6771.04125200频率/Hz(c)EMD分解后的趋势线尖峰频率/HzU=9.77 m/s90.6592.4992.8192.2891.9592.2691.6692.01S)/n当置信因子K=2,置信度为9 5%时的重复性为34=1.2 Hz(14)300KS(j)_ 2 0.45RYr.s式中：Yr.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Yr.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400u=10.93 m/s106.97107.23105.83109.12105.45106.08108.52107.03S1.2:0.45 Hz 100%=1.4%65(16)500V=12.05 m/s116.58117.36118.34115.98117.12117.24116.37117.00(15)584V=0.097 6 fmax+0.639 2根据拟合公式得到校正系数gh为0.0 9 7 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。13风速空间滤波法速度111097655Fig.6Comparison of spatial filtering velocity and windspeed4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。参考文献1程志彪,何小刚.基于PLC 的等流速在线烟尘采样控制装置设计J.仪表技术与传感器，2 0 16（12：53-56.CHEN Z B,HE X G.Control device design for constantvelocity on-line soot sampling based on PLCJ.In-strument Technique and Sensor,2016(12):53-56.2王小鑫，胡红利，唐凯豪.电学法多相流测量技术西北大学学报（自然科学版）(17)3季经纬，蔡伟明，田志坚，等.超细干粉气固两相流在水平直管中的流动特性研究J.消防科学与技术,2 0 2 2,41(10):1445-1450.JI J W,CAI W M,TIAN Z J,et al,Study on the flowcharacteristics of ultra-fine dry powder gas-solid two-phase flow in a horizontal straight pipe J.Fire Sci-ence and Technology,2022,41(10):1445-1450.4杨琦，刘秀，刘吉，等.电学法测气固两相流参数技术的研究现状J.计量技术,2 0 17(9：6-9.YANG Q,LIU X,LIU J,et al.Research status of meas-uring parameters of gas-solid two-phase flow by electri-cal method J.Metrology Science and Technology,2017(9):6-9.5吴昊，谭超，董峰.电容电导传感器油水两相流含率测量J.中国科学院大学学报，2 0 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