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基于静电传感器阵列的颗粒质量流量测量

基于静电传感器阵列的颗粒质量流量测量

作者：吴诗彤华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

气力输送管道中固体颗粒质量流量的在线测量有利于实现工业过程的优化控制、提高生产效率、降低污染物排放,而管道截面颗粒浓度分布和速度廓形的测量对颗粒质量流量的准确测量至关重要。受到管道方向、传感器的安装位置、输送风速等因... 详细信息

气力输送管道中固体颗粒质量流量的在线测量有利于实现工业过程的优化控制、提高生产效率、降低污染物排放,而管道截面颗粒浓度分布和速度廓形的测量对颗粒质量流量的准确测量至关重要。受到管道方向、传感器的安装位置、输送风速等因素的影响,管道截面上呈现不均匀的颗粒分布和不规则的速度廓形,因而利用大多数现有测量技术无法实现对截面颗粒的体积浓度、速度和质量流量等流动参数的精确测量。本研究设计了侵入式静电传感器阵列测量方形管道截面颗粒局部浓度和速度,并综合全截面上若干个局部测量点的流动参数计算截面颗粒平均流动参数。本研究主要完成的工作如下:(1)设计了由9对条状静电电极组成的静电传感器阵列,分别利用静电信号的均方根值和互相关速度法得到方形截面管道全截面上的9个区域的局部颗粒相对浓度和速度,结合安装于管壁上的非侵入式静电传感器阵列获得截面颗粒浓度分布和速度廓形。(2)实验在4种输送气流速度和4种给料机给定固体颗粒质量流量组合成的16种不同工况下进行,选取纯面粉作为实验材料,在管道内壁尺寸为54 mm的方形截面管道气力输送实验平台的水平和垂直管段上先后进行实验。实验结果显示,水平管道中管道底部颗粒更多,而垂直贵道中管壁附近的颗粒更多。水平和垂直管道截面内中心区域的颗粒比竹壁附近的颗粒运动速度更快。在较高的颗粒质量流量和输送风速条件下,截面颗粒浓度分布趋于均匀。(3)因非侵入式传感器阵列的测量精度受到了加权系数选择的影响,当测量管道内截面的颗粒局部参数时,新设计的侵入式传感器阵列更加可靠,因此可用于对其他类型的用于方形管道中的流量参数测量的非侵入式静电传感器阵列的校正。(4)针对16种不同的实验工况标定了固体颗粒质量流量,利用方环形静电电极阵列测量质量流量的测量准确度最低。在质量流量较低时,利用侵入式条形静电电极阵列测量质量流量的准确度最高。在质量流量较高时,利用非侵入式条形静电电极阵列测量质量流量的准确度最高。

关键词：颗粒流动廓形质量流量稀相气固两相流静电传感器阵列方形截面管道

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阵列式静电传感器灵敏场分布特性

中国电机工程学报 2010年第5期30卷 76-82页

作者：高鹤明许传龙王式民东南大学能源与环境学院江苏省南京市210096

粉体的气体输送过程中,颗粒的荷电包含了粉体速度、浓度及颗粒尺寸等大量信息,阵列式静电传感器是获取这些信息的重要手段,但由于静电传感器灵敏场的非均匀性,流型变化会给测量造成较大的误差。该文基于点电荷思想建立了阵列式静电传感... 详细信息

粉体的气体输送过程中,颗粒的荷电包含了粉体速度、浓度及颗粒尺寸等大量信息,阵列式静电传感器是获取这些信息的重要手段,但由于静电传感器灵敏场的非均匀性,流型变化会给测量造成较大的误差。该文基于点电荷思想建立了阵列式静电传感器的三维静电场数学模型,并应用有限元法系统地分析了阵列式静电传感器的结构参数(包括电极的长宽尺寸、屏蔽罩的长度和半径,绝缘管道的厚度等)对传感器灵敏场分布特性的影响。最后结合理论分析和实验,证实了模拟结果的准确性,从而为实现阵列式静电传感器的优化设计提供了理论依据。

关键词：电荷感应层析成像静电传感器阵列粒子带电有限元法气-固两相流

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阵列式静电传感器成像系统研究

阵列式静电传感器成像系统研究

作者：穆星达北京交通大学

学位级别：硕士

气／固两相流广泛存在于自然界、工业生产过程和科学实验中。气／固两相流参数的测量对于两相流流体的理论研究和工业生产中的效率控制及安全水平提高有着重要意义,是当前国内外学者的研究热点之一。通过静电法测量气／固两相流参数信... 详细信息

气／固两相流广泛存在于自然界、工业生产过程和科学实验中。气／固两相流参数的测量对于两相流流体的理论研究和工业生产中的效率控制及安全水平提高有着重要意义,是当前国内外学者的研究热点之一。通过静电法测量气／固两相流参数信息是一种新型检测手段,这种方法基于气／固两相流中固体颗粒静电特性来实现两相流参数的检测,具有结构简单、速度快、成本低等特点。本研究主要应用阵列式静电传感器成像系统对气固两相流的流型等参数进行实时可视化测量,完成相关理论和模拟实验研究。本文首先针对用于气／固两相流参数检测的静电传感器和重建算法的国内外研究现状进行了分析,总结了静电法测量两相流参数的基本原理。在此基础上提出了一种新型阵列式的静电传感器结构,利用COMSOL Multiphysics软件建立了系统的有限元模型,验证了传感器敏感空间的非均匀性,得到了传感器灵敏度在轴向、径向与周向方向上的分布曲线。根据得到的灵敏度分布特性,对传感器的结构和电极尺寸参数进行了优化设计与研究。根据阵列式静电传感器的特性,对流型分布的静电层析成像算法进行了研究,首先通过有限元模型完成了算法正向问题的建模和成像区域划分,在反问题的计算上采用了基于Tikhonov正则化的图像重建方法。采用边界滤波方法对正则化图像进行了边缘误差修正,并利用拉式算子对图像进行了锐化处理。基于最大熵方法对图像进行了二值化处理,使重建图像具有了更高的精度和可辨识度。通过气固颗粒流的模拟实验装置对系统进行实验验证,设计了传感器的信号调理和控制电路,并完成了控制与成像程序的编写。通过模拟实验研究可知,新型阵列式静电传感器在性能上优于传统结构的传感器。在实验中对不同流型下系统的成像结果进行了对比与分析,得到了较为准确的成像结果。

关键词：气固两相流静电传感器阵列感应成像有限元分析图像重建

基于EMD降噪的燃烧器火焰静电信号能量熵分析

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中南大学学报（自然科学版） 2021年第1期52卷 285-293页

作者：李珊闫勇吴佳丽钱相臣华北电力大学控制与计算机工程学院北京102206 肯特大学工程与数字艺术学院坎特伯雷肯特CT27NT英国

采用灵敏度高、结构简单、环境适应性强的非侵入式静电传感器阵列测量甲烷及生物质火焰的能量变化特性。基于经验模态分解的降噪方法对测量信号进行去噪处理,以获得信号的能量熵用于表征火焰中带电颗粒运动复杂度。实验中对甲烷-空气预... 详细信息

采用灵敏度高、结构简单、环境适应性强的非侵入式静电传感器阵列测量甲烷及生物质火焰的能量变化特性。基于经验模态分解的降噪方法对测量信号进行去噪处理,以获得信号的能量熵用于表征火焰中带电颗粒运动复杂度。实验中对甲烷-空气预混和扩散火焰以及甲烷助燃生物质火焰进行测量。研究结果表明:甲烷扩散火焰带电颗粒运动复杂度随燃料流量的增大而增大,相同甲烷流量下,空气流量越大预混火焰颗粒运动复杂度越高,生物质火焰中带电颗粒运动复杂度比气态甲烷火焰的高,火焰中部带电颗粒运动复杂度最高。

关键词：可再生低碳燃料火焰检测静电传感器阵列经验模态分解能量熵

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静电传感器测量固体颗粒质量流量实验研究

北京航空航天大学学报 2019年第8期45卷 1575-1581页

作者：吴诗彤闫勇钱相臣华北电力大学控制与计算机工程学院北京102206 肯特大学工程与数字艺术学院肯特CT27NT

航空发动机气路和排放尾气中固体颗粒物的监测有助于提高相关设备故障的识别和预警能力。采用3种不同形式的静电传感器测量方形管道中固体颗粒质量流量,并对其测量准确度进行了对比分析。3种静电传感器在4种输送气流速度和4种固体颗粒... 详细信息

航空发动机气路和排放尾气中固体颗粒物的监测有助于提高相关设备故障的识别和预警能力。采用3种不同形式的静电传感器测量方形管道中固体颗粒质量流量,并对其测量准确度进行了对比分析。3种静电传感器在4种输送气流速度和4种固体颗粒质量流量组合成的16种工况下测量了稀相固体颗粒的静电信号,并利用静电信号强度和固体颗粒速度进行了全工况固体颗粒质量流量标定。实验结果表明:方环形静电电极的平均测量偏差最大,侵入式条状静电电极阵列在质量流量较低时的测量偏差最小,非侵入式条状静电电极阵列在质量流量较高时的测量偏差最小。

关键词：航空发动机气固两相流质量流量测量方形截面管道静电传感器阵列

基于LSTM神经网络的流化床干燥器内生物质颗粒湿度预测

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化工学报 2020年第S1期71卷 307-314页

作者：方黄峰刘瑶瑶张文彪华北电力大学控制与计算机工程学院北京102206

生物质作为一种储量丰富、环境友好且易于获取的可再生能源,日渐成为能源研究利用领域的热点。生物质湿度是影响生物质利用效率的关键因素,因此干燥是生物质利用之前的必要步骤。流化床由于其良好的传热传质特性,在干燥过程中得到了广... 详细信息

生物质作为一种储量丰富、环境友好且易于获取的可再生能源,日渐成为能源研究利用领域的热点。生物质湿度是影响生物质利用效率的关键因素,因此干燥是生物质利用之前的必要步骤。流化床由于其良好的传热传质特性,在干燥过程中得到了广泛的应用。为了实时监测生物质颗粒的干燥过程,利用弧形静电传感器阵列,结合用于时间序列建模的长短期记忆(LSTM)神经网络,实现了流化床干燥器内生物质颗粒湿度的预测。在实验室规模的流化床干燥器上进行了多工况实验获取训练和测试数据,通过模型参数优化确定了LSTM模型。通过与标准循环神经网络(RNN)模型的预测结果的对比表明,LSTM神经网络模型的平均相对误差较小,能够较为准确地预测流化床干燥器内生物质颗粒的湿度。

关键词： LSTM模型生物质湿度神经网络静电传感器阵列流化床

基于非接触式静电传感阵列的二维流化床气泡参数测量

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热科学与技术 2023年第2期22卷 141-148页

作者：高行龙房新曹巍羊琛李健许传龙梅振锋国家能源集团江苏电力有限公司江苏南京210036 国家能源集团宿迁发电有限公司河南宿迁223800 东南大学能源与环境学院江苏南京210096 西安热工研究院有限公司陕西西安710054

实现流化床内气泡参数实时在线测量与表征,对深入了解流化床内气固流动特性以及反应过程调控具有重要意义。提出一种非接触静电传感阵列的气泡参数测量方法,通过静电传感器结合互相关法测量气泡上升速度,进一步利用气泡流经传感器的时间... 详细信息

实现流化床内气泡参数实时在线测量与表征,对深入了解流化床内气固流动特性以及反应过程调控具有重要意义。提出一种非接触静电传感阵列的气泡参数测量方法,通过静电传感器结合互相关法测量气泡上升速度,进一步利用气泡流经传感器的时间差,可获得气泡直径。开发了非接触式多路检测系统,并在二维流化床上开展了气泡特性实验研究。结果表明:静电传感器阵列结合互相关技术可实现在流化床内气泡上升速度、直径的同时测量;不同工况下,二维流化床中气泡的流动特性基本满足Davidson半经验公式,气泡的上升速度与流化风速及气泡直径的平方根成线性关系。非接触静电传感阵列对气泡流动不产生干扰,在表征流化床内部气泡流动特性方面具有重要的工程应用价值。

关键词：流化床静电传感器阵列互相关法气泡速度气泡直径

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基于静电传感器的绳状流在线识别与定位

基于静电传感器的绳状流在线识别与定位

作者：杨元清华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

在燃煤电厂,一次风管道内煤粉质量流量的在线测量对锅炉燃烧优化具有重要意义。由于气固两相流动的复杂性,煤粉颗粒在管道内分布非常不均匀,尤其在绳状流情况下,颗粒聚集成束并在管道内剧烈摆动,为流动参数的测量带来了极大困难。为了... 详细信息

在燃煤电厂,一次风管道内煤粉质量流量的在线测量对锅炉燃烧优化具有重要意义。由于气固两相流动的复杂性,煤粉颗粒在管道内分布非常不均匀,尤其在绳状流情况下,颗粒聚集成束并在管道内剧烈摆动,为流动参数的测量带来了极大困难。为了实现绳状流质量流量的测量,需首先对绳状流进行定位,但目前对于绳状流的定位还缺乏相关的研究。本课题在充分研究静电传感器的空间灵敏度特征以及室内定位领域各种定位方法的基础上,提出了基于静电传感器和位置指纹的绳状流定位方法,并开发了绳状流在线定位系统,初步实现了绳状流的在线定位。进一步,通过研究静电传感器阵列中电极的数量、尺寸、排布方式对定位精度的影响,对定位方法进行了改进。主要研究内容及结论如下:(1)利用矩量法对电极上的感应电荷进行了求解,获得了点电荷在不同位置处所引起的电极表面电荷密度以及电极感应电荷量,进而得到了电极中心法向上的空间灵敏度分布。利用有限元法进行仿真计算,获得了四电极在管道截面的空间灵敏度分布。两种方法获得的空间灵敏度在趋势上基本一致,相比之下,有限元法的计算结果更加精确。此外,对于管道轴向的空间灵敏度分布也进行了简单探究,结果显示距电极不同径向距离处,空间灵敏度沿管道轴向的变化趋势一致。在此基础上,提出了两种绳状流识别方案并进行可行性分析,结果表明利用短时间内静电信号均方根的标准差可实现绳状流与其他流型的区分。(2)提出了基于位置指纹和支持向量回归算法的绳状流定位方法。定义了相对空间灵敏度的概念,并通过仿真计算获得了管道截面上的相对空间灵敏度。提出了一种基于位置指纹和支持向量回归算法的定位模型,构造了位置指纹数据库并用其训练定位模型。利用有限元仿真所得数据对该模型的定位效果进行验证,结果表明:支持向量回归定位模型在绝大多数位置定位误差接近0 mm,管道拐角处的定位误差较大,最大定位误差不超过16.11 mm。(3)搭建了重力输送实验装置及在线定位系统。用有机玻璃细管中流过的石英砂颗粒来模拟绳状流进行实验,实验结果表明:当信号时间长度足够时(在本实验中为0.2 s),在7个实验位置的定位误差均不超过4.11 mm,定位结果具有足够的准确性;在管道拐角附近的定位误差最大。为实现测量系统的在线定位,进一步开发了在线定位软件并进行了实验测试,结果表明该软件能够实现静电传感器信号的实时显示、在线定位以及结果的实时显示等功能。(4)分析了电极数量、尺寸与排布方式对定位效果的影响及作用机理。结果显示:与电极数量较少的静电传感器阵列相比,电极数量较多的静电传感器阵列具有更小的平均误差;电极尺寸对定位效果存在显著影响,电极长度越长,整体定位误差数值越小,管道拐角处的定位效果也明显改善;将电极布置于管道拐角处可得到比布置于管道壁面中心更准确的定位结果。本文所提出的定位方法有利于消除绳状流位置变化引起的质量流量测量误差,为气力输送管道内绳状流的质量流量测量提供了基础,具有一定的理论研究与工程应用价值。

关键词：静电传感器阵列气固两相流绳状流定位位置指纹

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基于静电信号和图像的燃烧器火焰检测

基于静电信号和图像的燃烧器火焰检测

作者：李珊华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

在能源结构向低碳化转型的关键阶段,为尽快实现“碳中和”,有必要对清洁燃料火焰进行深入研究从而明晰其燃烧特性。本文系统综述了气态和生物质燃料火焰的检测方法以及火焰电学特性研究的发展动态,在实验室规模的燃烧设备上开展了甲烷... 详细信息

在能源结构向低碳化转型的关键阶段,为尽快实现“碳中和”,有必要对清洁燃料火焰进行深入研究从而明晰其燃烧特性。本文系统综述了气态和生物质燃料火焰的检测方法以及火焰电学特性研究的发展动态,在实验室规模的燃烧设备上开展了甲烷和生物质燃烧实验,并基于图像和静电信号分析了火焰的形态特征和电学特性,为全面了解清洁燃料燃烧特性提供了参考。本课题的主要工作内容如下:本研究使用非侵入式静电传感器阵列测量不同种类火焰的静电信号,并利用结合经验模态分解和小波阈值处理的降噪方法对静电信号进行去噪预处理。文章提出使用静电信号经验模态分解的能量熵表征火焰中带电颗粒运动复杂度,实现了对火焰中带电颗粒动态特性的具体表征。此外,本文通过静电信号的均方根值,功率谱密度主频和两相邻电极的互相关函数分别分析了火焰中带电颗粒浓度空间分布,火焰闪烁频率以及火焰在空气中的扩散速度。结果表明气流条件和化学反应剧烈程度对火焰中带电颗粒运动复杂度有较大影响,甲烷火焰中部带电颗粒浓度和运动复杂度最大,生物质火焰中带电颗粒空间分布无较大差异。为完整提取火焰燃烧区域实现火焰形态参数的准确计算,本文使用结合Canny边缘检测算法和形态学处理的图像分割方法处理火焰图像。在此基础上本文定义和计算了不同燃烧工况下火焰的长度、宽度和归一化灰度平均值,并对这些特征参数的影响因素展开了分析。利用图像信息,本文对图像序列互相关系数进行频谱分析提取了火焰的闪烁频率,提出使用火焰最大宽度位移速度表征火焰在空气中的扩散速度并与静电法所得结果进行了比对分析,验证了两种方法的可行性。实验结果表明火焰闪烁频率随燃料流量的加大增大,预混火焰扩散速度在当量比稍大于1时达到最大值。

关键词：低碳燃料火焰检测火焰电学特性火焰形态特征静电传感器阵列能量熵