基于ESMD的濃相氣力輸送顆粒靜電信號(hào)分析及速度測(cè)量

丁佐榕　 李　健　 王勝南　 許傳龍　 王式民

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京210096)

?

基于ESMD的濃相氣力輸送顆粒靜電信號(hào)分析及速度測(cè)量

丁佐榕 李健 王勝南 許傳龍 王式民

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京210096)

針對(duì)濃相氣力輸送中顆粒相的復(fù)雜流動(dòng)特性,采用極點(diǎn)對(duì)稱模態(tài)分解方法分析靜電環(huán)狀和弧狀陣列信號(hào).研究了多種工況下輸送系統(tǒng)啟停過(guò)程和過(guò)渡過(guò)程中不同分解模態(tài)靜電信號(hào)的能量和頻率分布信息特性,提出了一種新的濃相氣力輸送顆粒速度測(cè)量方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.研究結(jié)果表明，環(huán)狀電極靜電信號(hào)的能量分布信息能夠用來(lái)判斷輸送系統(tǒng)在啟停過(guò)程中顆粒流動(dòng)的穩(wěn)定性;弧狀電極靜電信號(hào)的能量信息可用來(lái)判斷管道內(nèi)顆粒相的分布情況.文中提出的靜電信號(hào)瞬時(shí)頻率顆粒速度測(cè)量方法相比于空間濾波測(cè)速法,其特征系數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差至少降低58%,表明該速度測(cè)量方法可以穩(wěn)定并準(zhǔn)確測(cè)量濃相氣力輸送顆粒速度.

濃相氣力輸送;靜電信號(hào);極點(diǎn)對(duì)稱模態(tài)分解;流動(dòng)穩(wěn)定性;空間濾波

氣力輸送是指在管道中借助氣體的能量(動(dòng)能或靜壓能)使顆粒物料按照指定的路線進(jìn)行連續(xù)輸送的一種運(yùn)送方式,在能源、化工、冶金、醫(yī)藥和食品加工等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1].氣力輸送粉體過(guò)程中,顆粒與管壁、顆粒與顆粒之間的碰撞、摩擦、分離引起電荷的轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致顆粒帶有一定量的電荷,即產(chǎn)生顆粒荷電現(xiàn)象.顆粒荷電包含了顆粒速度、濃度及顆粒尺寸等大量信息[2].近年來(lái),基于顆粒荷電現(xiàn)象已開(kāi)發(fā)了多種形式的靜電傳感器,用于顆粒速度、濃度、流量等參數(shù)的測(cè)量,且采用先進(jìn)的靜電信號(hào)分析方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送系統(tǒng)流動(dòng)特性的研究[3-6].

目前主流的靜電信號(hào)分析方法有(快速)傅里葉變換、小波變換和希爾伯特-黃變換等[7-8],但都存在一定局限性.如基于(快速)傅里葉變換的空間濾波測(cè)速法存在功率譜曲線波峰不明顯甚至被掩蓋等問(wèn)題[9];小波變換只有在全局均線被恰當(dāng)提取出來(lái)的前提下,其剩余信號(hào)才能被視為脈動(dòng)量并做時(shí)頻分析;希爾伯特-黃變換的篩選次數(shù)難以準(zhǔn)確確定,其分解得到的趨勢(shì)函數(shù)較粗略而導(dǎo)致有用信息丟失[10].極點(diǎn)對(duì)稱模態(tài)分解方法(extreme-point symmetric mode decomposition method, ESMD)借鑒了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition, EMD)的思想,適用于大氣和海洋科學(xué)、地震學(xué)、信息科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的研究[11].

本文利用極點(diǎn)對(duì)稱模態(tài)分解方法對(duì)用于濃相氣力輸送過(guò)程的環(huán)狀和弧狀電極輸出的靜電信號(hào)進(jìn)行分析,研究濃相氣力輸送系統(tǒng)啟停過(guò)程及穩(wěn)定運(yùn)行條件下靜電信號(hào)各模態(tài)的能量波動(dòng)以及頻率分布規(guī)律,提出一種新的顆粒速度測(cè)量方法,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

1　靜電信號(hào)分析方法

1.1靜電傳感器結(jié)構(gòu)及基本原理

圖1為靜電傳感器的電極布置示意圖,包含2個(gè)靜電感應(yīng)環(huán)狀電極、2組靜電感應(yīng)弧狀電極陣列和3個(gè)抗干擾屏蔽電極.圖2為8個(gè)靜電感應(yīng)弧狀電極的截面位置分布示意圖.靜電傳感器上的靜電信號(hào)q可以由以下公式表示[6]:

q(t)=?σ(r,z,t)s(r,z)dzdr

(1)

式中,σ(r,z,t)為t時(shí)刻靜電傳感器內(nèi)空間電荷密度分布函數(shù),r為電極半徑,z為電極軸向長(zhǎng)度;s(r,z)為靜電傳感器空間靈敏度分布函數(shù).

弧狀電極與環(huán)狀電極的荷電機(jī)理是一樣的,只是它們的s(r,z)不同.研究表明，弧狀靜電傳感器具有局部敏感特性,即高靈敏度主要集中在靠近電極的邊壁區(qū)域[12].

1—管道;2—抗干擾屏蔽電極;3—環(huán)狀電極;4—弧狀電極圖1　靜電傳感器示意圖

圖2　弧狀電極位置分布示意圖

1.2ESMD分解過(guò)程

根據(jù)設(shè)定的采樣頻率fc和采樣點(diǎn)數(shù)N,對(duì)靜電傳感器采集到的靜電信號(hào)q={q1,q2,…,qN}進(jìn)行ESMD模態(tài)分解的具體步驟如下[13]:

① 將q的所有極值點(diǎn)(極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn))依次記為Pi(i=1, 2,…,n).

② 相鄰極值點(diǎn)用直線連接,將線段中點(diǎn)依次記為Fj(j=1,2,…,n-1).

③ 利用線性插值法補(bǔ)充Fj的左、右邊界值F0, Fn.

④ 通過(guò)3次樣條插值對(duì)奇序數(shù)的Fj(j=1, 3, 5,…)和偶序數(shù)的Fj(j=0, 2, 4,…)分別構(gòu)造2條插值線L1, L2,并計(jì)算均值曲線L*，即

(2)

⑥ 對(duì)q-M1重復(fù)步驟①～⑤,依次獲得模態(tài)分量M2, M3，…,Mk和余量R={R1,R2,…,RN}，k表示將原始信號(hào)分解為k個(gè)模態(tài)分量和1個(gè)模態(tài)余量R.

⑦ 設(shè)置篩選次數(shù)K的變化區(qū)間[Kmin, Kmax] (此處設(shè)定為[1,100]),在該區(qū)間內(nèi)對(duì)q進(jìn)行上述步驟①～⑥的分解計(jì)算,獲取σ/σ0與K的變化關(guān)系,其中σ為q-R的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，即

(3)

式中,h=1,2,…,N.

⑧ 取σ/σ0最小時(shí)對(duì)應(yīng)的K0,設(shè)置K0為步驟⑤中的最大篩選次數(shù),重復(fù)步驟①～⑥得到分解結(jié)果.

通過(guò)以上步驟的分解計(jì)算,原始靜電信號(hào)便可表示為

q=M1+M2+…+Mk+R

(4)

在獲得各模態(tài)分量分解結(jié)果后,可計(jì)算其瞬時(shí)頻率,具體步驟如下:

① 對(duì)第t個(gè)模態(tài)分量Mt={Mt1,Mt2,…,MtN}取上包絡(luò)線,記為振幅函數(shù)At={At1, At2,…,AtN}.

② 記Mt的p個(gè)極值點(diǎn)的序列編號(hào)為m1, m2,…,mp.計(jì)算相位角θt={θt1,θt2,…,θtN}，且

(5)

依次類推,每增加2個(gè)極值點(diǎn),相位增加2π.

③ 瞬時(shí)頻率為

(6)

通過(guò)線性插值法補(bǔ)充左、右邊界值,即

ft1=2ft2-ft3

(7)

ftN=2ft(N-1)-ft(N-2)

(8)

可得到模態(tài)分量Mt的瞬時(shí)頻率分布ft.

1.3能量

為研究靜電信號(hào)各模態(tài)分量的幅值變化趨勢(shì),定義了第t個(gè)模態(tài)能量Et的概念為

(9)

2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖3為加壓濃相氣力輸送實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[14].高壓氣經(jīng)過(guò)緩沖罐分成充壓風(fēng)、流化風(fēng)和補(bǔ)充風(fēng).發(fā)料罐采用底部流化上部出料方式,流化風(fēng)流經(jīng)布風(fēng)板后對(duì)發(fā)料罐中的粉體進(jìn)行流化,經(jīng)提升段進(jìn)入輸送管道,在發(fā)料罐出口引入補(bǔ)充風(fēng)增強(qiáng)輸送能力,充壓風(fēng)則維持發(fā)料罐的壓力不變.收料罐壓力由排氣管道上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)控制.緩沖罐氣源壓力始終維持在4 MPa.該系統(tǒng)中有2個(gè)安裝上呈對(duì)稱布置的相同料罐,體積均為0.648 m3,通過(guò)切換輸送管上的閥門可使2個(gè)容器互為物料的發(fā)送罐和接收罐.輸送管道內(nèi)徑為10 mm,輸送距離為53 m.

1—電動(dòng)調(diào)節(jié)閥;2—稱重傳感器;3—發(fā)(接)料罐;4—充壓風(fēng);5—流化風(fēng);6—補(bǔ)充風(fēng);7—緩沖罐;8—?dú)馄?9—可視窗;10—靜電傳感器測(cè)量段;11—壓力變送器;12—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);13—計(jì)算機(jī)
圖3加壓濃相氣力輸送實(shí)驗(yàn)裝置

采用石油焦顆粒作為實(shí)驗(yàn)輸送物料,其物性參數(shù)如表1所示.對(duì)表2中的4個(gè)工況進(jìn)行靜電信號(hào)采集與分析.靜電信號(hào)的采樣頻率為5 kHz,每個(gè)工況運(yùn)行所需的總時(shí)間約為600～700 s.

表1　物料特性

表2　實(shí)驗(yàn)工況

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)典型的靜電信號(hào)進(jìn)行ESMD分解，結(jié)果見(jiàn)圖4.其中,M1～M6為分解得到的6個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分量;R可視為全局均線,為原始靜電信號(hào)的最佳擬合曲線.

圖4　典型的靜電信號(hào)ESMD分解結(jié)果

3.1能量分析

圖5為工況1下環(huán)狀電極靜電信號(hào)各模態(tài)的能量分布.由圖可知,在輸送系統(tǒng)的啟停過(guò)程中,各模態(tài)能量都有明顯的增加;當(dāng)輸送系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí),各模態(tài)能量降低且波動(dòng)減小.結(jié)合圖6工況1中顆粒速度vs的分布可以看出,在啟動(dòng)時(shí),石油焦顆粒數(shù)量增加,則顆粒相與氣相間的滑移減小,顆粒相開(kāi)始團(tuán)聚,顆粒與顆粒間和顆粒與管壁間的相互作用減弱,最終表現(xiàn)為顆粒速度的降低;在停止時(shí),石油焦顆粒數(shù)量減少,顆粒相與氣相間的滑移增大,團(tuán)聚的顆粒相開(kāi)始分散,顆粒與顆粒間和顆粒與管壁間的相互作用增強(qiáng),最終表現(xiàn)為顆粒速度增加.由此可以判斷,在500～600 s的時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)處于全過(guò)程最穩(wěn)定狀態(tài).

圖5　工況1下各模態(tài)能量分布

圖6　工況1下顆粒速度分布

圖7為工況3下8個(gè)弧狀電極M1的能量分布.由弧狀靜電傳感器的局部敏感特性可知,在開(kāi)始段的0～40 s內(nèi),電極1,2,7,8的M1的能量所占比例高,表明顆粒分布集中在輸送管道右側(cè)區(qū)域;在40～100 s間,電極1,6,7,8的M1的能量所占比例高,表明顆粒分布集中在上半側(cè)區(qū)域;在100～110 s間,各電極最高頻能量值相近,輸送系統(tǒng)有一個(gè)短時(shí)間的穩(wěn)定狀態(tài),表明顆粒均勻充分地布滿管道,整體能量波動(dòng)具有較好的一致性.在穩(wěn)定運(yùn)行段,表現(xiàn)為電極1,6,7,8的M1的能量所占比例最高或者各電極相近,表明管內(nèi)顆粒分布處于偏向上半側(cè)與滿管分布的來(lái)回波動(dòng)中.在結(jié)束段,各電極M1的能量出現(xiàn)異常:急劇上升后急劇下滑,開(kāi)始上升是由于顆粒數(shù)量的降低,導(dǎo)致顆粒與顆粒間和顆粒與管道間作用加強(qiáng);隨后下滑是由于傳感器上感應(yīng)電荷消失,靜電量降低導(dǎo)致的能量降低.

圖7　工況3下弧狀電極M1能量分布

3.2頻率結(jié)果與分析

圖8為工況1下瞬時(shí)頻率的分布情況.結(jié)合圖6可以看出,瞬時(shí)頻率分布與vs分布有一致的變化趨勢(shì),而這種一致性在高頻模態(tài)分量M1上最為明顯.

圖8　工況1下瞬時(shí)頻率分布

基于瞬時(shí)頻率與vs變化的一致性,可以建立瞬時(shí)頻率和vs的關(guān)系式為

vs=gsf1

(10)

式中,f1為模態(tài)分量M1的瞬時(shí)頻率;gs為系統(tǒng)特征系數(shù).然而,靜電感應(yīng)空間濾波測(cè)速法是先對(duì)靜電信號(hào)進(jìn)行(快速)傅里葉變換，獲取信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率譜,然后提取趨勢(shì)項(xiàng)的峰值頻率fmax,其與vs之間的關(guān)系可表示為[15]

vs=grfmax

(11)

式中,gr為傳感器幾何特征系數(shù).對(duì)比式(10)與(11),可用特征系數(shù)的穩(wěn)定性來(lái)衡量這2種方法的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性.

表3　特征系數(shù)誤差

4　結(jié)論

1) 在輸送系統(tǒng)的啟停過(guò)程中,環(huán)狀電極靜電信號(hào)各模態(tài)能量都有明顯的增加;當(dāng)輸送系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí),各模態(tài)能量降低且波動(dòng)小.因此,靜電信號(hào)的能量信息可以作為氣力輸送系統(tǒng)啟停狀態(tài)穩(wěn)定性判斷的一個(gè)依據(jù).

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

2) 弧狀電極靜電信號(hào)能量信息能反映輸送管道徑向各個(gè)位置的顆粒脈動(dòng)強(qiáng)度,可用于判斷管道內(nèi)顆粒相的分布情況.

3) 所提出的ESMD分解瞬時(shí)頻率顆粒測(cè)速法相比于空間濾波測(cè)速法,其特征系數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差至少降低58%,表明該方法是一種有效的顆粒速度測(cè)量方法.

4) 靜電信號(hào)的最高頻模態(tài)在能量分析及頻率分析中都有很好的應(yīng)用價(jià)值.

References)

[1]鹿鵬,趙長(zhǎng)遂,陳曉平,等.煤粉高壓超濃相氣力輸送的實(shí)驗(yàn)研究[J].動(dòng)力工程, 2007, 27(5): 691-696,701. DOI:10.3969/j.issn.1674-7607.2007.05.008.

Lu Peng, Zhao Changsui, Chen Xiaoping, et al. Experimental research on high-pressure super dense-phase pneumatic conveying of pulverized coal [J].JournalofPowerEngineering, 2007, 27(5): 691-696,701. DOI:10.3969/j.issn.1674-7607.2007.05.008.(in Chinese)

[2]Bailey A G. Charging of solids and powders[J].JournalofElectrostatics, 1993, 30:167-180.DOI:10.1016/0304-3886(93)90072-f.

[3]Mathur M P, Klinzing G E. Flow measurement in pneumatic transport of pulverized coal [J].PowderTechnology, 1984, 40(1): 309-321.DOI:10.1016/0032-5910(84)85077-9.

[4]Yan Y. Mass flow measurement of bulk solids in pneumatic pipelines[J].MeasurementScienceandTechnology, 1996, 7(12): 1687-1706.DOI:10.1088/0957-0233/7/12/002.

[5]Li J,Xu C, Wang S. Spatial filtering characteristics of electrostatic sensor matrix for local velocity measurement of pneumatically conveyed particles[J].Measurement, 2014, 53: 194-205.DOI:10.1016/j.measurement.2014.03.037.

[6]許傳龍,王式民.密相氣力輸送顆粒靜電波動(dòng)信號(hào)多尺度分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào), 2011, 32(2):239-242.

Xu Chuanlong, Wang Shimin. Multi-scale analysis of electrostatic fluctuation signals in dense-phase pneumatic conveying of pulverized coal [J].JournalofEngineeringThermophysics, 2011, 32(2): 239-242. (in Chinese)

[7]Xu C, Liang C,Zhou B,et al. HHT analysis of electrostatic fluctuation signals in dense-phase pneumatic conveying of pulverized coal at high pressure[J].ChemicalEngineeringScience, 2010, 65(4): 1334-1344.DOI:10.1016/j.ces.2009.10.001.

[8]高鶴明, 常琦, 晏克俊.基于陣列式靜電傳感器的密相氣力輸送表觀氣速測(cè)量方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 2015, 36(4):787-794.

Gao Heming, Chang Qi, Yan Kejun. Research on the superficial gas velocity measurement method of dense-phase pneumatic conveying based on electrostatic sensor array [J].ChineseJournalofScientificInstrument, 2015, 36(4): 787-794. (in Chinese)

[9]許傳龍,湯光華,黃鍵,等.基于靜電傳感器空間濾波效應(yīng)的顆粒速度測(cè)量[J].化工學(xué)報(bào), 2007, 58(1): 67-74.DOI:10.3321/j.issn:0438-1157.2007.01.011.

Xu Chuanlong, Tang Guanghua, Huang Jian, et al. Solid particle velocity measurement based on spatial filtering effect of electro dynamic sensor [J].JournalofChemicalIndustryandEngineering(China), 2007, 58(1): 67-74.DOI:10.3321/j.issn:0438-1157.2007.01.011. (in Chinese)

[10]付飛飛. 基于多元信息分析的加壓密相氣力輸送顆粒流動(dòng)特性研究[D].南京:東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 2013.

[11]Wang J L,Li Z J.Extreme-point symmetric mode decomposition method for data analysis[J].AdvancesinAdaptiveDataAnalysis, 2013, 5(3): 1350015.DOI:10.1142/s1793536913500155.

[12]高鶴明,許傳龍,王式民.陣列式靜電傳感器靈敏場(chǎng)分布特性[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 30(5):76-82.

Gao Heming, Xu Chuanlong, Wang Shimin. Sensitivity distribution of electrodynamic sensor array [J].ProceedingsoftheCSEE, 2010, 30(5): 76-82. (in Chinese)

[13]王金良, 李宗軍. 極點(diǎn)對(duì)稱模態(tài)分解方法——數(shù)據(jù)分析與科學(xué)探索的新途徑 [M].北京:高等教育出版社, 2015: 43-72.

[14]Li J, Fu F, Li S, et al. Velocity characterization of dense phase pneumatically conveyed solid particles in horizontal pipeline through an integrated electrostatic sensor[J].InternationalJournalofMultiphaseFlow, 2015, 76:198-211.DOI:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2014.11.004.

[15]許傳龍,湯光華,楊道業(yè),等.靜電感應(yīng)空間濾波法測(cè)量固體顆粒速度[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007, 27(26): 84-89.DOI:10.3321/j.issn:0258-8013.2007.26.015.

Xu Chuanlong, Tang Guanghua, Yang Daoye, et al. Solid particle velocity measurement using electrostatic induction based spatial filtering method [J].ProceedingsoftheCSEE, 2007, 27(26): 84-89.DOI:10.3321/j.issn:0258-8013.2007.26.015. (in Chinese)

Analysis of particle electrostatic signals and velocity measurement in dense pneumatic conveying system based on ESMD

Ding Zuorong Li Jian Wang Shengnan Xu Chuanlong Wang Shimin

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Considering the complex flow characteristics of particle phase in dense pneumatic conveying system, electrostatic signals of electrostatic ring and arc array sensors were analyzed by using extreme-point symmetric mode decomposition (ESMD)method. The energy and frequency distribution properties of the electrostatic signals in different decomposed modes were studied during the startup, middle time and shut down process of dense pneumatic conveying system under different conditions. A new method for particle velocity measurement in dense pneumatic conveying system was proposed, and experimental verification was conducted. The results show that the energy distribution of ring electrostatic signal can be used to identify the flow stability of particles in the conveying system during the process of startup and shut down; the energy distribution of arc array electrostatic signal can be used to discern the distribution of solids inside the pipe.Compared with spatial filtering velocity measuring method, the relative standard deviation of the correction factor of the proposed method decreases 58% at least, indicating that the new method can measure the solid velocity of pneumatic conveying stably and accurately.

dense pneumatic conveying; electrostatic signal; extreme-point symmetric mode decomposition(ESMD); flow stability; spatial filtering

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.023

2016-02-18.作者簡(jiǎn)介: 丁佐榕(1991—),男,碩士生;許傳龍(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,chuanlongxu@seu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(51376049)、“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAA03B02)、江蘇省自然科學(xué)基金杰出青年基金資助項(xiàng)目(BK20150023).

TH934

A

1001-0505(2016)05-1032-06

引用本文: 丁佐榕,李健，王勝南，等.基于ESMD的濃相氣力輸送顆粒靜電信號(hào)分析及速度測(cè)量[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(5):1032-1037. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.023.