强化管内气固测量技术的进展

随着研究的深入，一些学者［10~11］发现测量气固流动状况的光纤探头捕捉到的非线性信号具有混沌特性，于是将混沌理论引入气固流动状况分析。RonaldW.Breault采用混沌理论分析光纤探头测得的信号，以Kolmogorow熵定量地表征系统的动力学特征，并将其与时均行为相关联。实验证明Kolmogorow熵能随固含率的变化呈规律性的变化，能正确地反映相应的流型特征，能详细描述出流化床内复杂的流动状况，但是目前混沌理论多适用于分析低速流化床内的流动状况。

电容层析成像技术电容层析

电容层析成像技术主要包括2部分：测量部分和再现算法部分，测量部分是传感器关键组成部分，为研究的重点，传感器是由极板，外部接地屏蔽罩，极板间径向保护极板所构成。一般情况下，对于1个N电极传感器，可测得的电容值数量为M=N•（N-1）/2，其中1个电容值代表管内多相流体在一个角度的投影数据，所以1次完整的测量过程是就对管内多相流体进行M个不同角度的扫描。增加极板数目，获得的电容值的数量就会增加，重建图像的质量也会增加。但是，极板数目并非越多越好，极板数目增多会带来信噪比降低、边缘效应等问题［13］。目前ECT系统通常采用的传感器是由YorkTA［14］研制的8电极传感器，其数据采集速率为6000帧/s。有学者［15］将8电极传感器改进为12电极传感器，韩优［16］针对多电极传感器存在的问题重新设计了数据采集系统和图像重建系统，在大量实验数据的基础上较为准确地描述了提升管内的流动状况。最新的传感器是由美国能源部研究出的16电极传感器，目前已投入流化床的研究。再现算法部分是ECT系统图像重建的核心。通常对于简单物质分布采用简化线性逆反推算法（LBP），对于复杂的非线性测量场，常采用大量的修正算法［17］，如反复利用正逆过程消除误差的叠代法［18］等。以上方法都是将非线性信号简化成线性，因此在图像重建时不可避免地产生误差。为了减小误差，一些学者研究出了具有学习记忆及智能处理能力的人工神经网络法，其常用的算法是前馈网络（采用误差反向传播的BP算法）。研究人员运用人工神经网络的智能模式识别功能判别非线性状态的流型［19］。DuB.［20］则将ECT和神经网络多标准最优化重建技术（NN-MOIRT）结合获得三维图像，更加直观地反映了提升管内颗粒的分布状况。Xiong通过将小波分析法应用到ECT中，降低原始数据的噪声影响，提高重建图像质量，使图像能进一步放大。

示踪技术

示踪技术的原理是在2相流中的任意一相加入和传送颗粒有同样密度和尺寸的示踪物，通过监测示踪物来确定流化床内的流动状况。用于测量流动状况的示踪物有很多，常用的有盐颗粒，放射性颗粒，荧光颗粒等。在测量提升管内颗粒流动状况的过程中，一些学者也会采用放射性颗粒示踪技术。放射性颗粒示踪技术是将可以发射射线的颗粒注入流化床，通常1次只注入1个放射颗粒，用设置在提升管上的闪烁探测器接收示踪颗粒所发射出的射线，通过分析探测器检测到的射线辐射量，估计流化床线的衰减程度算出颗粒在较长一段时间内的瞬态三维运动位置和瞬时速度分量。磷光颗粒示踪技术是一种不会干扰原流场的测量技术。磷光物质有一种特性：光照到磷光物表面时，磷光物质会发出一定频率的光，光停止照射后还会有逐渐减弱的余辉。魏飞利用磷光物质的这一特性，将少量的磷光物质加入Al（OH）3溶胶中制得与床内物料物性一致的颗粒，当磷光物质与物料一起运动时，用强光短暂照射，探头检测磷光物质的余辉并将余辉光强转化为电信号，经计算机A/D转换后输入计算机。魏飞采用磷光颗粒技术实现了示踪物瞬时无扰动注入，避免了对流场的影响，此外磷光物质的余辉可随时间逐渐衰减，解决了示踪颗粒在床中积累的问题，但是前期制备小粒径示踪剂较为复杂是该项技术的弊端。

多普勒测量技术

在提升管内颗粒流动状况的测量中，根据多普勒原理研发的测量技术备受重视。目前常用的多普勒原理测量技术有激光多普勒测量技术、超声多普勒测量技术、相位多普勒技术等。激光多普勒技术一般应用于固含率较低的气固两相系统中，测量局部颗粒的瞬时速度。该技术的测量原理是先用激光照射运动的颗粒，再检测散射光和入射激光的频率差（即多普频移），根据速度正比于多普勒频移的关系算出颗粒运动的速度。超声多普勒测量技术由超声信号发射、接收由一个探头组成。不同深度处反射信号经放大补偿后通过解调检波分离出多普勒信号，将多普勒信号转换为数字信号，测量体积的轴向空间由采样时间来确定，发射信号与接收信号之间的时间差决定探头到测量体积之间的距离，信号经A/D转换器后通过一个高通滤波去除稳态和拟稳态信号，最后得到的多普勒频率用来计算物体速度。相位多普勒技术用于测量多相系统中分散相的大小、速度和相间的滑移速度。是根据颗粒的散射光产生的相位移动来确定粒径的大小。Abdelghafour采相位多普勒粒子分析技术（PDPA）和激光多普勒技术相结合的方法同时测量粒子速度和粒子粒径。刘会娥将相位多普勒技术与磷光颗粒示踪技术结合对提升管中颗粒速度和停留时间同时进行测量，发现提升管内颗粒轴向返混严重，颗粒停留时间分布曲线拖尾严重。多普勒测量技术具有测量精度高，时间和空间分辨率高，对流场无干扰等优点，但是该技术只适于固含率较低的两相系统。

结论

在众多测量技术中，光纤探头测量技术操作简单，价格便宜，使用范围广，但是这项技术会对流场产生较大的影响，降低测量准确性。电容层析成像技术、射线投影成像技术及多普勒测量技术属于非侵入式测量技术，对流场无干扰，但该技术的实施较为复杂，价格昂贵，在实际操作中往往得不到较好的测量结果。上述技术虽然研究的较为成熟，但是都存在一定的问题，例如干扰原流场、图像重建复杂、适用范围小、不适合工业装置使用等问题。

作者：李楠 董群 刘乙兴 刘沙 赵玲伶 白树梁 单位：东北石油大学化学化工学院