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为解决密相气力输送过程中信号规律不明确及煤粉浓度测量难题，研究人员以 ECT 信号研究煤粉密相气力输送。发现噪声为白高斯噪声，去噪信号是 α 维分形布朗运动信号，并提出浓度计算方法，有助于理解 ECT 信号本质特征。
在工业领域，气力输送技术就像一条无形的 “物流通道”，广泛应用于食品、化工、制药等多个行业。想象一下，在现代化的工厂里，各种粉末状的原料通过管道，在气流的推动下快速、高效地运输到各个生产环节，极大地提高了生产效率。然而，这条 “通道” 却隐藏着许多不为人知的秘密。
经过一百多年的发展，气力输送技术虽已取得不少成果，但仍存在诸多难题。在密相气力输送过程中，气固两相之间的相互作用极其复杂。比如，颗粒会对气相产生影响，颗粒与颗粒之间也会相互碰撞、干扰；固相会改变气体的湍流状态，而气体的湍流又反过来影响颗粒的运动轨迹。这些复杂的相互作用使得气力输送系统充满了随机性，这种随机性直观地体现在流型的多样性上。不同的气速、固体质量流量等条件下，管道内会出现诸如环形沉积、重力沉积等不同的颗粒沉积类型，在垂直管道和流化床系统中，还会出现悬浮流、环形流、团聚流等多种流型。
不仅如此，密相气力输送的特征信号也十分多样。由于其体积浓度高、流型复杂，目前人们对其流动规律和机制的理解还不够完善，缺乏成熟的理论支持。而且，受实验条件限制，在密相气力输送过程中，与流体动力学相关的参数的瞬态分布特征难以直接测量，这使得全面、准确、系统地分析气固两相流信息变得困难重重。例如，黑色煤粉具有很强的粘性，用高速相机很难捕捉其流型。虽然电容层析成像（ECT）作为一种非侵入式的实时监测方法，被越来越多的学者用于监测管道内的流动特征，但对于表征煤粉密相气力输送浓度波动的 ECT 信号是否遵循特定规律，相关研究却很少。同时，在非稳态密相气力输送的质量流量测量方面，传统的称重法受支点轴承摩擦影响，难以实现在线流量测量；现有的一些算法，如基于文丘里管的算法，又存在未考虑时间因素、缺乏气固两相流本质特征参数等问题，导致部分工况下测量偏差高达 30% 。
为了解开这些谜团，研究人员开展了深入研究。他们通过分析表征煤粉密相气力输送中复杂气固两相流的 ECT 信号规律，获取了填充床流、柱塞流、搅拌流和稀密相流这四种典型流型的本质信号和噪声信号。在此基础上，提出了一种全新的浓度预测方法。这项研究成果发表在《Chinese Journal of Chemical Engineering》上，为深入理解煤粉密相气力输送的本质特征提供了新的视角和方法，对相关工业生产的优化具有重要的指导意义。
研究人员在实验过程中用到了多种关键技术方法。他们采用了闭环密相气力输送系统来输送煤粉，该系统中的关键组件包括内径 50mm、长 15m 的水平不锈钢输送管道。利用 8 电极电容传感器组成的 ECT 系统采集数据，其数据采集频率为 100Hz，横截面浓度测量精度可达 ±2.5%。通过控制压缩空气系统提供 0.5 - 0.8MPa 的气压，对应 3 - 12m?s–1的表观气速；利用由双吹罐系统组成的固体给料器，实现 2 - 15kg?s–1的固体质量流量控制。此外，运用 db2 小波分析对 ECT 信号进行去噪处理，还采用了希尔伯特变换（Hilbert transform）进行时频分析。
Hilbert 变换时频分析
Hilbert 变换分析能够反映信号的时频特征，它可以将实信号转换为解析信号，也就是把一维信号变换到二维复平面上。复数的模和幅角分别代表信号的幅度和相位，通过解析信号可以计算出包络（瞬时幅度）和瞬时相位。实际上，计算得到的包络是信号在某个方向上的投影。通过对去噪后的 ECT 信号进行 Hilbert 时频分析，可以更深入地了解信号的频率特性，为后续研究提供重要依据。
结果与讨论
基于前人研究以及 Cong 等人的定义，本研究确定了四种典型流型，分别是（a）填充床流，（b）柱塞流，（c）搅拌流和（d）稀密相流。研究发现，经过 db2 小波去噪后，密相气力输送中的噪声属于白高斯噪声。对去噪后的 ECT 信号进行分析，发现其功率谱密度函数的分布特征表明这些信号属于 α 维分形布朗运动（fBm）信号，并且利用去趋势波动分析（detrended fluctuation analysis）对参数 α 进行了估计。这一结果揭示了 ECT 信号的内在特征，为进一步研究气固两相流提供了关键线索。
结论
本研究运用电容层析成像技术来表征煤粉密相气力输送过程，对填充床流、柱塞流、搅拌流和稀密相流这四种典型流型的 ECT 信号波动进行了研究。发现密相气力输送中的噪声为白高斯噪声，对去噪后的 ECT 信号进行 Hilbert 时频分析得到了信号的频率特征。基于去噪 ECT 信号的 fBm 特征和白高斯噪声，提出了一种计算密相气力输送中煤粉浓度的方法。这一研究成果不仅为浓度估算提供了具有工程指导意义的方法，还有助于人们进一步理解密相气力输送中 ECT 信号的本质特征，为优化气力输送过程、提高工业生产效率奠定了理论基础。未来，相关研究可以在此基础上进一步拓展，探索更多复杂工况下的气固两相流特性，推动气力输送技术的发展。
