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算出近似正确的结果。但是以上方法只能获得空间单点的流体信息。为此，又有PIV技术的兴起。PIV技术称为颗粒成像测速法。该方法是将激光引入到流场照明中，根据照明区域决定拍摄流场的区域，并且利用高速相机拍摄某个时刻流场的图像，然后将其传入计算机，采用图像处理算法把其还原成图像，从而获得二维或三维的瞬态全流场的粒径大小、浓度分布、速度分布等流动信息。PIV技术现已在流化床、热态工业燃烧器流场测定中取得了大量的成功经验，因为以图像方式既能直观显示流动工况，又能进行全流场瞬时测定。但是对于高浓度的两相流，成像质量则相对比较差，这是因为激光很难穿过颗粒高密度区域。光学法，不仅测量精度高，又是非接触式测量，所以应用前景比较好。但是其测量仪器比较精密，对环境要求高，操作不易，目前阶段还不适合工业生产。运用光学法检测，需要使得激光穿过两相流，所以要求管壁是透明的，被测流固相浓度适中。所以，要求被测区域透光性能好，也是光学法测量目前存在的较大缺陷。而在实际应用中，管道基本是不透明的，颗粒在某种工况下分布也非常密集，这就成为光学测量技术发展的主要障碍。 1.3.3热平衡法
热平衡法测量原理是传热学和能量守恒基本原理，是目前火力发电厂使用较多的煤粉浓度计算方法。温度为Ts 的固相颗粒送入到输送管中后，被温度为的热空气边加热边向前输送。在此过程中，固相颗粒温度逐渐升高，气体温度逐渐降低。经过一段时间后，气固相温度达到一个平衡温度 。若忽略固相中所含水份的影响，则由能量守恒可得： μ=
CgTg?Cg'Tmix （1-1）
Cs'Tmix?CsTs式子中，μ为煤粉的浓度；Cg，Cg'分别为混合前后的热风的比热； Cs，Cs'分别为混合前后固相的比热；Tg，Tmix，Ts分别为混合前的热风温度，混合物的温度，混合前的固相温度。因此，若已知气体固体在不同温度下的比热，只需测出Ts，Tmix，Tg三点温度值，再对散热损失做适当修正，就可以得到管道内输送的固相浓度。
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热平衡法虽然在二十世纪八十年代就已经开始投入使用，但是此方法的使用范围受很大限制，只适用于热风送粉仓储式锅炉，不适用于直吹式送粉和乏气送粉的锅炉。而且，该方法需要很长的响应时间，不适用于动态过程检测，而且其重复性较差。 1.3.4电学法
电学法可分成电容法和静电法两种。静电法是利用流动粉体颗粒的静电特性来实现气固两相流参数检测的方法。粉体物料在输送过程中将会与管壁以及颗粒之间产生摩擦、分离、碰撞，在颗粒和其管道上将聚大量的电荷。检测静电传感器上通过静电感应产生的感应电荷的变化，并结合适当的信号处理方法，可以实现颗粒相浓度等参数的测量。电容法是基于敏感电容空间内电容随流动粉体颗粒浓度差异而产生变化特性来实现两相流参数检测。在气固两相流中，固相介质的介电常数通常比气体的大。因此，固相物质的存在和增加将会使电容敏感空间内测得的电容值增加。电容值的变化量与固相颗粒浓度密切相关，可以通过检测电容值变化量并结合适当的信号处理方法得到两相流的浓度及其他参数。
（a）电容法示意图 （b）静电法示意图
图 1-3 电学法测量示意图
电学法是目前研究最为广泛的多相流测试方法。电学法具有结构简单，成本低廉，易于安装，传感器响应速度快，实时性好，灵敏度高等优势。但是由于颗粒荷电的影响因素很多，带电量的大小与正负不仅与颗粒的本身属性（颗粒的形状，尺寸，分布，相
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对湿度，化学组分，体电阻等）有关，而且与管道的材料、布置，颗粒在管道内的输送条件（压力、温度、管道尺寸等）有关。建立颗粒浓度绝对测量值与静电感应信号之间的解析函数关系式非常困难。同样，电容测量值也很难建立起与相浓度之间的线性对应关系，并且参数之间的关系错综复杂，很难用解析式直接描述。 1.3.5过程层析成像法
过程层析成像法也被称作PT技术，这是20世纪80年代中后期时正形成和发展起来的一种以两相流或者多相流为主要对象的过程参数分布情况的实时在线测量技术。该技术利用围绕着被测管道的传感器阵列，用非接触方法获取被测物场在不同观测视角下的投影数据，利用计算机通过一些图像重建算法等手段，求得过程截面状况的二维可视化信息。与气固两相流测量有关的是以电学法为代表的方法，如ERT、ECT等技术。其中属测量介电常数分布的ECT技术测量应用范围最为广泛，研究得也相对比较多。有的研究增加电容传感器个数的已从最开始的一对电极增加到如今的6对12阵列电极；有的研究把它应用于矩形流道测量中；另外，还有基于ECT测量浓相物质的方法，如测量循环流化床等。PT技术是属于非侵入式测量的一种方法，它没有光学方法对透光的苛刻要求，理论上可应用于工业生产。从原理上讲，只要选择恰当的方法，就可以应用于各种两相流或多相流的相含率、相分布廓形、流型识别及相速度的检测。对于成像，图像质量好坏是该方法的关键点，而图像重建算法则是该方法的难点。经常用到的简化线性逆反推算法(LBP)仅仅对简单物质分布有效果。针对复杂的非线性测量场，科学家们研究了很多的修正算法。比如反复利用正逆过程消除误差的叠代法等，但是无论采用何种方法，都是将非线性简化成线性，这就不可避免地会造成图像重建时的数据存在误差。为了消除这些误差，就出现了具有学习记忆和智能处理能力的人工神经网络方法，其常用的算法是前馈网络，这是一种采用误差反向传播的BP算法。但是收敛速度较慢，经常会遇到局部极小值。针对这种情况，有科学家改善了BP算法，利用自适应步长和模拟退火法等方
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法。还有的科学家又提出一种多变量插值的径向基函数(RBF)法；也有人提出了均匀设计和遗传算法，这都在不同程度上改善了图像重建算法。另外，有的科学家还利用人工神经网络的智能模式识别功能判断受众多因素影响而呈非线性状态的流型。电学PT成像方法，有着颗粒浓度越低层析成像的灵敏度就越低、离传感器越远就越难测量准确等问题。当管道直径大于20mm时，管中心颗粒几乎不能成像，但是在实际工业管道的管道直径均远远大于20mm，而且实验所用都是绝缘管道，但是实际工业生产中的管道大部分都是金属材料组成的，这些材料都会对测量产生较大的影响，这是层析成像需要解决的难点之一。 1.3.6超声法
超声法是目前研究人数最少的课题，是此论文主要研究对象，详情见下面章节。
1.4本章小结
首先，介绍了超声波检测气固两相流浓度的意义。如今，研究气固两相流的浓度测量可谓是势在必行，大势所趋。无论在工业生产中，还是日常生活中，气固两相流都得到了广泛的应用，而浓度作为其重要的参数之一，就显得至关重要了。
其次，简述了如今超声波检测气固两相流所面临的困难。其中主要有，固态颗粒分布不均匀、固态颗粒速度分布不均匀、颗粒形状和尺寸的变化、颗粒的成分不唯一等。 最后，描述了当今几种测量气固两相流浓度的几种方法以及其各自优缺点。主流的方法有压差法、光学法、热平衡阀、电学法、过程层析成像法和超声法。他们各有各的优缺点，可根据工程现场环境和要求，进行选择。
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第二章 超声波浓度测量的基本原理
2.1超声波产生过程及其应用
超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得
较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、碎石、清洗、焊接、杀菌消毒等。在工业、军事、医学、农业上有着广泛的应用。超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。
每秒钟振动的次数就是声音的频率，单位是赫兹(Hz)。人类耳朵能够听到的声波频率范围是20Hz-20000Hz。所以，把频率高于20000赫兹的声波称作“超声波”。一般用于医学诊断的超声波的频率为1兆赫兹到30兆赫兹。在振幅相同的情况下，物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播的时候，介质质点振动频率非常高，所以能量很大.在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水桶中，强烈的振动可以使得桶中的水破碎成很多小雾滴，然后用小风扇把雾滴吹到室内，就可以为室内空气加湿，这就是超声波加湿器的基本原理。还可以利用它治疗咽喉炎、气管炎等疾病，人很难利用血流使药物到达患病的部位，利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够提高疗效。超声波巨大的能量还可以使得人体内的结石剧烈振动从而破碎，得以减缓病痛，达到治愈的效果。超声波在医学方面应用也十分广泛，它可以对物品进行杀菌消毒。 声波是物体做机械振动时部分能量的传播形式。由于它的频率高，所以具有很多特点：首先由于功率大，其能量比可闻声波大很多，所以可以用来钻孔、焊接、切削等。其次由于其波长短，频率高，衍射不严重，拥有良好的定向性，医学与工业上经常用超声波进行超声探测。可闻声和超声本质上是一致的，它们的共同点都是机械振动模式，它们一般以纵波的形式在弹性介质中传播，是一种能量的传播形式，不同点是超声波波长短，频率高，在一定距离之内沿直线传播拥有良好的方向性和束射性。
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