基于非接觸電阻抗測(cè)量的氣液兩相流參數(shù)檢測(cè)新方法研究.pdf

1、氣液兩相流在工業(yè)過(guò)程中涉及范圍十分廣泛，其參數(shù)的有效測(cè)量是一個(gè)具有重大意義但仍未得到較好解決的課題。基于等效電導(dǎo)檢測(cè)的氣液兩相流參數(shù)檢測(cè)方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和實(shí)時(shí)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛關(guān)注，但該方法仍然存在兩方面不足:在測(cè)量機(jī)理方面，現(xiàn)有的電導(dǎo)檢測(cè)方法主要是接觸式的，其檢測(cè)電極直接與被測(cè)流體接觸，會(huì)引起電極極化和電化學(xué)腐蝕等問(wèn)題;在測(cè)量信息方面，現(xiàn)有的電導(dǎo)檢測(cè)方法以獲取流體等效電導(dǎo)信號(hào)為目的，但對(duì)復(fù)雜的氣液兩相流體而言，包含更多流動(dòng)特征的完

2、整電阻抗信息（實(shí)部、虛部和幅值）的獲取將更有利于氣液兩相流參數(shù)檢測(cè)。本學(xué)位論文針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有的電容耦合式非接觸電導(dǎo)檢測(cè)（Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection，C4D）技術(shù)存在的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，研發(fā)了新型非接觸式電阻抗傳感器，利用完整電阻抗信息實(shí)現(xiàn)氣液兩相流參數(shù)測(cè)量。
　　本學(xué)位論文中的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和貢獻(xiàn)如下:
　　1、為克服本課題組已有工業(yè)型C4

3、D傳感器存在的輸入輸出特性呈現(xiàn)非單調(diào)性的不足，提出了一種基于雙電感串聯(lián)諧振的非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)新方法，研發(fā)了一種工業(yè)型雙電感結(jié)構(gòu)C4D傳感器。該方法在激勵(lì)電極和檢測(cè)電極端各串聯(lián)一個(gè)電感器件，不僅克服了耦合電容對(duì)測(cè)量的不利影響，還解決了已有工業(yè)型C4D傳感器輸入輸出特性的非單調(diào)性的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的基于雙電感串聯(lián)諧振的非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)新方法是有效的，所研發(fā)的工業(yè)型雙電感結(jié)構(gòu)C4D傳感器是成功的。在四種管道（內(nèi)徑分別為1.8mm、3

4、.3 mm、5.0mm和7.6mm）中，電導(dǎo)測(cè)量最大相對(duì)誤差均小于4％。
　　2、針對(duì)實(shí)除電感存在電感可調(diào)范圍窄、大電感制造困難和體積較大等問(wèn)題，引入模擬電感技術(shù)，提出了基于模擬電感串聯(lián)諧振的非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)新方法。研發(fā)了對(duì)稱(chēng)浮置模擬電感以及基于對(duì)稱(chēng)浮置模擬電感的C4D傳感器。研究結(jié)果表明，對(duì)稱(chēng)浮置模擬電感和該新型C4D傳感器的設(shè)計(jì)是成功的，稱(chēng)浮置模擬電感等效電感值調(diào)節(jié)大并可實(shí)現(xiàn)較大電感值，采用對(duì)稱(chēng)浮置模擬電感的C4D傳感器的性能

5、和電導(dǎo)測(cè)量精度令人滿(mǎn)意。在三種管道（內(nèi)徑分別為3.0 mm、4.6 mm和6.4 mm）中，電導(dǎo)測(cè)量最大相對(duì)誤差均小于5％。
　　3、針對(duì)對(duì)稱(chēng)浮置模擬電感存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行穩(wěn)定性需重點(diǎn)考慮等問(wèn)題，研發(fā)了兩種基于接地模擬電感的C4D傳感器:A（利用電流轉(zhuǎn)電壓的原理）和B（測(cè)量分壓電阻兩端電壓差的原理）。在三種管道（內(nèi)徑分別為3.0mm、4.6mm和6.4 mm）中利用C4D傳感器A和C4D傳感器B進(jìn)行電導(dǎo)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接

6、地模擬電感和新型C4D傳感器的設(shè)計(jì)是成功的。與對(duì)稱(chēng)浮置模擬電感相比，接地模擬電感具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和運(yùn)行穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)。基于接地模擬電感的C4D傳感器的電導(dǎo)測(cè)量精度也令人滿(mǎn)意（三種管徑下，新型C4D傳感器A和B的電導(dǎo)測(cè)量最大相對(duì)誤差分別為4.5％和5.0％），且C4D傳感器A的整體測(cè)量性能較C4D傳感器B更好。
　　4、結(jié)合接地模擬電感阻抗相消技術(shù)和數(shù)字相敏解調(diào)(DPSD)技術(shù)提出了一種非接觸式電阻抗測(cè)量新方法，研發(fā)了一種新型非接觸式

7、電阻抗傳感器。該非接觸式電阻抗測(cè)量方法根據(jù)阻抗相消原理克服耦合電容對(duì)電阻抗測(cè)量的不利影響，利用DPSD技術(shù)獲取氣液兩相流的完整電阻抗（實(shí)部、虛部和幅值）信息。模擬和實(shí)際流體測(cè)量實(shí)驗(yàn)表明:所提出的非接觸式電阻抗測(cè)量方法是有效的，所研發(fā)的新型非接觸式電阻抗傳感器是成功的。模擬測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，電阻測(cè)量和電容測(cè)量的最大相對(duì)誤差分別為3.7％和2.4％，電阻-電容組合測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，電阻和電容測(cè)量的最大相對(duì)誤差分別為2.1％和5.1％;實(shí)際流體測(cè)量實(shí)驗(yàn)中

8、，KCl溶液電導(dǎo)率測(cè)量和有機(jī)溶劑介電常數(shù)測(cè)量的最大相對(duì)誤差分別為3.7％和5.8％。
　　5、將所研發(fā)的新型非接觸式電阻抗傳感器與小波分析和k均值聚類(lèi)方法相結(jié)合提出了一種基于非接觸電阻抗測(cè)量的氣液兩相流流型辨識(shí)新方法。該方法采用小波分析提取所獲電阻抗信號(hào)各部分的頻域特征，結(jié)合電阻抗信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征構(gòu)成特征向量，利用以馬氏距離作為距離度量指標(biāo)的k均值聚類(lèi)方法進(jìn)行流型分類(lèi)。三種管徑（3.0mm、4.0 mm和7.0mm）下的流型辨識(shí)實(shí)驗(yàn)

9、結(jié)果表明，所提出的流型辨識(shí)新方法是有效的。利用實(shí)部、虛部、幅值和完整電阻抗信號(hào)對(duì)泡狀流和段塞流進(jìn)行辨識(shí)的最低準(zhǔn)確率分別為91.1％和90.9％、90.2％和87.9％、92.7％和87.0％及91.1％和93.5％。采用完整電阻抗信號(hào)的整體流型辨識(shí)效果略?xún)?yōu)于單獨(dú)采用實(shí)部、虛部或幅值信號(hào)的流型辨識(shí)效果。
　　6、提出了一種基于非接觸電阻抗測(cè)量的氣液兩相流相含率測(cè)量新方法。該方法充分利用電阻抗各部分信息，結(jié)合最小二乘法，建立不同流型相