基于電容耦合式非接觸電導檢測的氣液兩相流參數(shù)測量新方法研究.pdf

1、氣液兩相流系統(tǒng)在石油、化工、能源、制藥以及電力等工業(yè)領域中廣泛存在，其流型和相含率的在線測量對兩相流系統(tǒng)的運行監(jiān)控、過程控制及安全保證等具有十分重要的意義。由于兩相流動的復雜性和隨機性，氣液兩相流的流型辨識和相含率測量一直以來是科學研究和工業(yè)應用領域中長期未能得以很好解決的測量難題。電容耦合式非接觸電導檢測（Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection，簡寫為C4D）是一

2、種新型的電導檢測技術，有望為氣液兩相流參數(shù)測量提供一條新的解決途徑。本學位論文擬研究C4D技術應用于氣液兩相流流型辨識和相含率測量的可行性，并基于C4D技術，結合現(xiàn)代信息處理技術，提出氣液兩相流流型辨識和相含率測量的新方法。
　　 本學位論文的主要創(chuàng)新點和貢獻如下:
　　 1、基于串聯(lián)諧振的原理，研發(fā)了一種適用于氣液兩相流參數(shù)測量的新型C4D傳感器。研究結果表明，所研發(fā)的的基于串聯(lián)諧振的單屏蔽C4D傳感器是成功的。基于串

3、聯(lián)諧振的原理消除了耦合電容對電導測量的不利影響，改善了傳統(tǒng)C4D傳感器的電導測量范圍和分辨率，將C4D的管徑適用范圍從毛細管尺寸擴展至毫米級尺寸（本文所研制的新型C4D傳感器內徑尺寸最大已達7.8mm）。研究結果同時表明，所研發(fā)的新型C4D傳感器在較大管徑下的電導率測量精度令人滿意。在內徑分別為1.8mm、3.3mm、5.5mm、7.8mm四種管徑下，電導率測量的最大相對誤差均小于3.5％。所研發(fā)的新型C4D傳感器具有測量范圍廣，分辨率

4、好，結構簡單，穩(wěn)定性和抗干擾性能佳等優(yōu)點，為基于C4D的氣液兩相流參數(shù)測量奠定了有效的技術基礎。
　　 2、利用C4D傳感器獲得的電導信號，結合現(xiàn)代信息處理技術，研究了氣液兩相流流型辨識問題。根據(jù)特征提取方法的不同，分別提出并對比了兩種流型辨識新方法:1）采用統(tǒng)計分析和傅里葉分析方法對所獲得的電導信號進行特征提取，然后將提取的特征輸入到由SVM建立的流型分類器中實現(xiàn)流型辨識;2）采用統(tǒng)計分析和小波分析方法對所獲得的電導信號進行特

5、征提取，然后將提取的特征輸入到由SVM建立的流型分類器中實現(xiàn)流型辨識。研究結果表明，C4D技術應用于氣液兩相流流型辨識是可行的，所提出的兩種流型辨識新方法均是有效的。在內徑分別為1.8mm、2.8mm、4.0mm、6.1mm和7.8mm水平管下，層狀流、波狀流、泡狀流、段塞流和環(huán)狀流的辨識結果令人滿意。其中，采用統(tǒng)計分析、小波分析和SVM相結合的流型辨識新方法的辨識準確度更好（采用統(tǒng)計分析、小波分析與SVM相結合的流型辨識準確率均高于9

6、1％，采用統(tǒng)計分析、傅里葉分析與SVM相結合的流型辨識準確率均高于87％）。研究結果同時表明，將特征提取和SVM分類技術相結合進行氣液兩相流流型辨識是有效的。所提取的均值、標準差和能量分布特征可有效反映流型的信息，采用SVM分類技術能夠成功實現(xiàn)多種流型的分類問題。
　　 3、利用C4D傳感器所獲電導信號，并結合SVM回歸技術，提出了氣液兩相流相含率測量新方法。該方法為克服流型對測量結果的影響，需根據(jù)氣液兩相流的不同典型流型分別建

7、立相含率測量模型。在相含率測量過程中，預先利用SVM回歸技術建立各典型流型下的測量模型。實際測量時，首先利用所研發(fā)的新型C4D傳感器獲取氣液兩相流電導信號，然后進行流型辨識并獲得當前流型，最后根據(jù)流型辨識結果選擇相應的相含率測量模型計算相含率值。研究結果表明，C4D技術應用于氣液兩相流相含率測量是可行的，所提出的相含率測量新方法是有效的。在內徑為7.0mm水平管下，層（波）狀流、泡狀流、段塞流和環(huán)狀流典型流型下的氣相含率測量的最大絕對誤

8、差均不高于7.0％。研究結果同時表明，利用特征提取和SVM回歸技術建立的氣液兩相流相含率測量模型是成功的。所提取的氣液兩相流電導均值和標準差兩個特征參數(shù)能有效反映相含率的信息，采用SVM回歸技術能有效克服電導信號與相含率之間的非線性關系，成功建立了氣液兩相流的相含率測量模型。
　　 本學位論文的研究證實了C4D技術可為兩相流的參數(shù)測量提供一種新的解決途徑，同時也為C4D這一新技術在工程應用領域的進一步拓展提供了有益的借鑒。