基于非接觸電阻抗測量的氣液兩相流參數(shù)檢測新方法研究.pdf

1、氣液兩相流在工業(yè)過程中涉及范圍十分廣泛，其參數(shù)的有效測量是一個具有重大意義但仍未得到較好解決的課題?；诘刃щ妼z測的氣液兩相流參數(shù)檢測方法具有結(jié)構(gòu)簡單和實時響應快等優(yōu)點而得到廣泛關(guān)注，但該方法仍然存在兩方面不足:在測量機理方面，現(xiàn)有的電導檢測方法主要是接觸式的，其檢測電極直接與被測流體接觸，會引起電極極化和電化學腐蝕等問題;在測量信息方面，現(xiàn)有的電導檢測方法以獲取流體等效電導信號為目的，但對復雜的氣液兩相流體而言，包含更多流動特征的完

2、整電阻抗信息（實部、虛部和幅值）的獲取將更有利于氣液兩相流參數(shù)檢測。本學位論文針對以上兩個問題，對現(xiàn)有的電容耦合式非接觸電導檢測（Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection，C4D）技術(shù)存在的問題進行改進，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現(xiàn)氣液兩相流參數(shù)測量。
　　本學位論文中的主要創(chuàng)新點和貢獻如下:
　　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檢測新方法，研發(fā)了一種工業(yè)型雙電感結(jié)構(gòu)C4D傳感器。該方法在激勵電極和檢測電極端各串聯(lián)一個電感器件，不僅克服了耦合電容對測量的不利影響，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)性的問題。實驗結(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檢測新方法是有效的，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，電導測量最大相對誤差均小于4％。
　　2、針對實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檢測新方法。研發(fā)了對稱浮置模擬電感以及基于對稱浮置模擬電感的C4D傳感器。研究結(jié)果表明，對稱浮置模擬電感和該新型C4D傳感器的設計是成功的，稱浮置模擬電感等效電感值調(diào)節(jié)大并可實現(xiàn)較大電感值，采用對稱浮置模擬電感的C4D傳感器的性能

5、和電導測量精度令人滿意。在三種管道（內(nèi)徑分別為3.0 mm、4.6 mm和6.4 mm）中，電導測量最大相對誤差均小于5％。
　　3、針對對稱浮置模擬電感存在的結(jié)構(gòu)復雜、運行穩(wěn)定性需重點考慮等問題，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進行電導測量實驗。實驗結(jié)果表明，接

6、地模擬電感和新型C4D傳感器的設計是成功的。與對稱浮置模擬電感相比，接地模擬電感具有結(jié)構(gòu)簡單和運行穩(wěn)定性較好等優(yōu)點?；诮拥啬M電感的C4D傳感器的電導測量精度也令人滿意（三種管徑下，新型C4D傳感器A和B的電導測量最大相對誤差分別為4.5％和5.0％），且C4D傳感器A的整體測量性能較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量方法根據(jù)阻抗相消原理克服耦合電容對電阻抗測量的不利影響，利用DPSD技術(shù)獲取氣液兩相流的完整電阻抗（實部、虛部和幅值）信息。模擬和實際流體測量實驗表明:所提出的非接觸式電阻抗測量方法是有效的，所研發(fā)的新型非接觸式電阻抗傳感器是成功的。模擬測量實驗中，電阻測量和電容測量的最大相對誤差分別為3.7％和2.4％，電阻-電容組合測量實驗中，電阻和電容測量的最大相對誤差分別為2.1％和5.1％;實際流體測量實驗中

8、，KCl溶液電導率測量和有機溶劑介電常數(shù)測量的最大相對誤差分別為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均值聚類方法相結(jié)合提出了一種基于非接觸電阻抗測量的氣液兩相流流型辨識新方法。該方法采用小波分析提取所獲電阻抗信號各部分的頻域特征，結(jié)合電阻抗信號的統(tǒng)計特征構(gòu)成特征向量，利用以馬氏距離作為距離度量指標的k均值聚類方法進行流型分類。三種管徑（3.0mm、4.0 mm和7.0mm）下的流型辨識實驗

9、結(jié)果表明，所提出的流型辨識新方法是有效的。利用實部、虛部、幅值和完整電阻抗信號對泡狀流和段塞流進行辨識的最低準確率分別為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的整體流型辨識效果略優(yōu)于單獨采用實部、虛部或幅值信號的流型辨識效果。
　　6、提出了一種基于非接觸電阻抗測量的氣液兩相流相含率測量新方法。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