基于電容耦合式非接觸電導(dǎo)檢測(cè)的氣液兩相流參數(shù)測(cè)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(lǐng)域中廣泛存在，其流型和相含率的在線測(cè)量對(duì)兩相流系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控、過(guò)程控制及安全保證等具有十分重要的意義。由于兩相流動(dòng)的復(fù)雜性和隨機(jī)性，氣液兩相流的流型辨識(shí)和相含率測(cè)量一直以來(lái)是科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中長(zhǎng)期未能得以很好解決的測(cè)量難題。電容耦合式非接觸電導(dǎo)檢測(cè)（Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection，簡(jiǎn)寫(xiě)為C4D）是一

2、種新型的電導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)，有望為氣液兩相流參數(shù)測(cè)量提供一條新的解決途徑。本學(xué)位論文擬研究C4D技術(shù)應(yīng)用于氣液兩相流流型辨識(shí)和相含率測(cè)量的可行性，并基于C4D技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代信息處理技術(shù)，提出氣液兩相流流型辨識(shí)和相含率測(cè)量的新方法。
　　 本學(xué)位論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和貢獻(xiàn)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(cè)量的新型C4D傳感器。研究結(jié)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?；诖?/p>

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

4、好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性和抗干擾性能佳等優(yōu)點(diǎn)，為基于C4D的氣液兩相流參數(shù)測(cè)量奠定了有效的技術(shù)基礎(chǔ)。
　　 2、利用C4D傳感器獲得的電導(dǎo)信號(hào)，結(jié)合現(xiàn)代信息處理技術(shù)，研究了氣液兩相流流型辨識(shí)問(wèn)題。根據(jù)特征提取方法的不同，分別提出并對(duì)比了兩種流型辨識(shí)新方法:1）采用統(tǒng)計(jì)分析和傅里葉分析方法對(duì)所獲得的電導(dǎo)信號(hào)進(jìn)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(lèi)器中實(shí)現(xiàn)流型辨識(shí);2）采用統(tǒng)計(jì)分析和小波分析方法對(duì)所獲得的電導(dǎo)信號(hào)進(jìn)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(lèi)器中實(shí)現(xiàn)流型辨識(shí)。研究結(jié)果表明，C4D技術(shù)應(yīng)用于氣液兩相流流型辨識(shí)是可行的，所提出的兩種流型辨識(shí)新方法均是有效的。在內(nèi)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(shí)結(jié)果令人滿(mǎn)意。其中，采用統(tǒng)計(jì)分析、小波分析和SVM相結(jié)合的流型辨識(shí)新方法的辨識(shí)準(zhǔn)確度更好（采用統(tǒng)計(jì)分析、小波分析與SVM相結(jié)合的流型辨識(shí)準(zhǔn)確率均高于9

6、1％，采用統(tǒng)計(jì)分析、傅里葉分析與SVM相結(jié)合的流型辨識(shí)準(zhǔn)確率均高于87％）。研究結(jié)果同時(shí)表明，將特征提取和SVM分類(lèi)技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行氣液兩相流流型辨識(shí)是有效的。所提取的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和能量分布特征可有效反映流型的信息，采用SVM分類(lèi)技術(shù)能夠成功實(shí)現(xiàn)多種流型的分類(lèi)問(wèn)題。
　　 3、利用C4D傳感器所獲電導(dǎo)信號(hào)，并結(jié)合SVM回歸技術(shù)，提出了氣液兩相流相含率測(cè)量新方法。該方法為克服流型對(duì)測(cè)量結(jié)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(cè)量模型。在相含率測(cè)量過(guò)程中，預(yù)先利用SVM回歸技術(shù)建立各典型流型下的測(cè)量模型。實(shí)際測(cè)量時(shí)，首先利用所研發(fā)的新型C4D傳感器獲取氣液兩相流電導(dǎo)信號(hào)，然后進(jìn)行流型辨識(shí)并獲得當(dāng)前流型，最后根據(jù)流型辨識(shí)結(jié)果選擇相應(yīng)的相含率測(cè)量模型計(jì)算相含率值。研究結(jié)果表明，C4D技術(shù)應(yīng)用于氣液兩相流相含率測(cè)量是可行的，所提出的相含率測(cè)量新方法是有效的。在內(nèi)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(cè)量的最大絕對(duì)誤

8、差均不高于7.0％。研究結(jié)果同時(shí)表明，利用特征提取和SVM回歸技術(shù)建立的氣液兩相流相含率測(cè)量模型是成功的。所提取的氣液兩相流電導(dǎo)均值和標(biāo)準(zhǔn)差兩個(gè)特征參數(shù)能有效反映相含率的信息，采用SVM回歸技術(shù)能有效克服電導(dǎo)信號(hào)與相含率之間的非線性關(guān)系，成功建立了氣液兩相流的相含率測(cè)量模型。
　　 本學(xué)位論文的研究證實(shí)了C4D技術(shù)可為兩相流的參數(shù)測(cè)量提供一種新的解決途徑，同時(shí)也為C4D這一新技術(shù)在工程應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展提供了有益的借鑒。