用于氣液兩相流參數(shù)測(cè)量的新型非接觸式電阻抗傳感器.pdf

1、氣液兩相流在自然界以及石油、化工、能源等工業(yè)領(lǐng)域廣泛存在，其參數(shù)測(cè)量具有重要的意義但同時(shí)也面臨極大的困難。基于氣液兩相流等效電導(dǎo)特性的兩相流參數(shù)測(cè)量方法以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，響應(yīng)快且安全性高等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。然而傳統(tǒng)的電導(dǎo)檢測(cè)多采用接觸式的測(cè)量方法，存在電極極化以及電化學(xué)腐蝕等問(wèn)題。近年來(lái)提出的電容耦合式非接觸電導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)(C4D)提供了一種有效的解決途徑，但是，現(xiàn)有的C4D傳感器在氣液兩相流測(cè)量應(yīng)用中僅以獲得待測(cè)流體等效電導(dǎo)信息為目的

2、，即僅獲得和利用流體電阻抗信息的實(shí)部或幅值，對(duì)于氣液兩相流而言，則測(cè)量信息的獲取和利用不完整。
　　本文以獲取氣液兩相流電阻抗信息為目的，在C4D技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種新型的非接觸式電阻抗傳感器，并將其應(yīng)用于氣液兩相流流型辨識(shí)和相含率測(cè)量。本文主要內(nèi)容和貢獻(xiàn)如下:
　　(1)提出了一種基于徑向兩電極傳感器的非接觸式流體電阻抗測(cè)量方法，用于獲取氣液兩相流截面電阻抗信息。該方法為消除耦合電容的影響，準(zhǔn)確獲取流體電阻抗信息，引入

3、串聯(lián)電感，利用其產(chǎn)生的感抗來(lái)消除測(cè)量電路中耦合電容產(chǎn)生的容抗。同時(shí)，利用相敏解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)待測(cè)流體電阻抗實(shí)部和虛部信息的測(cè)量，從而獲得完整的電阻抗信息。
　　(2)對(duì)上述電阻抗測(cè)量方法中應(yīng)用的新型徑向兩電極結(jié)構(gòu)電阻抗傳感器幾何尺寸參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)電極長(zhǎng)度為管道外徑1.5倍，電極張角為120°時(shí)傳感器靈敏度最優(yōu)。
　　(3)基于所獲得的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)研制了新型非接觸電阻抗傳感器，并分別進(jìn)行了模擬阻抗測(cè)量實(shí)驗(yàn)

4、和實(shí)際電導(dǎo)測(cè)量實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證其性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模擬阻抗測(cè)量的實(shí)驗(yàn)以及不同濃度的KCl溶液下的電導(dǎo)測(cè)量實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差均不超過(guò)5％，所提出的非接觸電阻抗測(cè)量方法是有效的，研發(fā)的電阻抗傳感器是成功的。
　　(4)將所研制的新型非接觸式電阻抗傳感器應(yīng)用于氣液兩相流流型辨識(shí)，結(jié)合K-means聚類算法提出了氣液兩相流流型辨識(shí)的新方法。分別在三種不同內(nèi)徑（3.5 mm，5.5 mm和8.2 mm）的管道內(nèi)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的流型

5、辨識(shí)方法是有效的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明，對(duì)比單獨(dú)利用實(shí)部、虛部或幅值信息的辨識(shí)結(jié)果，利用完整電阻抗信息的辨識(shí)準(zhǔn)確度有明顯提高。由所獲得的電阻抗實(shí)部、虛部和幅值信號(hào)的均值、方差和傅立葉變換得到的頻率特征構(gòu)成特征向量，并利用K-means聚類算法實(shí)現(xiàn)四種典型流型（環(huán)狀流、泡狀流、段塞流、層狀流）的流型辨識(shí)準(zhǔn)確率分別高于88％、97％、90％、90％。
　　(5)將所研制的新型非接觸式電阻抗傳感器初步應(yīng)用于氣液兩相流相含率的測(cè)量研究，并提出

6、了一種氣液兩相流相含率測(cè)量新方法。該方法建立了不同流型下的相含率測(cè)量模型，根據(jù)流型辨識(shí)的結(jié)果，選擇相應(yīng)的相含率測(cè)量模型實(shí)現(xiàn)相含率的測(cè)量。在兩個(gè)不同管徑（5.5 mm和8.2 mm）下進(jìn)行了相含率測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的氣液兩相流相含率測(cè)量方法是有效的，測(cè)量的絕對(duì)誤差不超過(guò)7％，對(duì)比單獨(dú)利用實(shí)部、虛部或幅值信息測(cè)量誤差有所降低。
　　綜上所述，本文所提出的非接觸式電阻抗測(cè)量方法是可行的，基于該方法研制的電阻抗測(cè)量傳感器可同時(shí)