基于阻抗相消的新型C4D傳感器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用.pdf

1、流體廣泛存在于石油、化工、冶金、能源、食品、制藥等眾多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。電導(dǎo)率是流體的一項(xiàng)重要基本物理參數(shù)，它的測(cè)量具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。然而，目前工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛應(yīng)用的電導(dǎo)率測(cè)量技術(shù)是接觸式測(cè)量，存在著電極極化效應(yīng)以及電化學(xué)腐蝕反應(yīng)等問(wèn)題，其應(yīng)用受到一定限制。
　　電容耦合式非接觸電導(dǎo)檢測(cè)（Capacitively Coupled Contactless ConductivityDetection，簡(jiǎn)寫為C4D）技術(shù)是一種新型

2、電導(dǎo)率測(cè)量技術(shù)，可有效克服接觸式電導(dǎo)率測(cè)量技術(shù)所存在的問(wèn)題。然而，耦合電容的存在極大地限制了現(xiàn)有C4D傳感器的測(cè)量范圍、測(cè)量分辨率以及測(cè)量靈敏度。為克服耦合電容的影響，研究者們提出了諸如高頻法、電壓差法、諧振法以及PSD(Phase Sensitive Demodulation)法等方法。但這些方法還存在著實(shí)現(xiàn)復(fù)雜或激勵(lì)頻率不可調(diào)等不足，因此仍需尋求新的克服耦合電容影響的思路和方法。
　　本文基于阻抗相消原理，設(shè)計(jì)了一種新型C4D

3、傳感器，以克服傳統(tǒng)C4D傳感器中耦合電容的影響，并將其應(yīng)用于流體電導(dǎo)率測(cè)量和氣液兩相流參數(shù)測(cè)量當(dāng)中。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)概括如下:
　　(1)提出了一種基于阻抗相消的新型C4D測(cè)量方法。該方法通過(guò)構(gòu)建容性阻抗，將其阻抗信號(hào)與耦合電容的阻抗信號(hào)進(jìn)行差分，從而消除耦合電容的不利影響。提高了C4D傳感器的測(cè)量分辨率和適用范圍，并從原理上降低了C4D傳感器對(duì)激勵(lì)頻率的要求。
　　(2)設(shè)計(jì)研發(fā)了阻抗相消模塊，該模塊由阻抗提取模塊、

4、容性阻抗模塊、差分模塊三個(gè)子模塊構(gòu)成，可有效地消除C4D傳感器測(cè)量通路中耦合電容的影響。
　　(3)設(shè)計(jì)了一種基于阻抗相消的新型C4D傳感器，研制了由阻抗相消模塊、傳感元件、信號(hào)處理電路以及數(shù)據(jù)采集模塊組成的硬件系統(tǒng)，編寫了相應(yīng)的軟件程序。
　　(4)在1.8mm、3.3 mm、5.4 mm和7.6 mm四種內(nèi)徑的管道中對(duì)新型C4D傳感器進(jìn)行了電導(dǎo)率測(cè)量、頻率特性和輸出特性對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的新型C4D傳感器

5、是成功的，其電導(dǎo)率測(cè)量性能令人滿意，電導(dǎo)率測(cè)量值與商業(yè)型接觸式電導(dǎo)率儀的參考值相比，最大相對(duì)偏差小于5％;新型C4D傳感器的激勵(lì)頻率可在150 kHz-400 kHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，整體輸出特性一致，減小了C4D傳感器對(duì)激勵(lì)頻率的依賴;新型C4D傳感器有效克服了耦合電容對(duì)測(cè)量造成的不利影響，具有較好的測(cè)量靈敏度。
　　(5)將基于阻抗相消的新型C4D傳感器應(yīng)用于氣液兩相流參數(shù)檢測(cè)，搭建了一套氣液兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。在內(nèi)徑為3.3 mm

6、和3.8 mm的管道內(nèi)進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究，獲取了氣液兩相流在不同流型下的電導(dǎo)率測(cè)量信號(hào)，分析了不同流型下的電導(dǎo)率信號(hào)特征，并對(duì)典型的段塞流/泡狀流進(jìn)行了氣液兩相流相關(guān)流速測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的新型C4D傳感器的輸出信號(hào)能夠反映氣液兩相流不同流型下的流動(dòng)特性，可應(yīng)用于氣液兩相流的參數(shù)測(cè)量。
　　總體而言，本研究提出的基于阻抗相消的新型C4D測(cè)量方法是可行的。該方法可克服C4D傳感器中耦合電容的不利影響，可有效提高C4D傳