基于阻抗相消的新型C4D傳感器設計及其應用.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)過程中。電導率是流體的一項重要基本物理參數(shù)，它的測量具有重要的工業(yè)應用價值。然而，目前工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛應用的電導率測量技術(shù)是接觸式測量，存在著電極極化效應以及電化學腐蝕反應等問題，其應用受到一定限制。
　　電容耦合式非接觸電導檢測（Capacitively Coupled Contactless ConductivityDetection，簡寫為C4D）技術(shù)是一種新型

2、電導率測量技術(shù)，可有效克服接觸式電導率測量技術(shù)所存在的問題。然而，耦合電容的存在極大地限制了現(xiàn)有C4D傳感器的測量范圍、測量分辨率以及測量靈敏度。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現(xiàn)復雜或激勵頻率不可調(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，設計了一種新型C4D

3、傳感器，以克服傳統(tǒng)C4D傳感器中耦合電容的影響，并將其應用于流體電導率測量和氣液兩相流參數(shù)測量當中。本文的主要工作和創(chuàng)新點概括如下:
　　(1)提出了一種基于阻抗相消的新型C4D測量方法。該方法通過構(gòu)建容性阻抗，將其阻抗信號與耦合電容的阻抗信號進行差分，從而消除耦合電容的不利影響。提高了C4D傳感器的測量分辨率和適用范圍，并從原理上降低了C4D傳感器對激勵頻率的要求。
　　(2)設計研發(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、差分模塊三個子模塊構(gòu)成，可有效地消除C4D傳感器測量通路中耦合電容的影響。
　　(3)設計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)徑的管道中對新型C4D傳感器進行了電導率測量、頻率特性和輸出特性對比實驗研究。實驗結(jié)果表明:所設計的新型C4D傳感器

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

6、和3.8 mm的管道內(nèi)進行了初步的實驗研究，獲取了氣液兩相流在不同流型下的電導率測量信號，分析了不同流型下的電導率信號特征，并對典型的段塞流/泡狀流進行了氣液兩相流相關(guān)流速測量實驗。實驗結(jié)果表明:所設計的新型C4D傳感器的輸出信號能夠反映氣液兩相流不同流型下的流動特性，可應用于氣液兩相流的參數(shù)測量。
　　總體而言，本研究提出的基于阻抗相消的新型C4D測量方法是可行的。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