氣液兩相流相含率電學測量新方法研究.pdf

1、氣液兩相流廣泛存在于石油、化工、能源、動力和制藥等眾多工業(yè)過程，相含率的準確測量對兩相流系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、過程控制及安全運行等均有重要的作用。由于氣液兩相流體特性復(fù)雜，相含率測量難度大，一直是科研和工業(yè)領(lǐng)域中長期沒能得以很好解決的難題。
　　電容耦合式非接觸電導測量(Capacitively Coupled Contactless ConductivityDetection，C4D)是一種新型非接觸式電學測量技術(shù)，為解決氣液兩相流相

2、含率測量提供了一條新的思路。本學位論文擬在C4D技術(shù)的基礎(chǔ)上，從獲取和利用氣液兩相流的等效電導或完整電阻抗信息兩條不同的途徑出發(fā)，提出氣液兩相流相含率測量的新方法。
　　本學位論文中的主要創(chuàng)新點和貢獻如下:
　　1、研發(fā)了一種適用于常規(guī)管道氣液兩相流相含率測量的六電極C4D傳感器。所研發(fā)的六電極C4D傳感器以獲取氣液兩相流的等效電導為測量模式。傳感器采用相敏解調(diào)(PSD)技術(shù)測量氣液兩相流的等效電導，可獲得反映氣液兩相流相含

3、率的15個電導信號。電導測量實驗結(jié)果表明，研發(fā)的六電極C4D傳感器是成功的，傳感器的電導率測量精度令人滿意。在四種管徑（內(nèi)徑分別為22.0 mm、29.0 mm、36.5 mm和47.0 mm）下，電導率測量的最大相對誤差小于5％（電導率范圍:0.1 mS/cm～10 mS/cm）。
　　2、利用六電極C4D傳感器獲得的等效電導信號，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，提出了一種氣液兩相流相含率測量新方法。該方法針對各種典型流型分別建立相應(yīng)的相含率

4、測量模型。實際測量時，首先利用六電極C4D傳感器獲得氣液兩相流體的電導信號，然后依據(jù)流型分類器進行流型辨識，最后根據(jù)流型辨識結(jié)果選擇相對應(yīng)的相含率測量模型來計算相含率值。其中，流型分類器通過LS-SVM分類技術(shù)建立，相含率測量模型通過PLS特征提取和LS-SVM回歸技術(shù)建立。
　　3、相含率測量實驗結(jié)果表明，所提出的氣液兩相流相含率測量新方法是有效的。在四種不同管徑（內(nèi)徑分別為22.0 mm、29.0 mm、36.5 mm和47.

5、0 mm）的靜態(tài)相含率測量實驗中，典型泡狀流、層狀流和環(huán)狀流流型下的相含率測量最大絕對誤差均小于3.76％。動態(tài)相含率測量實驗中，在三種不同管徑（內(nèi)徑分別為17.0 mm、22.0 mm和36.5 mm）下四種典型流型（泡狀流、段塞流、層狀流和環(huán)狀流）的相含率測量最大絕對誤差均小于9.47％。
　　4、結(jié)合串聯(lián)諧振原理和PSD技術(shù)，研發(fā)了一種適用于氣液兩相流相含率測量的新型徑向兩電極非接觸電阻抗傳感器。串聯(lián)諧振原理用于克服耦合電容

6、存在的不利影響（耦合電容的容抗被引入電感模塊的感抗消除）。PSD技術(shù)用于獲得氣液兩相流的完整電阻抗信息（包括電阻抗的幅值、實部和虛部）。實驗結(jié)果表明，所研發(fā)的徑向兩電極非接觸電阻抗傳感器是成功的。與傳統(tǒng)接觸式電導傳感器相比，徑向兩電極非接觸電阻抗傳感器可以避免電極極化和電化學腐蝕等問題，且能夠成功獲得兩相流的完整電阻抗信息。
　　5、研究了應(yīng)用徑向兩電極非接觸電阻抗傳感器獲得的完整電阻抗信息進行氣液兩相流相含率測量的可行性。研究結(jié)

7、果表明，徑向兩電極非接觸電阻抗傳感器應(yīng)用于氣液兩相流相含率測量是可行的。對于典型流型（泡狀流和層狀流），電阻抗幅值、實部和虛部與相含率之間是有不同的關(guān)聯(lián)關(guān)系。氣液兩相流電阻抗的各個部分可以從不同的方面反映相含率信息。研究結(jié)果同時表明，氣液兩相流電阻抗的虛部信息對相含率測量非常有用。充分利用氣液兩相流的完整電阻抗信息能有效地提高相含率測量精度。在研制的兩個徑向兩電極非接觸電阻抗傳感器（內(nèi)徑分別為17.0 mm和22.0 mm）下，典型流型