用于氣液兩相流參數(shù)測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)領域廣泛存在，其參數(shù)測量具有重要的意義但同時也面臨極大的困難?；跉庖簝上嗔鞯刃щ妼匦缘膬上嗔鲄?shù)測量方法以其結構簡單，成本低，響應快且安全性高等優(yōu)點而備受關注。然而傳統(tǒng)的電導檢測多采用接觸式的測量方法，存在電極極化以及電化學腐蝕等問題。近年來提出的電容耦合式非接觸電導檢測技術(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量應用中僅以獲得待測流體等效電導信息為目的

2、，即僅獲得和利用流體電阻抗信息的實部或幅值，對于氣液兩相流而言，則測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技術的基礎上，研發(fā)了一種新型的非接觸式電阻抗傳感器，并將其應用于氣液兩相流流型辨識和相含率測量。本文主要內容和貢獻如下:
　　(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，準確獲取流體電阻抗信息，引入

3、串聯(lián)電感，利用其產生的感抗來消除測量電路中耦合電容產生的容抗。同時，利用相敏解調技術實現(xiàn)待測流體電阻抗實部和虛部信息的測量，從而獲得完整的電阻抗信息。
　　(2)對上述電阻抗測量方法中應用的新型徑向兩電極結構電阻抗傳感器幾何尺寸參數(shù)進行了優(yōu)化設計。仿真和實驗結果表明當電極長度為管道外徑1.5倍，電極張角為120°時傳感器靈敏度最優(yōu)。
　　(3)基于所獲得的優(yōu)化設計參數(shù)研制了新型非接觸電阻抗傳感器，并分別進行了模擬阻抗測量實驗

4、和實際電導測量實驗以驗證其性能。實驗結果表明，模擬阻抗測量的實驗以及不同濃度的KCl溶液下的電導測量實驗相對誤差均不超過5％，所提出的非接觸電阻抗測量方法是有效的，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用于氣液兩相流流型辨識，結合K-means聚類算法提出了氣液兩相流流型辨識的新方法。分別在三種不同內徑（3.5 mm，5.5 mm和8.2 mm）的管道內進行了動態(tài)實驗，實驗結果表明所提出的流型

5、辨識方法是有效的，實驗結果同時表明，對比單獨利用實部、虛部或幅值信息的辨識結果，利用完整電阻抗信息的辨識準確度有明顯提高。由所獲得的電阻抗實部、虛部和幅值信號的均值、方差和傅立葉變換得到的頻率特征構成特征向量，并利用K-means聚類算法實現(xiàn)四種典型流型（環(huán)狀流、泡狀流、段塞流、層狀流）的流型辨識準確率分別高于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用于氣液兩相流相含率的測量研究，并提出

6、了一種氣液兩相流相含率測量新方法。該方法建立了不同流型下的相含率測量模型，根據(jù)流型辨識的結果，選擇相應的相含率測量模型實現(xiàn)相含率的測量。在兩個不同管徑（5.5 mm和8.2 mm）下進行了相含率測量實驗，實驗結果表明，所提出的氣液兩相流相含率測量方法是有效的，測量的絕對誤差不超過7％，對比單獨利用實部、虛部或幅值信息測量誤差有所降低。
　　綜上所述，本文所提出的非接觸式電阻抗測量方法是可行的，基于該方法研制的電阻抗測量傳感器可同時