用于气液两相流参数测量的新型非接触式电阻抗传感器

摘要

气液两相流在自然界以及石油、化工、能源等工业领域广泛存在，其参数测量具有重要的意义但同时也面临极大的困难。基于气液两相流等效电导特性的两相流参数测量方法以其结构简单，成本低，响应快且安全性高等优点而备受关注。然而传统的电导检测多采用接触式的测量方法，存在电极极化以及电化学腐蚀等问题。近年来提出的电容耦合式非接触电导检测技术(C4D)提供了一种有效的解决途径，但是，现有的C4D传感器在气液两相流测量应用中仅以获得待测流体等效电导信息为目的，即仅获得和利用流体电阻抗信息的实部或幅值，对于气液两相流而言，则测量信息的获取和利用不完整。
　　本文以获取气液两相流电阻抗信息为目的，在C4D技术的基础上，研发了一种新型的非接触式电阻抗传感器，并将其应用于气液两相流流型辨识和相含率测量。本文主要内容和贡献如下:
　　(1)提出了一种基于径向两电极传感器的非接触式流体电阻抗测量方法，用于获取气液两相流截面电阻抗信息。该方法为消除耦合电容的影响，准确获取流体电阻抗信息，引入串联电感，利用其产生的感抗来消除测量电路中耦合电容产生的容抗。同时，利用相敏解调技术实现待测流体电阻抗实部和虚部信息的测量，从而获得完整的电阻抗信息。
　　(2)对上述电阻抗测量方法中应用的新型径向两电极结构电阻抗传感器几何尺寸参数进行了优化设计。仿真和实验结果表明当电极长度为管道外径1.5倍，电极张角为120°时传感器灵敏度最优。
　　(3)基于所获得的优化设计参数研制了新型非接触电阻抗传感器，并分别进行了模拟阻抗测量实验和实际电导测量实验以验证其性能。实验结果表明，模拟阻抗测量的实验以及不同浓度的KCl溶液下的电导测量实验相对误差均不超过5％，所提出的非接触电阻抗测量方法是有效的，研发的电阻抗传感器是成功的。
　　(4)将所研制的新型非接触式电阻抗传感器应用于气液两相流流型辨识，结合K-means聚类算法提出了气液两相流流型辨识的新方法。分别在三种不同内径（3.5 mm，5.5 mm和8.2 mm）的管道内进行了动态实验，实验结果表明所提出的流型辨识方法是有效的，实验结果同时表明，对比单独利用实部、虚部或幅值信息的辨识结果，利用完整电阻抗信息的辨识准确度有明显提高。由所获得的电阻抗实部、虚部和幅值信号的均值、方差和傅立叶变换得到的频率特征构成特征向量，并利用K-means聚类算法实现四种典型流型（环状流、泡状流、段塞流、层状流）的流型辨识准确率分别高于88％、97％、90％、90％。
　　(5)将所研制的新型非接触式电阻抗传感器初步应用于气液两相流相含率的测量研究，并提出了一种气液两相流相含率测量新方法。该方法建立了不同流型下的相含率测量模型，根据流型辨识的结果，选择相应的相含率测量模型实现相含率的测量。在两个不同管径（5.5 mm和8.2 mm）下进行了相含率测量实验，实验结果表明，所提出的气液两相流相含率测量方法是有效的，测量的绝对误差不超过7％，对比单独利用实部、虚部或幅值信息测量误差有所降低。
　　综上所述，本文所提出的非接触式电阻抗测量方法是可行的，基于该方法研制的电阻抗测量传感器可同时获得两相流体完整的电阻抗信息（包括实部，虚部和幅值），在气液两相流典型流型的流型辨识中取得了较好的效果并成功应用于相含率的测量，为气液两相流参数测量提供了借鉴。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 气液两相流简介

1．2 电容耦合式非接触电导检测技术

1．3 本文主要内容

1．4 本章小结

第二章 文献综述

2．1 气液两相流基本参数

2．2 气液两相流研究现状

2．2．1 气液两相流理论及其应用

2．2．2 气液两相流参数测量技术现状及其发展趋势

2．3 气液两相流参数测量技术简介

2．3．1 光学法

2．3．2 射线衰减法

2．3．3 超声波法

2．3．4 电学法

2．4 模式识别技术在流型辨识中的应用

2．5 本章小结

第三章 新型径向两电极电阻抗测量传感器

3．1 传感元件结构

3．2 等效电路模型

3．3 电阻抗测量技术路线

3．4 径向两电极电阻抗传感器

3．5 本章小结

第四章 径向结构电阻抗传感器几何参数优化

4．1 径向结构的非接触电阻抗传感器模型

4．2 传感器屏蔽结构设计方案研究

4．3 传感器电极几何参数设计

4．3．1 电极长度

4．3．2 电极张角

4．4 传感器性能测试

4．4．1 模拟电阻抗检测验证实验

4．4．2 电导测量验证实验

4．5 本章小结

第五章 基于径向结构电阻抗传感器的气液两相流流型辨识

5．1 气液两相流电阻抗测量系统

5．2 电阻抗信号特征分析

5．3 气液两相流流型辨识方案

5．4 电阻抗信号特征提取

5．5 典型流型的流型辨识结果

5．6 本章小结

第六章 基于径向结构电阻抗传感器的气液两相流相含率测量

6．1 气液两相流相含率测量技术肇线

6．2 相含率测量模型

6．3 实验结果分析与讨论

6．4 本章小结

第七章 结论和展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间所获得的科研成果