电容耦合式非接触电导测量技术在气液两相流参数测量中的应用研究

摘要

气液两相流在自然界及石油、能源、电力、化工与制药等众多工业生产过程中广泛存在，其参数的准确测量对气液两相流机理研究和相关生产过程的运行状态监测、过程控制及节能增效等都有着非常重要的作用。然而，由于气液两相流系统的复杂性与随机性，其参数测量难度大，一直是科研及工业领域中长期没能得到很好解决的难题。
　　电容耦合式非接触电导测量(Capacitively Coupled Contactless ConductivityDetection，C4D)技术是一种新型的电导检测技术，具有非接触的特点，避免了传统接触式电导测量中的电极极化、电化学腐蚀、电极污染等问题，为解决气液两相流参数测量问题提供了一条新的思路。本课题组已就C4D技术在气液两相流中的应用进行了初步的尝试，本学位论文在课题组已有研究的基础上，进一步对C4D技术在气液两相流参数测量中的应用可行性及潜力进行探究，研究工作围绕毫米级管道展开，重点针对流速和相含率测量问题。
　　本学位论文中的主要创新点与贡献如下:
　　1、研发了两种适用于毫米级管径气液两相流参数测量的新型C4D传感器——新型五电极C4D传感器和新型三电极C4D传感器。两种传感器分别借鉴Laugere等提出的基于电压差测量的方法和本课题组提出的基于串联谐振的方法来避免或消除耦合电容的不利影响。电导测量实验结果表明，新研发的两种传感器是成功的，多种毫米级管道（内径分别为1.8 mm、2.8 mm、3.9 mm、5.3 mm和6.1 mm）下，电导率测量的相对误差分别可小于6％和5％。相对传统C4D传感器，两种新研发C4D传感器的电导测量范围与测量灵敏度均得到了改善。其中，新型三电极C4D传感器的性能（电导测量范围、灵敏度、稳定度和抗干扰能力）更好。
　　2、研究了C4D技术在毫米级管道内气液两相流流速测量中的应用可行性和潜力，结合互相关技术，提出了基于C4D技术的气液两相流流速测量新方法。该方法采用新研发的C4D传感器测取上、下游气液两相流流体电导信号，对两组信号进行互相关运算得到两信号之间的渡越时间，结合预先确定的校正系数，计算得出流速。为验证所提出流速测量方法的有效性，针对单个气泡以及典型泡状流和段塞流流型进行了流速测量实验，并分别对新型五电极C4D传感器及新型三电极C4D传感器的流速测量性能进行了研究。实验结果表明，C4D技术能够成功地应用于气液两相流流速测量，具有很好的应用潜力。所提出的结合C4D技术与互相关技术的流速测量新方法是有效的，五种管道（内径分别是1.8 mm、2.8 mm、3.9 mm、5.3 mm及6.1 mm）下流速测量的精度均令人满意，采用五电极C4D传感器进行流速测量相对偏差可小于10％，采用三电极C4D传感器进行流速测量相对偏差可小于6％。
　　3、研究了将C4D技术应用于毫米级管道气液两相流相含率测量中的可行性，提出了气液两相流相含率测量新方法。该方法针对不同的典型流型分别地建立相应的相含率测量模型。实际测量中，首先通过新型三电极C4D传感器获取气液两相流流体的电导信号，然后根据所获电导信号进行流型辨识，判别实时流型，最后依据流型选择相对应的相含率测量模型来计算获得相含率值。其中，流型辨识环节采用统计分析方法和经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)方法对电导信号进行特征提取，采用支持向量机(Support Vector Machine，SVM)方法来建立流型分类器，将所提取的特征向量输入至流型分类器实现流型辨识。相含率测量模型通过最小二乘法建立。研究结果表明，C4D技术应用在毫米级管径气液两相流相含率测量中是可行的，提出的基于C4D技术的相含率测量方法是有效的。在四种毫米级水平管中，典型泡状流、段塞流、层（波）状流及环状流流型下进行气相含率测量的最大绝对误差均小于7.0％。
　　本学位论文的研究验证了C4D技术在气液两相流参数测量领域应用的可行性和潜力，为两相流的参数测量提供了一种新途径，同时也为C4D这一新技术在其它领域的应用扩展提供了有益的借鉴。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 气液两相流基本概念

1．2 气液两相流的主要参数

1．3 气液两相流参数测量的意义

1．4 气液两相流参数测量的研究现状和发展趋势

1．5 本文的主要工作

第2章 文献综述

2．1 气液两相流参数测量方法

2．1．1 气液两相流流型辨识

2．1．2 气液两相流流速测量

2．1．3 气液两相流相含率测量

2．2 电容耦合式非接触电导测量(C4D)技术

2．2．1 C4D技术发展历史和基本原理

2．2．2 C4D技术研究现状

2．2．3 C4D技术的应用现状

2．3 信号处理技术

2．3．1 互相关技术

2．3．2 经验模态分解

2．3．3 支持向量机

2．4 本章小结

第3章 研究方案和技术路线

3．1 气液两相流参数测量整体研究方案

3．2 气液两相流参数测量技术路线

3．3 本章小结

第4章 实验装置

4．1 电导测量实验装置及实验方案

4．2 气液两相流参数测量实验装置及实验方案

4．3 本章小结

第5章 新型C4D传感器设计及传感特性研究

5．1 引言

5．2 新型五电极C4D传感器

5．3 新型三电极C4D传感器

5．4 传感器性能测试

5．4．1 新型五电极C4D传感器电导测量实验

5．4．2 新型三电极C4D传感器电导测量实验

5．4．3 传感器性能对比

5．5 本章小结

第6章 基于C4D技术的气液两相流流速测量

6．1 引言

6．2 流速测量技术路线

6．3 流速测量实验结果

6．3．1 单个气泡情况下的流速测量实验

6．3．2 典型流型下的气液两相流流速测量实验

6．4 本章小结

第7章 基于C4D技术的气液两相流相含率测量

7．1 引言

7．2 电导值与相含率之间关系的研究

7．3 相含率测量技术路线

7．4 流型辨识

7．4．1 流型辨识技术路线

7．4．2 特征提取

7．4．3 模式分类

7．5 相含率测量模型的建立

7．6 相含率测量实验结果

7．7 本章小结

第8章 结论

参考文献

作者简历

攻读博士学位期间所取得的科研成果