基于C4D技术的流体参数测量新方法研究

摘要

流体有广泛的工业应用，涉及大量的研究项目，对化工，石油，冶金，能源等产业的发展有重要意义。电导率是一项基本的物性参数和流程控制手段，基于电导率测量的流体参数检测方法是一种有效的流体参数检测方法。但是当前的电导率的测量方法主要是接触式测量方法，存在电极极化、电化学腐蚀等缺点。电容耦合式非接触电导检测(CapacitivelyCoupledContactlessConductivityDetection，简写为C4D)技术是一种新型的检测技术，具有非接触、结构简单易实现等优点。然而，目前C4D技术的应用主要为实验室环境下，实际工业现场的应用还鲜有文献报道，且C4D技术在毫米级管道的流体参数检测方面的应用还比较少。因此本文的研究主要围绕C4D技术在流体参数检测方面的应用，主要包括两方面的内容:1）研究一种适用于工业现场流体电导率检测的C4D测量新方法;2）探索研究一种基于C4D技术的毫米级管道的流体流量测量新方法。主要工作如下:
　　(1)本文对C4D技术在实际工业现场的应用过程中可能存在的问题进行详细的分析和总结，发现了一些至今未被解决的问题（如管道中存在的不稳定和不可预测的浮置电压的影响，工业现场干扰的影响以及实现与工业现场金属管道的连接困难等问题）。针对这些问题设计了相应的解决策略，从而提出了一种工业应用的C4D系统的设计思路。
　　(2)基于所提出的工业应用的C4D系统的设计思路，设计研发一种适用于工业现场流体电导率在线测量的C4D系统。利用串联谐振原理有效克服耦合电容的不利影响，实现更大管径的电导率测量。特殊设计的屏蔽结构可以克服杂散电容对测量的不利影响，有效隔离工业现场干扰和工业现场浮置电压对测量的不利影响，同时可以成功实现与工业金属管道的连接。分别在四种管径的绝缘管道下进行电导率测量实验，最大相对偏差均小于4.2％，实现了在接近10mm管径的管道下电导率的有效测量，结果表明所提出的流体电导率测量方法是成功的。在电导率测量实验的过程中，对工业应用的新型C4D系统的抗干扰性能进行实验验证，实验结果表明这种电导率测量方法的抗干扰性能是令人满意的，能适用于工业现场的电导率检测，为基于C4D的工业现场电导率检测提供了有效借鉴。
　　(3)提出一种基于C4D技术的毫米级管道的流量测量新方法，该方法利用四个电子开关成对的交互闭合的方法，分别获得独立的流体电导信号。对得到的电导信号进行互相关运算，获得流体的流速，进而获得流量。两对电子开关交互闭合消除了上下游C4D传感器的耦合关系，实现上下游电导传感器相互独立，同时在三个电极上分别串联一个可以独立调整电感模块，实现分别抵消管道内导电流体、绝缘测量管道和金属电极形成的相应耦合电容，有效提高系统的精确性和可调性。
　　(4)研制一套基于C4D技术的毫米级管道流量测量系统。系统由C4D传感器、信号处理模块、数据采集系统和相关流量测量模块构成。作为初步研究，本文分别对内径为3.2mm和5.4mm的管道进行流量测量实验。两组流量测量实验的相对偏差均小于10％，证明了提出的基于C4D技术的毫米级管道流量测量方法是可行的和有效的。
　　本文的研究证实了C4D技术可为当前流体的电导率和流量测量的难点提供一种有效的解决方案。所研发的工业现场流体电导率在线测量的C4D系统可以有效实现工业现场电导率的测量，所提出的毫米级管道的流量测量新方法可以有效实现毫米级管道的流量的测量，为C4D在工程领域的进一步拓展应用提供了有益借鉴。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 流体参数检测特点和意义

1．1．1 流体电导率的检测的特点和意义

1．1．2 流体流量的检测特点和意义

1．2 流体参数的检测方法和研究现状

1．2．1 流体电导率的检测方法和研究现状

1．2．2 流体流量的检测方法和研究现状

1．3 C4D技术简介

1．4 本文主要的研究工作

1．5 本章小结

第二章 文献综述

2．1 工业流体电导率检测的发展现状

2．2 毫米级管道流量检测方法研究现状

2．3 C4D技术及发展现状

2．3．1 C4D的测量原理

2．3．2 C4D测量系统构成

2．3．3 C4D技术研究现状

2．3．4 C4D技术的应用

2．4 相关流量技术及发展现状

2．4．1 相关流量检测技术的原理

2．4．2 相关流量检测技术的发展及现状

2．5 本章小结

第三章 工业应用的C4D系统设计思路

3．1 工业应用的C4D系统的问题概述

3．2 耦合电容的影响

3．3 杂散电容的影响

3．4 工业现场的干扰

3．5 工业现场的连接

3．6 工业应用的新型C4D系统的设计思路

3．7 本章小结

第四章 基于C4D技术的流体电导率测量装置及方法

4．1 工业应用的新型C4D系统的研究方案

4．1．1 工业应用的新型C4D系统的研究意义

4．1．2 工业应用的新型C4D系统的技术路线

4．2 工业应用的新型C4D系统构成

4．3 工业应用的新型C4D系统测量原理

4．4 工业应用的新型C4D系统的设计

4．4．1 传感器模块设计

4．4．2 特殊设计的屏蔽结构

4．4．3 信号处理电路设计

4．4．4 数据采集模块设计

4．4．5 电导率获取模块

4．5 实验结果与分析

4．5．1 电导率的测量实验

4．5．2 抗干扰性能的实验验证

4．5．3 输入输出特性分析

4．6 本章小结

第五章 基于C4D技术的流体流量测量装置及方法

5．1 基于C4D技术的毫米级管道流量测量的研究方案

5．1．1 基于C4D技术的毫米级管道流量测量研究意义

5．1．2 基于C4D技术的毫米级管道流量测量的可行性研究

5．1．3 基于C4D技术的毫米级管道流量测量的技术路线

5．2 基于C4D技术的毫米级管道流量测量系统设计

5．2．1 基于C4D技术的毫米级管道流量测量系统结构

5．2．2 基于C4D技术的毫米级管道流量测量系统原理及设计

5．2．3 新型C4D传感器的设计

5．2．4 电子开关模块

5．2．5 信号处理和数据采集模块

5．2．6 相关流量测量模块

5．3 基于C4D技术的毫米级管道流量测量系统的实验装置

5．4 实验结果与讨论

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

作者简介

参与项目及科研成果