氣液兩相流相含率電學(xué)測(cè)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(dòng)力和制藥等眾多工業(yè)過(guò)程，相含率的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)兩相流系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、過(guò)程控制及安全運(yùn)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(cè)量難度大，一直是科研和工業(yè)領(lǐng)域中長(zhǎng)期沒(méi)能得以很好解決的難題。
　　電容耦合式非接觸電導(dǎo)測(cè)量(Capacitively Coupled Contactless ConductivityDetection，C4D)是一種新型非接觸式電學(xué)測(cè)量技術(shù)，為解決氣液兩相流相

2、含率測(cè)量提供了一條新的思路。本學(xué)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(dǎo)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(cè)量的新方法。
　　本學(xué)位論文中的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和貢獻(xiàn)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(cè)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(dǎo)為測(cè)量模式。傳感器采用相敏解調(diào)(PSD)技術(shù)測(cè)量氣液兩相流的等效電導(dǎo)，可獲得反映氣液兩相流相含

3、率的15個(gè)電導(dǎo)信號(hào)。電導(dǎo)測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(dǎo)率測(cè)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(dǎo)率測(cè)量的最大相對(duì)誤差小于5％（電導(dǎo)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(dǎo)信號(hào)，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(cè)量新方法。該方法針對(duì)各種典型流型分別建立相應(yīng)的相含率

4、測(cè)量模型。實(shí)際測(cè)量時(shí)，首先利用六電極C4D傳感器獲得氣液兩相流體的電導(dǎo)信號(hào)，然后依據(jù)流型分類器進(jìn)行流型辨識(shí)，最后根據(jù)流型辨識(shí)結(jié)果選擇相對(duì)應(yīng)的相含率測(cè)量模型來(lái)計(jì)算相含率值。其中，流型分類器通過(guò)LS-SVM分類技術(shù)建立，相含率測(cè)量模型通過(guò)PLS特征提取和LS-SVM回歸技術(shù)建立。
　　3、相含率測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的氣液兩相流相含率測(cè)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(cè)量實(shí)驗(yàn)中，典型泡狀流、層狀流和環(huán)狀流流型下的相含率測(cè)量最大絕對(duì)誤差均小于3.76％。動(dòng)態(tài)相含率測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(cè)量最大絕對(duì)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(cè)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(shí)部和虛部）。實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(xué)腐蝕等問(wèn)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(jìn)行氣液兩相流相含率測(cè)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(cè)量是可行的。對(duì)于典型流型（泡狀流和層狀流），電阻抗幅值、實(shí)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(gè)部分可以從不同的方面反映相含率信息。研究結(jié)果同時(shí)表明，氣液兩相流電阻抗的虛部信息對(duì)相含率測(cè)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(cè)量精度。在研制的兩個(gè)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