平行弦丝电容传感器两相流测量特性研究

摘要

许多工业生产过程中广泛存在两相流流动现象，如石油，能源，制药和日用化工等行业生产过程中。在这些工业生产过程中，两相流各分相流量、相含率等流动参数的准确测量对生产过程的优化、控制和可靠运行均具有重大意义。由于两相流流动是一个复杂多变量的非线性动态过程，其流动结构呈现高度随机性、不稳定性及多态性，所以两相流流动过程中参数难于测量。本课题研究工作以小管径油水和汽水等两相流为测量对象，以测量管截面相含率的电容传感器为研究对象，主要内容为电容传感器的几何结构优化与电容测量系统的设计。
　　 首先，在归纳总结国内外电容传感器研究现状的基础上，设计了一种新型的测量两相流截面相含率的电容传感器，即阵列平行弦丝电容传感器。利用有限元法在静电场分析中的优势，通过计算机辅助设计，对该传感器的结构参数进行优化设计。根据相对灵敏度、均匀性误差等优化指标，对于阵列平行弦丝电容传感器进行二维灵敏场的优化仿真，得出了几何结构各参数对于灵敏场的影响情况；不同结构参数与安装倾角的平行弦丝电容传感器对于水平油水层状流的响应情况进行了分析。结合灵敏场与流型响应情况，最终得到了最优传感器的几何结构参数。
　　 其次，在对电容测量系统设计时，采用交流激励的测量方式。根据仿真优化结果制作了阵列平行弦丝电容传感器，应用该传感器进行了水平油水层状流静态实验和垂直气液两相流动态实验。结果显示该传感器对层状流截面相含率响应有较好的线性度和灵敏度，对不同截面相含水率和不同流型的气液两相流也有很好的灵敏度。
　　 最后，根据相关流速测量原理对垂直气液两相流相关性进行了分析，结果表明阵列平行弦丝电容传感器有很好的总流量测量特性；采用小波变换模模极大值(WTMM)方法对三种典型气液两相流的测量信号的多重形进行了分析。通过Hurst指数的计算，泡状流是单形信号，段塞流与混状流是多重分形信号。运用多尺度时频域的方法研究了不同流型的运动特征。结果表明不同流型信号在各个尺度上表现不同。泡状流信号无论是在尺度还是在低尺度分解下，其Hurst指数都是常数，只有单形结构；段塞流信号小波分解后，细节信号在高尺度(d5、d6)分解下有单形结构；混状流信号的概貌信号在高尺度(a5、a6)分解下也有单形结构，