基于三电极非接触式电阻抗传感器的小管道气液两相流参数测量研究

摘要

气液两相流在自然界及工业领域广泛存在，其参数检测具有重要的科研与实用价值。而随着工业设备小型化，小管道气液两相流系统是当前两相流领域的研究热点之一，受到越来越多科研工作者的关注。然而，目前有关小管道气液两相流参数检测技术的研究仍处于起步阶段，在机理研究和工程应用方面均不够成熟，还需深入研究。因此，进行小管道气液两相流参数检测的研究工作具有重要的科研价值与广阔的应用前景。
　　本学位论文以小管道气液两相流为研究对象，利用电学检测方法对水平小管道内气液两相流的流型辨识和流速测量方法进行了研究。本文的主要工作内容和创新点如下:
　　1).基于电容耦合非接触式电导检测(C4D)技术和相敏解调技术，提出了一种三电极结构的电容耦合非接触式电阻抗检测传感器，以获取气液两相流完整的电阻抗信息。同时为消除耦合电容对测量的影响，引入串联电感，以串联电感的感抗消除电路中耦合电容产生的容抗，提高信噪比。
　　2).基于三电极结构的电容耦合非接触式电阻抗传感器，设计并搭建了适用于小管道的气液两相流参数测量系统，在内径为2.50mm，3.64mm和4.72mm的水平小管道中，进行了实验研究，实现了气液两相流泡状流、段塞流、层状流和环状流四种典型流型的辨识以及泡状流和段塞流两种流型流速的测量。
　　3).提出了一种气液两相流流型辨识方法。该方法首先利用电容耦合非接触式电阻抗传感器获取电阻抗测量信号的实部信息和虚部信息，然后采用小波包分解信号处理技术将实部信息和虚部信息分别分为4个频率段，提取不同频率范围的能量分布情况，并与实部信息的均值、方差和虚部信息的均值、方差构成特征向量，最后，利用K-均值聚类算法建立流型辨识模型。实验结果表明提出的流型辨识技术路线是有效的，流型辨识精度可达90.7％。同时，由实验结果可知，相比于只利用幅值信息、实部信息或虚部信息中的任意一种，利用完整电阻抗信息以实现流型辨识的整体准确率还是有所提升。
　　4).提出了一种气液两相流（泡状流/段塞流）流速测量方法。该方法首先利用三电极结构的电容耦合非接触式电阻抗传感器获取上游信号和下游信号，对上下游信号进行互相关处理得到流速初始值，在结合上游信号和所提出的流型辨识模型得到流型辨识结果后，依据流型进行系数校正，实现流速值测量。实验结果表明所提出的流速测量技术路线是有效的，流速测量相对误差在6％以内。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 气液两相流概述

1．1．1 气液两相流基本概念

1．1．2 气液两相流主要参数

1．2 小管道气液两相流参数检测重要性及其研究现状

1．2．1 小管道气液两相流参数检测重要性

1．2．2 小管道气液两相流参数检测研究现状

1．3 本文主要工作

1．4 本章小结

第2章 文献综述

2．1 小管道气液两相流概述

2．1．1 小管道气液两相流定义

2．1．2 小管道气液两相流流型辨识

2．1．3 小管道气液两相流流速测量

2．2 电容耦合非接触式电导测量技术

2．3 信息处理技术

2．3．1 小波包分析

2．3．2 K-均值聚类算法

2．3．3 互相关处理技术

2．6 本章小结

第3章 参数测量方案与新型传感器设计

3．1 小管道气液两相流流型、流速参数的测量方案

3．2 轴向两电极结构的电容耦合非接触式电阻抗传感器

3．3 三电极结构的电容耦合非接触式电阻抗传感器

3．4 实验装置

3．5 实验步骤和实验工况

3．6 本章小结

第4章 小管道气液两相流流型辨识方法研究

4．1 小管道气液两相流流型辨识技术路线

4．2 电阻抗信号特征分析

4．3 特征向量提取

4．4 流型辨识模型建立

4．5 实验结果分析

4．6 本章小结

第5章 小管道气液两相流流速测量方法研究

5．1 小管道气液两相流流速测量技术路线

5．2 流速测量方法

5．3 实验结果分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间所取得的科研成果