（检测技术与自动化装置专业论文）基于内外环电容传感器的湿气检测技术研究.pdf

摘要 有别于前人从电容传感器本身去分析考虑问题，本文提出了从被测介质、 被测物场以及电容传感器的角度综合考虑的设计方法，研究设计了用于湿气 流速和含率测量的内外环电容传感器，为湿气的非分离计量提供了一个新的 途径，并研制了一种新型的基于a r m 的湿气智能信息处理系统。本文主要完 成工作如下： 引入颗粒动力学理论，利用解析方法建立了以离散相惯性、空间滤波函 数以及离散相浓度为影响因素的内外环电容传感器传递函数模型。结合物理 实验验证，指出了离散相的尺寸对时间频率带宽有影响，随着离散相尺寸的 增加，带宽减小；随着离散相速度( 被连续相携带着运动的速度) 的增加， 带宽增加；两相之间介电常数的不同是电容传感器能检测到流动噪声的根本 原因。 建立了有限元分析和正交实验相结合的传感器优化设计仿真平台，利用 该平台对相关测速内外环电容传感器的径向灵敏度进行仿真研究，该传感器 的检测场均匀性误差在l 以下，远远优于其它类型的电容传感器1 0 的检测 场均匀性误差的指标，同时从检测场灵敏度的角度得到了一组最优结构参数； 在径向灵敏度仿真的基础上进行了轴向灵敏度仿真，利用仿真结果分析了传 感器结构参数对轴向空间滤波特性和时间频率响应特性的影响，综合上述仿 真结论，设计了相关测速内外环电容传感器，该电容传感器的检测场均匀性 误差小于2 ，物理实验结果表明，流速测量误差在5 以内，同时结合轴向 灵敏度仿真结果指出了离散相浓度是影响流速校正因子的主要因素。 通过对湿气中液滴大小以及流型分布的解析分析，得到了天津大学三相 流实验装置垂直管段的流型为间断流，水平管道的流型为波状流，这种相对 稳定的流型减小了流型变化对湿气液相含率测量产生的影响。设计了内外环 电容传感器测量湿气液相含率，该结构的电容传感器同样具有很好的检测场 均匀性误差( 2 ) ，物理实验结果表明，湿气液相含率测量误差小于1 0 ， 与目前比较关注的差压式流量测量装置具有相同的测量精度。 将a r m 微处理器、嵌入式实时操作系统引入到湿气智能信息处理系统中， 实现了友好的人机交互、数据的实时采集和处理以及数据的u 盘拷贝和有线 传输。 关键词：+ 湿气测量：内外环电容传感器；颗粒动力学理论；有限元仿真；嵌 入式操作系统； a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，an e wd e s i g nm e t h o dw a sp r o p o s e d t h i sm e t h o dw a sb a s e do n t h ed e t e c t e dm e d i u m ，t h ed e t e c t e dm a t e r i a lf i e l da n dt h ec a p a c i t a n c es e n s o r a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d ，an e wi n n e ra n do u t e rr i n gc a p a c i t a n c es e n s o rw a s d e s i g n e df o rt h em e a s u r e m e n to f t h ew e tg a s 1 1 1 i sr e s e a r c hp r o v i d e dan e ww a yt o d e t e c tt h ew e tg a si nt h ec o n d i t i o no fm i x t u r e a n da ni n t e l l i g e n ti n f o r m a t i o n p r o c e s ss y s t e mw a sd e v e l o p e dt or e a l i z et h em e a s u r e m e n to ft h ew e tg a s t h i s s y s t e mw a sb a s e do nt h er e a l ，t i m ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mw i t ha i 泓k e r n e l t h em a i nr e s e a r c hw o r k so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g ： n es p a c ef i l t e r i n ge f f e c to ft h ei n n e ra n do u t e rr i n gc a p a c i t a n c es e n s o rw a s a n a l y z e d p a r t i c l ek i n e t i ct h e o r yw a si n t r o d u c e dt os t u d yo nt h es p a c ef i l t e r i n g f u n c t i o na n dt h et r a n s f e rf u n c t i o no ft h ec a p a c i t a n c es e n s o r b a s e do nt h i sw o r k , t h er u l eo ft h es p a c ef i l t e r i n go fi n n e ra n do u t e rr i n gc a p a c i t a n c es e n s o ra n dt h e i m p a c t so ft h es t r u c t u r eo ft h ee l e c t r o d eo nt h es p a c ef i l t e r i n g f u n c t i o nw e r e c o n c l u d e d t h es i m u l a t i o np l a t f o r mo ft h ei n n e ra n do u t e rr i n gc a p a c i t a n c es e n s o ru s e dt o m e a s u r et h ec r o s s c o r r e l a t i o nf l o wv e l o c i t yw a se s t a b l i s h e d t h r o u g ht h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sa n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ls t u d ym e t h o d s ，t h en u m e f i c m s i m u l a t i o np l a t f o r mo fat w o r i n gi n n e ra n do u t e rc a p a c i t a n c e s e n s o rw a s e s t a b l i s h e d t h i sn u m e r i c a ls i m u l a t i o np l a t f o r mc a np r o v i d eap r a c t i c a ld e s i g n m e t h o df o rt h ed e s i g no fc a p a c i t a n c es e n s o r s a tt h es a m et i m e ，t h i sm e t h o d o l o g y c a no f f e rap r a c t i c a lp l a t f o r mt oo p t i m i z et h ed e s i g no fo t h e rs e n s o r s t h es e n s i t i v i t yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n n e ra n do u t e rr i n gc a p a c i t a n c es e n s o r u s e dt om e a s u r et h ec r o s s c o r r e l a t i o nf l o wv e l o c i t yw a sr e s e a r c h e d u s i n gt h e e s t a b l i s h e ds i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h et w o - d i m e n s i o n a la n dt h r e e - d i m e n s i o n a l s i m u l a t i o nm o d e l so ft h es e n s o rw e r es i m u l a t e d t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n i n d i c a t e dt h a tt h ei i k r l e ra n do u t e rr i n gc a p a c i t a n c e s e n s o r sh a v eav e r y h o m o g e n e o u ss e n s i t i v i t yd i s t r i b u t i o na n dt h eh o m o g e n e o u se r r o ri nt h ed e t e c t i o n f i e l di sl e s st h a n1 w h i c hi sf a rm o r es u p e r i o rt oo t h e rc a p a c i t a n c es e n s o r sw i t h h o m o g e n e o u se r r o ri nt h ed e t e c t i o nf i e l dw a s10 a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n g t o t h e s er e s u l t s ，t h eb e s ts e to fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sc a nb ea t t a i n e df r o mt h ea s p e c to f s e n s i t i v i t yf i e l dd e t e c t i o n a n dt h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ri st h ee l e c t r o d ew i d t ho f 1 0 m m t h ea x i a ls e n s i t i v i t yo ft h ei n n e ra n do u t e rr i n gc a p a c i t a n c es e n s o ru s e dt o 1 i i m e a s u r et h ec r o s s 。c o r r e l a t i o nf l o wv e l o c i t yw a sr e s e a r c h e d t h er e s u l to ft h e s i m u l a t i o nn o to n l yp r o v i d e dt h ee x t e n ta n dt r e n do ft h ei m p a c t so ft h ee l e c t r o d e s t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h ea x i a ls e n s i t i v i t ya n dt h es p a t i a lf i l t e r i n gp r o p e r t i e s ，b u t a l s oe s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h e v e l o c i t y c o r r e c t i o nf a c t o ri n c r o s s c o r r e l a t i o nf l o wm e a s u r e m e n t t h ee x p e r i m e n t sr e s e a r c h i n go nt h ei n n e ra n do u t e rr i n gc a p a c i t a n c es e n s o r u s e dt om e a s u r et h ec r o s s c o r r e l a t i o nf l o wv e l o c i t yw a sp e r f o r m e d a c c o r d i n gt o t h ec o n c l u s i o no ft h es i m u l a t i o n so nd e t e c t i o nf i e l ds e n s i t i v i t ya n dt h ea x i a l s e n s i t i v i t y , t h ei n n e ra n do u t e rr i n gc a p a c i t a n c es e n s o rf o r c r o s s - c o r r e l a t i o n v e l o c i t ym e a s u r e m e n to ft h ew e tg a sw a sd e s i g n e d t h ei n n e ra n do u t e rr i n g c a p a c i t a n c es e n s o ro b t a i n e dt h ee f f e c t i v ei n f o r m a t i o no ft h ec r o s s - c o r r e l a t i o n v e l o c i t y t h ef o c u so ft h ee x p e r i m e n tw a st of i n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt h e c h a n g et r e n d so ft h ev e l o c i t yc o r r e c t i o nf a c t o r t h ee x p e r i m e n te n v i r o n m e n tf o rt h ei n n e ra n do u t e rr i n gc a p a c i t a n c es e n s o r u s e dt om e a s u r et h ew e tg a sh o l d u pw a sr e s e a r c h e d u s i n gt h et h r e e - p h a s ef l o w e x p e r i m e n td e v i c ei nt i a n j i nu n i v e r s i t y , t h ef a c t o r si m p a c t i n gt h es i z eo ft h e d r o p l e t sa n dt h ef l o wp a t t e r ni nt h ep i p ew e r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h ， w ec a nc o n c l u d et h a tt h ef l o wp a t t e r n so ft h ew e tg a sb o t hi nt h ev e r t i c a la n dt h e h o r i z o n t a lp i p e sa r es t a b l e t h ec o n c l u s i o np r o v i d e da p r a c t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e m e a s u r e m e n to ft h ew e tg a sh o l d u p t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho nt h ei n n e ra n do u t e rr i n gc a p a c i t a n c es e n s o ru s e dt o m e a s u r et h ew e tg a sh o l d u pw a sp e r f o r m e d t h ee x p e r i m e n t ，w h i c hi m p l e m e n t e d o nt h et h r e e - p h a s ef l o we x p e r i m e n td e v i c ei nt i a n j i nu n i v e r s i t ya n dt h ee x p e r i m e n t d e v i c ef o rw e tg a s ，i n d i c a t e dt h a t ，u s i n gs u c hm e t h o d ，t h ef u l le r r o rw a sw i t h i n 10 t h i sm e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h el i q u i dh o l d u pw a st h es a m ea st h e d i f f e r e n t i a lp r e s s u r ef l o wm e a s u r e m e n td e v i c e t h er e a l - t i m ei n t e l l i g e n ti n f o r m a t i o np r o c e s s i n ge m b e d d e ds y s t e mf o rw e tg a s m e a s u r e m e n tw a sr e a l i z e d d e p e n d i n go na r m 9m i c r o p r o c e s s o ra n de m b e d d e d r e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e ml i n u x 2 6 21 ，t h ef r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e ，r e a l - t i m ed a t a c o l l e c t i o na n d p r o c e s s i n ga n d t h et r a n s f e ro fd a t at h r o u g hu d i s k ，w i r e l e s sn e t w o r k a n dr s 2 3 2 4 8 5a r ei m p l e m e n t e d k e yw o r d s ：w e tg a sm e a s u r e m e n t ；i n n e ra n do u t e rr i n gc a p a c i t a n c es e n s o r ； p a r t i c l ek i n e t i ct h e o r y ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；e m b e d d e ds y s t e m i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得二圣鲞蕉茎或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均p 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：对币乞致签字日期：锄呷年z 月z ；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨洼盘鲎一有关保留、使用学位论文的规 定。特授权苤鲞态鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：科仡白k 笞? ：一澎；：训年2 冠够f 导师签名李蚤吼 剿礞；删年月嘭同 第一章绪论 第一章绪论 测量是人类认识客观世界的基础与手段。人们在科学实验和生产活动中， 通过测量可以对物质或事物获得定量的概念并发现它们的规律，从而认识事 物的本质。正如俄国伟大的化学家，元素周期表的发明者，门捷列夫所说： 没有测量就没有科学。所谓的测量，是指根据一定的法则，将某种物体或现 象所具有的属性或特征，用数字或符号表示出来的过程【l j 。 流量测量与压力测量、温度测量并列为工业生产过程中的三大检测参数， 因为空气、水、煤气等各种流体与人们日常生活和生产活动有着密切的关系， 因此测量不同条件和不同流动状态下的流体是工业测控中很重要的内容。气 液两相流作为工业生产中常见的流动现象，近年来，随着工业技术的发展， 连续生产设备的安全、经济及自动化运行的发展逐渐地被人们所重视。本文 工作即是针对湿气这样一种特殊的气液两相流动的测量而进行的。 1 1 气液两相流动 异质物体或系统中，存在分界面的独立物质称之为相。自然界常见的物质 有三相：即固相、液相和气相。因此，由任意两种存在分界面的独立物质组 成的物体或系统都称为两相物体或两相系统。例如，水和冰的混合物中，水 和冰均为存在分界面的独立物质，为同一物质的两相物体；而盐水溶液中盐 和水之间无分界面，盐和水不是两种独立存在的物质，因此是一种单相物体 而不是两相物体。两相物体的流动称为两相流。 气液两相流是指在两相流中两个不同的相分别是气相和液相。气液两相流 动十分复杂，气相可以压缩，相界面不固定，两相间存在滑移，两相间物理、 化学性质存在较大差异，两相流形成机理和运动规律尚未完全被认识，两相流 参数测量难度较大。气液两相流问题被明确地提出是在二十世纪初的自然循 环锅炉水力计算中。随着3 0 年代辐射式锅炉出现、5 0 年代强制直流锅炉出现 以及核反应堆的急速发展，对气液两相流研究提出了更高的要求。近年来，气 液两相流研究更加深入，应用领域更加广泛，例如油气田开采、化工过程、制 冷和低温工程，甚至人体血液循环等领域。因此气液两相流测量成为国内外 流量测量领域中的一个主要研究方向【2 。9 】。 1 。2 湿气的定义及特点 湿气是气液两相流动的一种特殊形态，相当普遍地存在于工业生产过程 l 第一章绪论 中。湿气一词在工业领域经常被提及，但目前工业界尚没有对湿气的统一定 义。通常认为，气液两相流动中，气相的体积含量不断增加，液相的体积含 量不断减少，直到气相称为连续相，液相为离散相时的流动状态即为湿气。 理想的湿气流型呈雾状，液相以液滴的形态完全离散于气相中。然而在实际 的传输管道中，由于液滴重力及液体表面张力，一部分液相介质附着于管壁， 形成连续的环状液膜。 对于湿气的定义，不同的研究人员、仪表制造商有着不同的理解。按照壳 牌公司对湿气的定义，气液两相流动气相体积含率大于9 5 1 1 p 为湿气【1 0 】。 1 3 湿气测量的特性参数】 测量单相流体时常用的参数有压力、温度、速度、质量流量或体积流量等， 在气液两相流的流动中，除了这些参数外，各相的质量含率、体积含率、气 相弗劳德数等也是重要的参数。描述气液两相流的基本参数介绍如下： 1 质量流量形 每秒流过管道流通截面积的气液两相流体质量称为质量流量，用表示。 类似地，将每秒流过管道的气相质量及液相质量分别称为气相质量流量及液 相质量流量，用吸和表示。且 w = 呒+ 彤 ( 1 - 1 ) o 2 截面含气率a 截面含气率又称为空隙率。它表示管道截面上气相所占截面积和总流通 面积之比，用反表示，即为 口：垒 爿 ( 1 2 ) 类似地，液相所占截面积和总流通截面积之比为截面含液率，用( 1 表 示，即 ( 1 - a ) 5 鲁 ( 1 3 ) 其中，以和彳，分别表示气相和液相的流通截面积。 3 质量含气率x 气液两相流体中气相质量流量所占两相质量流量的份额称为质量含气 率，又称为干度，用x 表示。液相质量流量所占两相质量流量的份额称为质量 含液率，用( 1 - 曲表示。 第一章绪论 x ：鱼：! ! 星 形 + ( 1 4 ) 0 - x ) 2 軎= 盎 5 ) 4 混合物质量流速g 两相的总质量流量w 比管道截面a 即为混合物质量流速，用g 表示。 g = 署= 竿 6 ， 彳彳 质量流速g 与气相质量流量和液相质量流量之间存在如下关系。 形= g a x ( 1 7 ) a 嘭= g a 0 一x ) ( 1 - 8 ) 5 混合物体积流量q 每秒钟流过管道某个截面的气液两相流体的体积称为体积流量，用q 表 示，其中每秒钟流过管道的气相体积及液相体积分别称为气相体积流量和液 相体积流量，分别用酝和q ，表示。并有 q2 绣+ 9 ( 1 9 ) 定义气相密度和液相密度分别为：戌和局，则 q g = w g | p g ( 1 1 0 ) ( 1 1 1 ) 6 体积含气翠层 气相体积流量和两相体积流量之比为体积含气率，用尾表示；液相体积 流量和两相体积流量之比为体积含液率，用( 1 - f i g ) 表示。即 忽= 警2 矗 卜履= 鲁2 焘 体积含气率和截面含气率是有区别的，一般情况下，由于气相流速高于 液相流速，此时芦p a ；只有当两相流动为均相流动时，即气相流速等于液相 流速时，# g - - a 。 体积含气率与质量含气率之间的关系为 反= 习蒜( 1 - 1 4 ) 第一章绪论 ( 1 1 5 ) 其中，为气相表观速度； g 为重力加速度； d 为管道直径。 弗劳德数为表征气体惯性力与重力之比的相似准则数，反映了气体的表 观速度、压力等诸多因素的内在联系。 1 4 电容法测量相浓度的研究现状 与其它相浓度检测方法相比，电容法具有很多优点【1 2 】： 电容传感器结构简单，成本低廉，性价比好； 电容极板所形成的检测场能包括整个管道的横截面； 电容传感器响应速度快，实时性好； 适用范围广( 从理论上仅要求多相流动的各相介质有一定的介电常数 差异，因而适用于绝大多数工业多相流生产过程的参数测量) 。 鉴于上述优点，电容法测量相浓度具有更广阔的工业应用前景，特别是在 我国工业现有的条件下，电容法更具有独特的魅力，是最值得优先考虑的方 法之一。电容法的测量原理虽然简单，但是在实际应用中还需要考虑以下几 个闯题： 由于两相流流动的的变化性及复杂性，电容测量值与相浓度之间并非 一一对应的线性关系，而且参数之间的关系错综复杂，难以用解析式 直接描述； 电容传感器有其固有的检测场灵敏度分布的不均匀性问题。电容测量 的灵敏度分布易受被测多相流相分布不均匀的影响，即存在所谓的 “软场”效应，使得测量结果不仅与相浓度有关，而且受相分布及流 型变化的影响很大，测量误差较大； 由于相浓度的变化而引起的电容量的变化十分微小，若使电容传感器 具有很高的检测分辨率，传感器必须具有较强的抗杂散电容的能力。 上述原因使得电容传感器在多相及两相流测量中的应用受到很大限制，因 此其研究仍处于实验室阶段，至今也未见有成熟的产品在工业上应用。在用 电容法测量多相两相流相浓度这一研究领域上，国内外一些学者已经做了许 多工作： 堕河 = k 、， 略 f l数德劳弗九 第一章绪论 通过静态实验手段，研究不同形状和结构的电容传感器对不同流型的 响应情况，根据实验结果分析不同结构电容极板的优缺点：1 9 8 0 年加 拿大c a l g a r y 大学的a b o u l w a f a 等研究了平行板电极、一对及两对表 面电极、双螺旋电极、多螺旋电极等几种不同的电容极板结构，在气 水混合物中进行静态实验，结果表明【l3 j ：两对表面电极结构的电容传 感器的灵敏度较高，而双螺旋结构的线性度最好。该研究虽然取得了 一定的成果，但是其结论没有动态实验的验证； 从电容传感器的基本原理入手，将原本复杂的电场问题简化为平行平 板间均匀电场问题，通过电容串并联关系，推导出输出电容值与相浓 度之间的数学模型，并以此作为理论依据，再通过实验进行修正，并 进一步分析传感器的性能以及受不同流型影响的程度。1 9 8 6 年韩国的 m h c h u n 等人进行了这方面的研究i l 训。该研究有实验数据的支持， 但是只是单纯从电容传感器的角度研究问题，没有针对某种工业应用 背景设计其传感器； 采用动态电容测量法，即应用电容噪声原理设计电容传感器。该方法 可消除管道内堆积、黏附对测量的影响，并可对温度变化、相的介电 常数进行补偿。1 9 7 8 年英国的g r e e n 等人设计出了这种电容式相浓度 传感器，但该传感器只适用于稀相输送情况【l5 】； 采用抗杂散电容测量技术及微小电容测量技术，进一步提高电容传感 器测量回路对微小电容的测量精度。1 9 8 8 1 9 9 7 年，英国m a n c h e s t e r 大学的h u a n g t l 6 q 8 、y a n g t l 蛇3 1 等人取得了这方面的研究成果。这个成 果的取得为后续研究人员进行微小电容的测量提供了有利的支持； 采用有限元法对传感器结构进行优化设计。19 9 0 年英国m a n c h e s t e r 大学x i e l 2 4 】采用静电场数值分析中的有限元法，模拟一对表面极板电 容传感器结构，分析二维检测场的灵敏度分布特性，采用因素轮换法 对传感器各结构参数进行优化设计，并提出了理论优化准侧，具有该 结构的传感器检测场均匀性误差为1 0 ，但只是一种理想结构，而且 没有对三维检测场进行研究，因此用于工业现场在线测量还有一定距 离： 采用环状结构的多电极电容传感器结构。1 9 9 2 年清华大学张宝芬、黄 松明等人将多电极( 如8 电极) 旋转场法与传感器结构优化设计结合 起来，有效地克服了分层流动的测量误差，并提高了传感器输出的线 性度。静态模拟各种流型的实验结果表明【2 5 - 2 刀，对于体积浓度为5 0 的分层流，因不同方位角的改变而引起的测量误差为1 ；在相同浓 第一章绪论 度下，对于各种流型( 层流、核心流、环状流) 的变化所引起的最大 测量误差小于5 。但该文作者没有给出传感器检测场均匀性误差指 标，同时也缺乏物理实验数据的支持。 综合考虑上述几项研究成果，众多的国内外学者对电极形状、测量方法 等从有限元仿真和静态实验的角度进行了研究，这些宝贵的研究成果对于笔 者来说是一笔有益的财富。 本文的目的之一是对湿气中的液相含率进行测量，而电容传感器则是本 文选择用来测量湿气液相含率的一个工具。对于湿气这种特殊的气液两相流， 气相体积含率在9 5 以上，也就是说液相体积含率小于5 ，正因为如此，增 加了液相含率测量的难度。由于气相和液相( 水) 的相对介电常数比接近l 8 0 ， 所以利用电容传感器来测量湿气的液相含率是一个非常好的选择，同时湿气 流动状态相对比较稳定也是利用电容传感器进行检测的一个有利条件。前人 都是从电容传感器的角度去分析，而不是从被测介质的角度去考虑。本文提 出了从被测介质、被测物场特性以及电容传感器的角度综合考虑的研究方法， 目的是研究设计出一种可以用于湿气测量的新型的电容传感器。 1 5 相关流量测量技术的研究现状 六十年代中期发展起来的，以相关技术为基础构成的多相流测量系统， 由于可以采用不同原理的传感器来获得多相流体的流动噪声信号，经相关处 理后，求得离散相的平均流速。再配以其他检测手段，即可构成各相流体质 量流量测量系统。它可实现非接触测量，因而具有很强的适应性，既可应用 于气液两相流系统，也可应用于气固和液固两相流系统以及油、气、水三组 分混合物流动系统。为解决多相流测量问题提供了一个强有力的技术手段 2 8 - 4 0 l o 在相关流量测量中，相关流量算法主要有以下三种： 渡越时间法：互相关函数峰值位置所对应的时间位移称之为渡越时 间，在“凝固”流动模型假设条件下，被测流体的混合速度可以用电 极间距除以渡越时间得到。这种方法已经应用于工业现场的商品化相 ， 关流量计中【4 1 4 刀 参数估计法：目前一般用相关法估计流动噪声的渡越时间，但是，当 流动噪声传感器的几何尺寸较大时，它的空间滤波效应使得信号频带 变窄，相关函数的峰区变得平坦，从而导致测量结果随机误差较大、 分辨率降低。1 9 7 6 年k n a p p 等【4 8 j 提出了广义相关法，1 9 9 2 年高占晋 等采用先对传感器信号进行白化预滤波，再进行广义相关试图消除传 6 第一章绪论 感器空间滤波效应所带来的影响【4 9 1 ，但这些方法实现起来比较复杂， 研制测量仪表成本过高，难以适用于在线测量； 梯度相关法：由于两相流相间存在相对运动，在利用渡越时间法进行 两相流流量测量时，其相关结果存在统计偏差。1 9 8 7 年b r a u n 等1 5 0 】 提出的梯度相关测量方法是以粒子概率分布为基础直接测量各分散 相质量流量和流速，后来国内学者也相继开展类似研究 5 1 - 5 2 】。尽管梯 度相关算法为解决两相流相关流量测量模型提供了新的途径，但是， 该方法对两个传感器设计与安装要求很高，具体实现起来也是困难 的。 分析上述三种相关流量算法的特点，“渡越时间法易于实现在线测量， 且现在已经应用于工业现场的相关流量计中，因此，本文选择“渡越时间法 作为相关流量算法。选择这种算法就意味着对传感器结构的设计提高了要求， 要求传感器有一定宽度的信号频带，以减小流量测量误差。 经过二十几年的研究，国内外从事相关流量测量技术的研究者已经研制 成功几种可以灵敏的检测出多相流体随机流动噪声的传感器。 按构成原理来分，这些流动噪声传感器可以分为以下几种【5 3 】： 利用流体内部的随机噪声现象对外部入射能量束的随机调制作用构 成的流动噪声传感器，如光学传感器、超声传感器等； 直接利用被测流体本身发射能量的随机波动构成的流动噪声传感器， 如用于测量含辐射介质的辐射检测器等； 利用流体本身电学特性的随机变化对外加电场的随机调制作用构成 的流动噪声传感器，如基于流体电容值、电导率、导热率等的各种传 感器。 相关流量测量系统中的电容传感器由敏感部件( 安装在管道上的电极结 构部分) 和电容检测电路两部分组成。同目前在微小压力或微小位移测量中 广泛使用的电容传感器相比较，相关流量测量系统中使用的电容传感器存在 一些特殊的设计问题需要解决。由于施加在极板间的电压值是有限的，被测 流体在极板间流动时所引起的电容量及其变化都将十分微小。一般在几个p f 和几十个p f 之间。虽然，增加极板尺寸可以增加电容，但这样做的结果，会 使传感器的结构笨重，成本增加，操作不方便，特别是由于电极对随机流动 噪声的空间滤波效应的影响，限制了电极长度的增加。 使电容传感器满足流动噪声测量要求的方法是：设计合理的电极结构， 采取良好的屏蔽措施，防止外电场引起的杂散电容的干扰。为了简化流动噪 声信号的分析和易于说明相关速度的物理意义，应尽可能使电容传感器在极 第一章绪论 板间的被测介质空间形成均匀的电场。此外，必须设计和制造出高灵敏度、 高稳定性且固有噪声电平很低的电容检测电路。 1 6 仪表智能信息处理系统的发展趋势 目前基于嵌入式的仪表智能信息处理系统大致可以分为三类【5 禾删： 基于单片机的m c u 系统。一般是8 位或1 6 位的处理器，集成度较高， 控制功能较丰富，但是存储器容量较小，系统资源有限，功能不够强 大； 以p c i 0 4 为代表的工业化的单板机。在保留其强大功能的同时，实现 了小型化、模块化、低功耗、较高的可靠性。但是硬件的剪裁只能从 板卡级进行一些选择，灵活性不够； 上述两种类型的仪表信息处理系统虽然在一定程度上做到了智能化，但是 随着需要实现的功能越来越多，越来越复杂，已经有些力不从心。为了解决 这个问题，第三代嵌入式仪表应运而生： 以3 2 位嵌入式处理器为核心，按照应用的要求对硬件实现完全剪裁， 有嵌入式操作系统支持的强大软件平台，具有最低冗余度和最大专用 性的高级专用计算系统。 针对特定的自动化仪表的要求，合理剪裁软件，实现高度集成、低冗余、 小型化，使得自动化仪表信息处理系统不仅具有传感测量、补偿计算、显示 的功能，还具有更加强大的信息处理，故障自诊断等智能化功能。应用嵌入 式的网络接入技术，还能使仪表完成远程维护、远程控制、故障预报、信息 发布与共享等以前无法实现的功能。嵌入式操作系统的应用，为仪器仪表行 业的发展带来了广阔的前景。 随着微电子技术、芯片技术、集成电路工艺的飞速发展，使得高性能的嵌 入式处理器的价格、体积、功耗都不断降低，新型仪器中，使用高性能的嵌 入式处理器已成为可能。 1 7 论文研究内容 1 7 1 研究目的及意义 本论文的研究目的：以天津大学流量检测技术实验室现有的实验装置为 研究手段，对本文设计的内外环电容传感器的特性进行理论分析和实验研究， 为实现湿气的非分离双参数测量提供一种新的测量方法，同时设计一种基于 a r m 嵌入式操作系统的智能流量测量与显示仪表，为湿气流量测量一次传感 2 第一章绪论 器配备智能信息处理系统。 课题的意义：湿气参数测量是两相流研究的热点问题，是急需发展的。 本文通过对湿气特性的分析，研究设计了一种新型的内外环电容传感器，对 其传感器特性进行了解析分析，对其电场特性利用有限元仿真方法进行了理 论研究，并在天津大学流量实验室三相流实验装置及湿气实验装置上进行了 实验研究。这种研究为今后该电容传感器在气田中的应用打下了良好的基础。 针对湿气流量测量传感器设计的基于a r m 嵌入式操作系统的智能信息处理 系统，为湿气测量的研究提供了很好的二次显示仪表。 1 7 2 章节安排 第一章绪论。主要介绍什么是气液两相流动、湿气以及气液两相流动的 基本参数；对电容法测量相浓度以及相关流量测量技术的研究现状做了简单 的陈述；介绍了仪表智能信息处理系统的发展趋势，在本章的最后给出了本 文研究的意义及创新点。 第二章内外环电容传感器空间滤波特性和传递函数模型。对内外环电容 传感器的径向和轴向空间滤波特性进行了理论分析，并最终得到了内外环电 容传感器的空间滤波函数；引入颗粒动力学理论，利用解析方法建立了以离 散相惯性、空间滤波函数、离散相浓度为影响因素的传递函数模型，并结合 物理实验进行了分析。 第三章相关测速内外环电容传感器仿真平台建立。对相关测速原理做了 简单的介绍，建立了以静电场的有限元仿真和正交实验设计相结合的传感器 优化设计仿真平台，定义了仿真分析中需要研究的径向灵敏度和轴向灵敏度 指标，并给出了灵敏度的评定指标。 第四章相关测速内外环电容传感器径向灵敏度仿真。结合本文研究的相 关测速内外环电容传感器，给出了7 个需要优化的传感器结构参数，利用第 三章建立的仿真平台，进行二维和三维有限元仿真，得到了一组优选结构参 数，并从仿真数据可知该内外环电容传感器具有非常均匀的检测场灵敏度分 布。 第五章相关测速内外环电容传感器轴向灵敏度仿真。在径向灵敏度仿真 的基础上，安排轴向灵敏度仿真实验，研究传感器的三个轴向参数对轴向灵 敏度的影响，在此基础上给出了传感器轴向参数对其轴向空间滤波特性以及 时间频率响应特性的影响，并指出了离散相运动速度对时间频率响应特性的 影响趋势。 第六章相关测速内外环电容传感器实验研究。利用第四章、第五章的仿 o 第一章绪论 真结果，设计了用于相关流速测量的内外环电容传感器，并给出了其检测场 均匀性误差。利用微小电容检测电路检测电容信号，得到了相关流速信息， 给出了测量误差，并对流速校正因子进行了分析，得到了流速校正因子的影 响因素。 第七章湿气液相含率内外环电容传感器实验环境研究。在天津大学三相 流实验装置以及湿气实验装置条件下，分析了湿气中液滴大小的影响因素及 各因素影响程度；对管道中的流型分布进行了理论分析，得到了管道中流型 分布情况。 第八章湿气液相含率内外环电容传感器实验研究。设计了用于湿气液相 含率测量的内外环电容传感器，给出了该传感器的检测场均匀性误差，在天 津大学三相流实验装置及湿气实验装置上进行物理实验，给出了液相含率测 量误差，得到了内外环电容传感器测量湿气液相含率的规律。 第九章设计了新型的基于a r m 嵌入式操作系统的湿气智能信息处理系 统。根据仪表的设计要求和目的，选择了一套合适的硬件开发系统，在此基 础上进行软件开发，实现了该仪表的设计要求，调试运行情况良好。 第十章总结和建议。 1 7 3 创新点 有别于前人从电容传感器本身去分析考虑问题，本文提出了从被测介质、 被测物场以及电容传感器的角度综合考虑问题的设计方法，研究设计了用于 湿气流速和含率测量的内外环电容传感器，为湿气的非分离计量提供了一个 新的途径； 引入颗粒动力学理论，利用解析方法建立了以离散相惯性、空间滤波函 数以及离散相浓度为影响因素的内外环电容传感器传递函数模型。结合物理 实验验证，指出了离散相的尺寸对时间频率带宽有影响，随着离散相尺寸的 增加，带宽减小；随着离散相速度( 被连续相携带着运动的速度) 的增加， 带宽增加；两相之间介电常数的不同是电容传感器能测到流动噪声的根本原 因。 建立了有限元分析和正交实验相结合的传感器优化设计仿真平台，利用 该平台对相关测速内外环电容传感器的径向灵敏度进行了仿真研究，其检测 场均匀性误差在1 以下，远远优于其它类型的电容传感器1 0 的检测场均匀 性误差的指标，同时从检测场灵敏度的角度得到了一组最优结构参数；在径 向灵敏度仿真的基础上进行了轴向灵敏度仿真，