基于容抗法的瞬時(shí)液膜厚度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種采用容抗法測量氣液兩相流瞬時(shí)液膜厚度的測量系統(tǒng)，通過測量氣液兩相流瞬時(shí)液膜厚度，來反映氣液兩相流截面持液率大小。對(duì)容抗法測量瞬時(shí)液膜厚度的原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，建立了探針電容傳感器的數(shù)學(xué)模型，完成了檢測電路設(shè)計(jì)。根據(jù)此數(shù)學(xué)模型，確立了瞬時(shí)液膜厚度與輸出電壓的線性關(guān)系。在虛擬電子工作平臺(tái)卜，對(duì)該測量系統(tǒng)做了仿真實(shí)驗(yàn)分析，仿真數(shù)據(jù)表明該測量系統(tǒng)是切實(shí)可行的。
關(guān)鍵詞：容抗法；瞬時(shí)液膜厚度；檢測電路

0 引言
持液率的測量是研究氣液兩相流界面波的基礎(chǔ)，而瞬時(shí)液膜厚度的測量又是精確計(jì)算持液率的基礎(chǔ)。存在于氣液兩相流氣液界面上的界面波不僅對(duì)氣液兩相流的傳熱、傳質(zhì)和阻力特性有很大的影響，而且也是計(jì)算兩相流體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，因此正確有效地對(duì)截面持液率進(jìn)行測量就成為了了解這些特性的關(guān)鍵。但由于界面波具有變化快、影響因素較復(fù)雜等特點(diǎn)，這就對(duì)測量界面波的探針及處理電路提出應(yīng)具有分辨率高、反應(yīng)快、受外界影響小等要求。目前液膜厚度的測量方法主要有電導(dǎo)法、電容法、射線法和高速攝影法。射線法和高速攝影法由于對(duì)操作者有嚴(yán)格的要求，應(yīng)用得不普遍，電導(dǎo)法的理論還不成熟，同時(shí)溫度，壓力等條件的變化會(huì)給測量帶來誤差，目前用得也不多。由此我們采用容抗法檢測。

1 容抗法測量原理
管道中流體(空氣和水)的介電常數(shù)差異很明顯，當(dāng)氣水含量發(fā)生變化時(shí)，氣水混合物的介電常數(shù)會(huì)隨之發(fā)生較大的變化，進(jìn)而使其電容發(fā)生變化。選擇一種電容特性好的線型材料，設(shè)計(jì)成雙探針電容傳感器，通過電容檢測電路，測量以氣水混合物作為電介質(zhì)的電容，根據(jù)電容與電壓之間的線性關(guān)系，通過測量輸出電壓得出電容量的大小，然后再根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出瞬時(shí)液膜厚度。
在不同的應(yīng)用環(huán)境下，測得電容的方法有多種，傳統(tǒng)采用脈寬調(diào)制法測量電容，其缺點(diǎn)是電路本身不能自動(dòng)調(diào)零，從而延長了測量的時(shí)間，采用容抗法可較好地解決上述問題，實(shí)現(xiàn)電容的自動(dòng)調(diào)零。容抗法檢測電路的基本原理如圖1所示。

其輸出電壓V0與被測電容CX的關(guān)系為
V0=-Vi(Gx+jwCx)Rf (1)
式中：Rf為反向放大器的反饋電阻；CX為電容極板間的漏電導(dǎo)；Vi為正弦激勵(lì)電壓幅值；ω為激勵(lì)電壓的角頻率。選取參數(shù)使ωCX>>GX，根據(jù)式(1)有
V0=-jViωCxRf ω (2)
所以，Vi、ω、Rf為常數(shù)時(shí)，測量電路輸出電壓V0與被測電容CX為線性關(guān)系。

2 測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了獲得液膜高度與探針輸出的定量關(guān)系，須對(duì)電容探針輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，為此設(shè)計(jì)了探針輸出信號(hào)的測量電路。首先建立電容式傳感器的數(shù)學(xué)模型，建立電容值與液膜高度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；測量電路由信號(hào)發(fā)生器輸出正弦波信號(hào)，將被測電容量CX變成容抗XC，經(jīng)C／U換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把XC轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào)，經(jīng)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后，再經(jīng)過有源整流電路成為直流電壓，最后經(jīng)濾波電路將干擾信號(hào)濾掉，取出平均值電壓V0，V0與CX成正比關(guān)系，只要適當(dāng)調(diào)節(jié)電路參數(shù)，即可計(jì)算出電容值，再根據(jù)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出液膜高度。
2．1 數(shù)學(xué)模型的建立
本設(shè)計(jì)采用雙針電容式傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中從左到右分別是探針傳感器在管道中的安裝方式及位置、管道的截面剖圖、探針傳感器的結(jié)構(gòu)。