【摘 要】
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小/微通道两相流在化工、微电子等领域具有广阔的应用前景。为了更好地研究和应用小/微通道两相流,需要对其实施在线监测。但现有的监测方法相对匮乏,需要对小/微通道两相流的在线监测开展更多的研究。电导/电阻抗检测技术具有结构简单、实时性能好、成本低、适合工业现场应用等优点,有潜力被运用于小/微通道两相流的在线监测中。但是现有的电导/电阻抗检测方法多为接触式检测方法,传感器电极与待测两相流接触,会引起电极
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小/微通道两相流在化工、微电子等领域具有广阔的应用前景。为了更好地研究和应用小/微通道两相流,需要对其实施在线监测。但现有的监测方法相对匮乏,需要对小/微通道两相流的在线监测开展更多的研究。电导/电阻抗检测技术具有结构简单、实时性能好、成本低、适合工业现场应用等优点,有潜力被运用于小/微通道两相流的在线监测中。但是现有的电导/电阻抗检测方法多为接触式检测方法,传感器电极与待测两相流接触,会引起电极极化、电化学腐蚀、电极沾污等问题,同时可能干扰流体流动。非接触式电导检测（Capacitively coupled contactless conductivity detection,C~4D）技术为研发一种非接触式的电导/电阻抗传感器,并用其实现小/微通道两相流在线监测提供了新的途径。然而,到目前为止针对C~4D技术在小/微通道两相流在线监测中的应用非常有限。本论文旨在拓展C~4D技术的使用范围,研发了适用于小/微通道两相流在线监测的新型C~4D传感器;用该传感器获取小/微通道两相流的等效电导/电阻抗信息并与信息处理技术相结合,对小/微通道两相流,尤其是小/微通道沸腾和液滴微流控的在线监测进行了研究。本文的主要工作和创新点如下:1.将基于串联谐振的C~4D传感器用于小通道静态沸腾在线监测中,并结合感知器算法,提出了小通道静态沸腾在线监测新方法。该方法利用基于串联谐振的C~4D传感器获取小通道内流体的等效电导信息,对其进行特征提取,并结合感知器算法实现小通道静态沸腾中气泡生长所处阶段的辨识。基于内径为1.6mm、2.0mm和2.5mm的小通道建立了样机,并开展了在线监测实验,以验证所提出方法的有效性。实验结果表明,在所建立的样机中,小通道静态沸腾气泡生长各阶段的辨识准确率均高于90%。2.通过引入LC电路,开发了适用于微通道两相流在线监测的新型C~4D传感器。该传感器可以在较低的激励频率下获得微通道内被测两相流的等效电导/电阻抗信息,并克服耦合电容对测量结果的不利影响。为了验证新型C~4D传感器的有效性并探究其输入输出特性,在带有500μm×50μm微通道的微流控芯片中,以较低的激励频率开展了电导率和浓度检测实验,实验结果表明,该传感器可以在较低的激励频率下（50k Hz以下）实现电导率和浓度的检测。电导率检测限为2.2μS/cm,氯化锂和硫酸钾浓度检测限分别为19.0μmol/L和8.2μmol/L。3.将所研发的新型C~4D传感器用于微通道流动沸腾在线监测中,并结合Ho-Kashyapa算法（H-K算法）提出了微通道流动沸腾在线监测新方法。该方法用新型C~4D传感器获取微通道流动沸腾过程中流体的等效电导信息,对其进行特征提取,并结合H-K算法实现实时流型辨识。随后,综合三次实时流型辨识结果进行综合决策,获得最终监测结果,辨识出微通道流动沸腾在某一工况下的流型。在内径为5.0mm×0.5mm的微通道中开展了在线监测实验,实验结果表明对于所研究的四种流型（单相流、泡状流、段塞流和环状流）,最终监测结果准确率均高于98%。4.将所开发的新型C~4D传感器用于液滴微流控油包水液滴在线监测中,提出了液滴微流控油包水液滴在线监测新方法。该方法利用新型C~4D传感器获取通道内油包水液滴的电阻抗信息,对其进行特征提取并结合建立的测量模型,实现液滴长度和离散相相含率的在线测量,从而实现油包水液滴在线监测。在500μm×500μm的T型通道微流控芯片中,开展了验证实验。实验结果表明,液滴长度测量相对误差小于10%,离散相相含率测量误差小于5%,该方法可以通过液滴长度和离散相相含率的在线检测来实现油包水液滴的在线监测。
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