基于C~4D技术的非满管液体流速测量方法研究

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流速是液相流体测量过程中的重要参数之一。目前在工农业领域常常会出现液体无法完全充满管道的流动情况,相比于满管流而言,这种非满管状态下液体的流动情况更为复杂,以至于现有的一些常规检测手段无法用于该流动状态下液体流动速度的测量。因此,本文在已有的研究基础上,将电容耦合非接触电导检测技术(Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection,C4D)与空间滤波测速技术相结合,提出了一种新的液体流速测量方法,可应用于非满管状态下液体流动速度的测量。本文首先分析了 C4D技术中耦合电容对测量产生的影响,并论述了采用模拟电感消除耦合电容的技术方案。在此基础上,设计了基于模拟电感的C4D测量系统(主要包括C4D传感器、对称浮置模拟电感电路以及信号处理电路)对实验室的自来水和不同浓度的KCL溶液进行实验测量并作对比分析。其次基于电磁场理论建立了 C4D传感器的数学模型,并给出了 C4D传感器的空间灵敏度定义。然后根据传感器的仿真模型和灵敏度评价指标,从轴向和截面两个角度研究了C4D传感器的空间灵敏度分布情况,并分析了不同结构参数对传感器输出幅值以及空间灵敏度分布的影响,给出了传感器设计中的一般性建议。在此基础上,结合仿真结果进一步分析了 C4D传感器的空间滤波基本理论,并根据其空间滤波特性及频率响应特性,推导出了液体流动速度测量原理。最后针对信号频谱中峰值频率较为集中不易准确提取的问题,提出了两种解决方法:等效峰值频率法和经验模态分解法,并设计了液体流速测量系统进行实验验证。在实验中,详细分析了对传感器原始输出信号直接进行傅里叶变换得不到真实频谱的原因,并提出了相应的解决方法。通过所搭建的液体流速测量系统对非满管状态下液体的流动速度进行测量,测量结果表明,C4D传感器具有良好的空间滤波效应,且所采用的两种峰值频率提取方法均是可行的,在一定的速度范围内(1.39-2.35m/s),测量结果的最大误差均不超过7%(其中等效峰值频率法测量得到的结果最大误差不超过5%)。
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