基于容抗法的瞬時(shí)液膜厚度測量系統設計

摘要：設計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，通過(guò)測量氣液兩相流瞬時(shí)液膜厚度，來(lái)反映氣液兩相流截面持液率大小。對容抗法測量瞬時(shí)液膜厚度的原理進(jìn)行了詳細分析，建立了探針電容傳感器的數學(xué)模型，完成了檢測電路設計。根據此數學(xué)模型，確立了瞬時(shí)液膜厚度與輸出電壓的線(xiàn)性關(guān)系。在虛擬電子工作平臺卜，對該測量系統做了仿真實(shí)驗分析，仿真數據表明該測量系統是切實(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，而瞬時(shí)液膜厚度的測量又是精確計算持液率的基礎。存在于氣液兩相流氣液界面上的界面波不僅對氣液兩相流的傳熱、傳質(zhì)和阻力特性有很大的影響，而且也是計算兩相流體動(dòng)力學(xué)的基礎，因此正確有效地對截面持液率進(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、影響因素較復雜等特點(diǎn)，這就對測量界面波的探針及處理電路提出應具有分辨率高、反應快、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法、電容法、射線(xiàn)法和高速攝影法。射線(xiàn)法和高速攝影法由于對操作者有嚴格的要求，應用得不普遍，電導法的理論還不成熟，同時(shí)溫度，壓力等條件的變化會(huì )給測量帶來(lái)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)的介電常數差異很明顯，當氣水含量發(fā)生變化時(shí)，氣水混合物的介電常數會(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(xiàn)型材料，設計成雙探針電容傳感器，通過(guò)電容檢測電路，測量以氣水混合物作為電介質(zhì)的電容，根據電容與電壓之間的線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)測量輸出電壓得出電容量的大小，然后再根據數學(xué)模型計算得出瞬時(shí)液膜厚度。
在不同的應用環(huán)境下，測得電容的方法有多種，傳統采用脈寬調制法測量電容，其缺點(diǎn)是電路本身不能自動(dòng)調零，從而延長(cháng)了測量的時(shí)間，采用容抗法可較好地解決上述問(wèn)題，實(shí)現電容的自動(dòng)調零。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；Vi為正弦激勵電壓幅值；ω為激勵電壓的角頻率。選取參數使ωCX>>GX，根據式(1)有
V0=-jViωCxRf ω (2)
所以，Vi、ω、Rf為常數時(shí)，測量電路輸出電壓V0與被測電容CX為線(xiàn)性關(guān)系。

2 測量系統設計
為了獲得液膜高度與探針輸出的定量關(guān)系，須對電容探針輸出信號進(jìn)行解調，為此設計了探針輸出信號的測量電路。首先建立電容式傳感器的數學(xué)模型，建立電容值與液膜高度之間的對應關(guān)系；測量電路由信號發(fā)生器輸出正弦波信號，將被測電容量CX變成容抗XC，經(jīng)C／U換電路進(jìn)行轉換，把XC轉換成交流電壓信號，經(jīng)放大電路對信號進(jìn)行放大后，再經(jīng)過(guò)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濾掉，取出平均值電壓V0，V0與CX成正比關(guān)系，只要適當調節電路參數，即可計算出電容值，再根據數學(xué)模型，計算出液膜高度。
2．1 數學(xué)模型的建立
本設計采用雙針電容式傳感器，其結構如圖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、探針傳感器的結構。