用于薄液膜檢測的同軸環(huán)盤電導(dǎo)傳感器優(yōu)化設(shè)計*

王 超,王青天,趙 寧,胡鳳紅

(1.天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院,天津 300072;2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心,天津 300300)

用于薄液膜檢測的同軸環(huán)盤電導(dǎo)傳感器優(yōu)化設(shè)計*

王 超1*,王青天1,趙 寧1,胡鳳紅2

(1.天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院,天津 300072;2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心,天津 300300)

液膜厚度是研究環(huán)狀流液膜演化發(fā)展的重要參數(shù),基于環(huán)狀流薄液膜厚度范圍,設(shè)計了基于電導(dǎo)法的非侵入式同軸環(huán)盤液膜測量傳感器。通過有限元分析,對同軸環(huán)盤液膜測量傳感器電極結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計,確定了傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)選擇。實驗表明:傳感器在50 μm～200 μm的液膜厚度范圍內(nèi)具有很高的靈敏度,液膜厚度的測量誤差在±3.7%以內(nèi)。

物理量傳感器;液膜厚度檢測;COMSOL;同軸環(huán)盤電極

氣液兩相環(huán)狀流是工程中非常重要和最常見的流型之一,廣泛存在于石油、化工、管道運輸及核反應(yīng)堆等工業(yè)領(lǐng)域[1]。液膜厚度的準確非侵入測量,對準確認識環(huán)狀流的流動機理以及發(fā)展演化具有重要的意義[2]?；诓煌臏y量原理和信號的本質(zhì),液膜厚度的測量方法主要有超聲法、光學(xué)法、核輻射法和電導(dǎo)法等[3]。

超聲法根據(jù)超聲穿過不連續(xù)介質(zhì)時會發(fā)生衰減和反射的原理進行液膜厚度測量[4],但超聲法的不確定度與超聲波波長(遠大于光波波長)直接相關(guān),限制了超聲法在液膜極薄情況下的應(yīng)用[3]。光學(xué)法是目前液膜厚度測量應(yīng)用最為廣泛的方法,依據(jù)測量原理的不同主要分為以下幾類:界面檢測法,光衰減法[5],全內(nèi)反射法[6],光影法[7],激光散射法,熒光強度法[8],激光焦點位移法[9]和干涉法[10]。但光學(xué)測量設(shè)備普遍價格昂貴,而且對使用環(huán)境有嚴格的要求,限制了其在工程領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。核輻射法主要包括X射線衰減法[11],伽瑪射線密度測定法[12]和中子照相技術(shù)[13]。核輻射法具有放射性,安全防護和維護要求很高。電導(dǎo)法具有測量快速,適合高壓高溫等條件的優(yōu)點。

目前,電導(dǎo)法大多利用雙平行線電導(dǎo)探針來測量液膜厚度[14-17],這種探針對厚度大于2 mm的液膜分辨率較高,但環(huán)狀流薄液膜一般在小于200 μm范圍內(nèi)[17],對于薄液膜,雙平行線電導(dǎo)探針侵入流體,會造成擾流、滯流,而且由于液體表面張力,在探針附近會形成彎月面,導(dǎo)致測得厚度比實際偏高,這個偏差對于薄液膜測量十分明顯。

本文設(shè)計了適用于薄液膜測量的非侵入式同軸環(huán)盤液膜測量傳感器,對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。

1 液膜厚度測量傳感器設(shè)計

傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中A電極為激勵電極,B電極為接地電極,電極使用鎳金制成。將傳感器平嵌于管壁,電極與流體接觸,且不干擾流體流型。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

液膜內(nèi)電流方向為徑向?qū)ΨQ的,假定液膜的電流線沿著平面方向并且在圓周方向均勻分布,液膜電阻可表示為[18]:

(1)

由于理論推導(dǎo)將實際的三維電流分布簡化成了二維分布,且忽略了電極與液體的接觸電阻,因此算得到的理論電阻值比實際的要小,并且隨著液膜厚度的增加,誤差將增大。為此,引入修正系數(shù)B(h):

B(h)=1/(a+b/h)

(2)

式中:a、b為常數(shù)。

修正后的液膜電阻理論模型為:

(3)

2 傳感器優(yōu)化

傳感器3個直徑參數(shù)的選擇是傳感器設(shè)計的關(guān)鍵。考慮電極的尺寸限制,首先將絕緣環(huán)直徑d2固定為6mm,在此基礎(chǔ)上,對環(huán)形電極直徑d3和激勵電極直徑d1進行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 仿真模型

在COMSOL仿真軟件中,使用有限元法求解電場微分方程:

(4)

式中:J為電流密度;σ為電導(dǎo)率;E為電場強度;φ為場內(nèi)電勢分布;為拉普拉斯算子。

建立仿真模型如2所示。其中實驗容器是直徑為76mm,高50mm的圓柱形水槽,材質(zhì)為有機玻璃。傳感器嵌入水槽底部,與底部平齊。

邊界條件為:激勵電極輸入電流1mA,環(huán)形電極給定電勢為零。電極材質(zhì)設(shè)置為鎳鉻合金,電導(dǎo)率為5.998×107S/m,水的電導(dǎo)率設(shè)置為5.22×10-2S/m,電極的電阻率相對于液膜的電阻率可以忽略不計。

圖2 仿真模型

2.2 環(huán)形電極直徑優(yōu)化

對于式(1),為了保證液膜中電流密度均勻分布,d3應(yīng)足夠大。

設(shè)

R=Rx-R50

式中:Rx為d3為xmm時,傳感器測得液膜電阻值,R50為d3為50mm時,傳感器測得液膜電阻值,單位均為kΩ。

圖3 阻抗差值R與d3的關(guān)系曲線

圖3是R與環(huán)形電極直徑的關(guān)系曲線。其中圖3(a)為不同激勵電極直徑d1,液膜厚度h=100 μm時,d3與液膜阻抗差值R之間的關(guān)系曲線;圖3(b)為激勵電極直徑d1=4 mm,不同液膜厚度時,d3與液膜阻抗差值R之間的關(guān)系曲線。

從圖3可以看出,對于不同激勵電極結(jié)構(gòu)、不同厚度的液膜,當(dāng)環(huán)形電極直徑d3大于8 mm時,被測液膜電阻值基本穩(wěn)定不變。此時,可以認為環(huán)形電極直徑d3繼續(xù)增大,將不再影響液膜內(nèi)電流密度的均勻分布,因此,d3確定為8 mm。

2.3 激勵電極直徑優(yōu)化

在d3=8 mm的條件下,激勵電極直徑d1分別為2 mm、3 mm、4 mm和5 mm時,液膜電阻隨液膜厚度變化曲線如圖4所示。隨著液膜厚度的增加,液膜的電阻先急劇減小,然后趨勢趨于平緩,即傳感器的靈敏度隨著液膜厚度的增加逐漸降低,高靈敏度區(qū)間集中在液膜厚度h小于200 μm,與薄液膜厚度范圍一致?？紤]激勵電流和AD轉(zhuǎn)換的測量范圍,被測阻值在20 kΩ以內(nèi)比較合適,因此,取d1=4 mm。

圖4 液膜電阻與厚度的關(guān)系

圖5 傳感器實物圖

3 實驗驗證

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,確定傳感器3個直徑參數(shù)分別為d1=4 mm、d2=6 mm、d3=8 mm,制作傳感器如圖5所示。

為了驗證優(yōu)化結(jié)果,設(shè)計實驗裝置如圖6所示。為了保證準確調(diào)整液膜厚度,設(shè)計了壓板結(jié)構(gòu),通過調(diào)整壓板與傳感器之間的距離控制液膜的厚度,壓板與千分尺相連。實驗裝置的核心部件使用標(biāo)準測量儀器千分尺,其調(diào)整精度為10 μm。因此,對測量裝置的標(biāo)定僅需標(biāo)定起始點及最大調(diào)整范圍。由測量裝置造成的誤差小于千分尺精度10 μm。

圖6 實驗測量裝置

實驗中使用的激勵信號頻率為1 kHz。測量數(shù)據(jù)如表1和圖7所示。擬合修正系數(shù)B(h)如式(5)所示,測量數(shù)據(jù)的變化趨勢與引入修正系數(shù)的理論模型非常一致。

(5)

表1 測量數(shù)據(jù)

圖7 修正前后電阻值與液膜厚度的關(guān)系曲線

實際液膜厚度與實驗測得液膜厚度的對比如圖8所示。當(dāng)液膜厚度在50 μm～600 μm之間變化時,引用誤差在-1.7%～+6.3%以內(nèi),其中92.3%測量點在±5%的引用誤差范圍內(nèi);對于薄液膜(50 μm～200 μm),測量誤差在±3.7%以內(nèi)。

4 結(jié)論

本文針對環(huán)狀流薄液膜設(shè)計了非侵入式的同軸盤環(huán)液膜厚度傳感器,利用有限元分析,確定了傳感器電極的參數(shù)。通過對優(yōu)化后的傳感器進行實驗驗證,發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的變化趨勢與修正后的預(yù)測模型非常一致,在液膜厚度50 μm～200 μm范圍內(nèi)測量誤差小于±3.7%。該傳感器環(huán)形電極直徑為8 mm,為了更好的和管道內(nèi)壁平齊,更適合安裝于管徑較大的管道中,同時非常適合平面薄液膜厚度的測量。

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Optimization Design of Coaxial Ring-Disk Conductance Sensor for Thin Film Measurement*

WANGChao1*,WANGQingtian1,ZHAONing1,HUFenghong2

(1.School of Electrical Engineeringand Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Patent Examination Cooperation Tianjin Center,State Intellectual Property Office,Tianjin 300072,China)

The liquid film thickness is an important parameter for the study of the evolution and development of the annular flow film,based on the range of annular flow film thickness,a non-intrusive coaxial ring-disk film sensor utilizing conductance method was designed. The electrode structure parameters of the measurementsensor were optimized and determined by the finite element method. Experimental results show that the sensor has a high sensitivity in the range of 50 μm～200 μm liquid film thickness. The prediction error of the film thickness was within ±3.7%.

physical sensor;liquid film thicknessdetection;COMSOL;coaxial ring-disk electrode

王 超(1973-),男,天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院教授。主要研究方向為多相流體過程參數(shù)檢測、生物阻抗檢測與渦流無損檢測。先后主持的國家或省部級科研項目10余項,發(fā)表論文100余篇,wangchao@tju.edu.cn;王青天(1991-),男,2014年于武漢理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)在于天津大學(xué)攻讀碩士學(xué)位。研究方向為多相流流量檢測,464029120@qq.com。

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(51506148,61627803);天津市自然科學(xué)基金項目(15JCYBJC19200);河北省教育廳青年基金項目(QN2015216)

2016-06-06 修改日期:2016-07-21

TP212

A

1004-1699(2017)01-0035-04

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.01.007