作者:   發(fā)布時間:2014/6/27 10:32:42   瀏覽次數(shù):2848

氣／固兩相流螺旋式電容式傳感器的仿真設計

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，兩相流（氣／液、氣／固、液／固）參數(shù)的測量和控制是一個急需解決的問題。例如，高爐煉鐵過程中，工藝過程逐漸由噴油過渡到噴煤粉，為了使煤粉能在高爐中均勻燃燒，很好地控制爐溫并且降低焦比，需要對噴出的煤粉速度和濃度進行檢測與控制。氣／固兩相流流體在流動時，各組分空間分布并不均勻，會隨著時間作出隨機性的變化，這就要求傳感器只能對固相體積分數(shù)敏感，而與它的空間分布情況無關(guān)，也就是說傳感器檢測場的靈敏度空間分布要均勻。針對以上問題，以電容法測量兩相流的離散相濃度為基礎，設計了基于雙螺旋極板結(jié)構(gòu)的電容式傳感器。雙螺旋結(jié)構(gòu)具有均勻的電場分布，可以通過仿真來確定氣／固兩相流濃度與電容值之間的關(guān)系。
1電容法測量固相體積分數(shù)的基本原理
對于平行板電容器，當流體通過電極板形成檢測場時，固相體積分數(shù)的變化會使極板間的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而導致電容值的改變。當兩極板相對面積與極板間距離-定時，可以通過檢測電容值的變化來推算出固相體積分數(shù)。忽略邊緣效應，在流體所流經(jīng)的管道外表面緊貼上對稱平行的表面極板，把其中的一平行極板與激勵電壓源相連接作為源電極，另一極板作為檢測電極。設傳感器兩極板間檢測空間的體積為P，固相、氣相所占的體積分別為V8和V9。2 電容式傳感器的ANSYS建模
采用CMATRIX的宏命令，分別求得接地的自電容矩陣和集中的電容矩陣。這個矩陣里面包含了自電容和互電容，可以求解多導體之間的關(guān)系。CMATRIX默認施加電勢為100 V在近似的情況下可以將遠場設定為地。利用APDL語言建立傳感器模型。內(nèi)半徑為21 mm，外半徑為30 mm，內(nèi)管壁厚度為3 mm，外層屏蔽層厚度為2 mm最外層屏蔽電極與螺旋電極之間屏蔽層厚度為2 mm其中：螺片內(nèi)半徑為Rh= 24 mm；傳感器總長為H= 200 mm；極板寬度為d=10 mm；旋片厚度為r_=2 nm;電極張角2a =180°，電極的材料為銅箔。
3電容式傳感器的仿真與設計
為了更好地模擬氣／固兩相流，這里選用半徑為1O mm的塑料泡沫球，相對于整個管道來說它們所占份額非常小，表示在管內(nèi)的某個位置充滿著某種介電常數(shù)的介質(zhì)而其余的空間均為空氣。進一步分析螺旋式電容式傳感器電容量與相空間的分布關(guān)系，所得到的仿真實驗結(jié)果如表l所示，其中X表示相對于管道中心的距離，Z表示球體在管道中的縱深。由實驗結(jié)果可以看出，固相顆粒在位于傳感器的同一深度、距離中心位置不同和距離中心位置相同而深度不同時的電容值變化不大，幾乎是相等的，在加大傳感器長度的情況下，它們的差距會進一步減小。這就極好地證明了雙螺旋結(jié)構(gòu)具有均勻的靈敏場分布，也就是說傳感器的電容值僅與其固相濃度有關(guān)而與其位置無關(guān)。
為便于仿真，可以將兩相流體中的氣相低介電常數(shù)設為l，固相高介電常數(shù)設為7。仿真計算時做出下列假設：
(1)管道中流體流動時為凝固流；
(2)忽略電極沿軸向的邊緣效應，在仿真計算時認為電極和屏蔽罩為無限長；
(3)流型的變化對電極內(nèi)的電場不會造成任何影響，并且管道外的電荷會被完全屏蔽。
表2結(jié)果表明：電容值的大小是隨著介質(zhì)濃度的增加呈近似線性增加，它們的關(guān)系曲線如圖2所示。用最小二乘法擬合電容值和介質(zhì)濃度的關(guān)系，得到的表達式為：c= 0.2789n+5.1414，測量值與擬合值的逐點相對偏差均在5.2%的范圍內(nèi)，說明了該結(jié)構(gòu)的電容式傳感器具有較均勻的靈敏場分布，這對于兩相流中相含率的測量具有非常重要的意義。

氣／固兩相流螺旋式電容式傳感器的仿真設計
4電容檢測電路的設計
由于實際測量中固相濃度較低，電容值的測量范圍為0-40 pF所以要求電容式傳感器的靈敏度非常高，才能滿足測量要求。但采用常規(guī)測量電路的電容式傳感器的靈敏度都偏低，難以滿足測量要求。實際測量中，當兩相流體在管道中流動時，傳感器的電容值和電容變化量都很小，且存在雜散電容的影響?？偟碾s散電容的大小會遠遠大干系統(tǒng)的固有電容，而且雜散電容會隨著結(jié)構(gòu)、溫度、位置、電場的分布以及器件的選取等諸多因素而產(chǎn)生變化。所以，為了能夠更精確地測量電容的變化量，檢測電路必須滿足下列要求：
(1)測量電路線性度好、動態(tài)范圍大、靈敏度高；檢測電容值的變化，需要采用轉(zhuǎn)換電路。
(2)能夠有效地平衡系統(tǒng)的固有電容值，只測量電容的變化量；
(3)測量電路必須具有低漂移、慨噪聲以及較強的雜散電容抑制能力。
在系統(tǒng)設計中，采用了交流激勵法電容檢測原理，以正弦信號為載波，將兩個傳感器電容值變化的信號調(diào)制在其幅
度上，形成調(diào)幅波。然后分別輸入到放大器的輸入端，差動放大后，經(jīng)過帶通濾波器，帶通濾波器的主要作用是提高信噪比，減小噪聲的有效帶寬。帶通濾波器輸出的調(diào)幅渡由全波相敏解調(diào)器解調(diào)后，變成了全波整流信號，再經(jīng)低通濾波器后，就會得到與c1 -C0由成正比的電壓信號。其中，C0為參比電容，用于消除環(huán)境對測量結(jié)果的影響；c1為待測電容。為測試在不同的調(diào)制頻率下對流速測量的影響，所設計的信號發(fā)生器輸出信號頻率可調(diào)。
其中，c/v轉(zhuǎn)換電路采用的是交流激勵法。該方法除了具有靈敏度較高、測量速度快、抗雜散電容強的能力外，還
具有低漂移、電荷注入效應小等特點。采用正弦電壓作為測量電容的激勵源，產(chǎn)生的交流電流經(jīng)帶有反饋電阻風和反饋電容的運算放大器后，經(jīng)試驗證明，這樣可以提高靈敏度。
在轉(zhuǎn)換電路的設計中，選擇合適的運放是非常重要的。在反復試驗后，最終選擇了OPA627和OPA637分別作為檢測級和放大級。與反饋電阻22 kΩ并聯(lián)的電容大小分別為10 pF和100 pF，它們的作用是減少運放噪聲，保證增益帶寬。C1、c2作為抗干擾寄生電容，能夠在很大程度上降低檢測器的輸出阻抗，而且它們對被測電容不會產(chǎn)生任何影響。由于C1直接并聯(lián)在信號源的兩端，而c2直接接在運放OPA627的反相輸入端，被其輸入端所虛短，因此C1、c2對被測電容的測量沒有影響，即寄生電容對未知電容測量的結(jié)果無影響。
運用Multisim建立如圖5所示的電路原理圖，用虛擬示波器A通道測量電路的輸出，B通道接信號源（由穩(wěn)幅文氏電
橋電路產(chǎn)生頻率為1 kHz，峰值為10 V的正弦波），同時觀察兩個通道的波形，判斷它們的幅值與頻率。圖6是c/v轉(zhuǎn)換電路的虛擬示波器輸幽圖，利用虛擬示波器的標尺功能可以觀測到：二者頻率相同均為l kHz，峰值分別為0 459 2 V，9. 999 V（此時的待測電容為2 pF）下面對電容／電壓變換曲線進行標定。根據(jù)實際測量系統(tǒng)電容的取值，選取被測電容的變化范圍為1 -45 pF．在Multisim電路原理圖中，適當調(diào)整被測電容的大小，觀察輸出波形的變化情況。電容值改變到最小值1.0 pF時，觀察輸出波形圖，讀取此時的電壓值。重復上述步驟，依次將被測電容值在1 -45 pF范圍內(nèi)取10組數(shù)據(jù)進行仿真，得到的結(jié)果如表3所示。當電容值大于45 pF時，電壓值都為1O V，輸出電壓呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

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