气／固两相流螺旋式电容式传感器的仿真设计

作者:   发布时间:2014/6/27 10:32:42   浏览次数:2758

气／固两相流螺旋式电容式传感器的仿真设计

在工业生产过程中，两相流（气／液、气／固、液／固）参数的测量和控制是一个急需解决的问题。例如，高炉炼铁过程中，工艺过程逐渐由喷油过渡到喷煤粉，为了使煤粉能在高炉中均匀燃烧，很好地控制炉温并且降低焦比，需要对喷出的煤粉速度和浓度进行检测与控制。气／固两相流流体在流动时，各组分空间分布并不均匀，会随着时间作出随机性的变化，这就要求传感器只能对固相体积分数敏感，而与它的空间分布情况无关，也就是说传感器检测场的灵敏度空间分布要均匀。针对以上问题，以电容法测量两相流的离散相浓度为基础，设计了基于双螺旋极板结构的电容式传感器。双螺旋结构具有均匀的电场分布，可以通过仿真来确定气／固两相流浓度与电容值之间的关系。
1电容法测量固相体积分数的基本原理
对于平行板电容器，当流体通过电极板形成检测场时，固相体积分数的变化会使极板间的介电常数发生变化，从而导致电容值的改变。当两极板相对面积与极板间距离-定时，可以通过检测电容值的变化来推算出固相体积分数。忽略边缘效应，在流体所流经的管道外表面紧贴上对称平行的表面极板，把其中的一平行极板与激励电压源相连接作为源电极，另一极板作为检测电极。设传感器两极板间检测空间的体积为P，固相、气相所占的体积分别为V8和V9。2 电容式传感器的ANSYS建模
采用CMATRIX的宏命令，分别求得接地的自电容矩阵和集中的电容矩阵。这个矩阵里面包含了自电容和互电容，可以求解多导体之间的关系。CMATRIX默认施加电势为100 V在近似的情况下可以将远场设定为地。利用APDL语言建立传感器模型。内半径为21 mm，外半径为30 mm，内管壁厚度为3 mm，外层屏蔽层厚度为2 mm最外层屏蔽电极与螺旋电极之间屏蔽层厚度为2 mm其中：螺片内半径为Rh= 24 mm；传感器总长为H= 200 mm；极板宽度为d=10 mm；旋片厚度为r_=2 nm;电极张角2a =180°，电极的材料为铜箔。
3电容式传感器的仿真与设计
为了更好地模拟气／固两相流，这里选用半径为1O mm的塑料泡沫球，相对于整个管道来说它们所占份额非常小，表示在管内的某个位置充满着某种介电常数的介质而其余的空间均为空气。进一步分析螺旋式电容式传感器电容量与相空间的分布关系，所得到的仿真实验结果如表l所示，其中X表示相对于管道中心的距离，Z表示球体在管道中的纵深。由实验结果可以看出，固相颗粒在位于传感器的同一深度、距离中心位置不同和距离中心位置相同而深度不同时的电容值变化不大，几乎是相等的，在加大传感器长度的情况下，它们的差距会进一步减小。这就极好地证明了双螺旋结构具有均匀的灵敏场分布，也就是说传感器的电容值仅与其固相浓度有关而与其位置无关。
为便于仿真，可以将两相流体中的气相低介电常数设为l，固相高介电常数设为7。仿真计算时做出下列假设：
(1)管道中流体流动时为凝固流；
(2)忽略电极沿轴向的边缘效应，在仿真计算时认为电极和屏蔽罩为无限长；
(3)流型的变化对电极内的电场不会造成任何影响，并且管道外的电荷会被完全屏蔽。
表2结果表明：电容值的大小是随着介质浓度的增加呈近似线性增加，它们的关系曲线如图2所示。用最小二乘法拟合电容值和介质浓度的关系，得到的表达式为：c= 0.2789n+5.1414，测量值与拟合值的逐点相对偏差均在5.2%的范围内，说明了该结构的电容式传感器具有较均匀的灵敏场分布，这对于两相流中相含率的测量具有非常重要的意义。

气／固两相流螺旋式电容式传感器的仿真设计
4电容检测电路的设计
由于实际测量中固相浓度较低，电容值的测量范围为0-40 pF所以要求电容式传感器的灵敏度非常高，才能满足测量要求。但采用常规测量电路的电容式传感器的灵敏度都偏低，难以满足测量要求。实际测量中，当两相流体在管道中流动时，传感器的电容值和电容变化量都很小，且存在杂散电容的影响。总的杂散电容的大小会远远大干系统的固有电容，而且杂散电容会随着结构、温度、位置、电场的分布以及器件的选取等诸多因素而产生变化。所以，为了能够更精确地测量电容的变化量，检测电路必须满足下列要求：
(1)测量电路线性度好、动态范围大、灵敏度高；检测电容值的变化，需要采用转换电路。
(2)能够有效地平衡系统的固有电容值，只测量电容的变化量；
(3)测量电路必须具有低漂移、慨噪声以及较强的杂散电容抑制能力。
在系统设计中，采用了交流激励法电容检测原理，以正弦信号为载波，将两个传感器电容值变化的信号调制在其幅
度上，形成调幅波。然后分别输入到放大器的输入端，差动放大后，经过带通滤波器，带通滤波器的主要作用是提高信噪比，减小噪声的有效带宽。带通滤波器输出的调幅渡由全波相敏解调器解调后，变成了全波整流信号，再经低通滤波器后，就会得到与c1 -C0由成正比的电压信号。其中，C0为参比电容，用于消除环境对测量结果的影响；c1为待测电容。为测试在不同的调制频率下对流速测量的影响，所设计的信号发生器输出信号频率可调。
其中，c/v转换电路采用的是交流激励法。该方法除了具有灵敏度较高、测量速度快、抗杂散电容强的能力外，还
具有低漂移、电荷注入效应小等特点。采用正弦电压作为测量电容的激励源，产生的交流电流经带有反馈电阻风和反馈电容的运算放大器后，经试验证明，这样可以提高灵敏度。
在转换电路的设计中，选择合适的运放是非常重要的。在反复试验后，最终选择了OPA627和OPA637分别作为检测级和放大级。与反馈电阻22 kΩ并联的电容大小分别为10 pF和100 pF，它们的作用是减少运放噪声，保证增益带宽。C1、c2作为抗干扰寄生电容，能够在很大程度上降低检测器的输出阻抗，而且它们对被测电容不会产生任何影响。由于C1直接并联在信号源的两端，而c2直接接在运放OPA627的反相输入端，被其输入端所虚短，因此C1、c2对被测电容的测量没有影响，即寄生电容对未知电容测量的结果无影响。
运用Multisim建立如图5所示的电路原理图，用虚拟示波器A通道测量电路的输出，B通道接信号源（由稳幅文氏电
桥电路产生频率为1 kHz，峰值为10 V的正弦波），同时观察两个通道的波形，判断它们的幅值与频率。图6是c/v转换电路的虚拟示波器输幽图，利用虚拟示波器的标尺功能可以观测到：二者频率相同均为l kHz，峰值分别为0 459 2 V，9. 999 V（此时的待测电容为2 pF）下面对电容／电压变换曲线进行标定。根据实际测量系统电容的取值，选取被测电容的变化范围为1 -45 pF．在Multisim电路原理图中，适当调整被测电容的大小，观察输出波形的变化情况。电容值改变到最小值1.0 pF时，观察输出波形图，读取此时的电压值。重复上述步骤，依次将被测电容值在1 -45 pF范围内取10组数据进行仿真，得到的结果如表3所示。当电容值大于45 pF时，电压值都为1O V，输出电压呈现饱和状态。

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