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新型非接触式径向C4D传感器优化设计*

本站小编 Free考研考试/2021-12-25

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基于电导检测的流体参数测量是流体参数测量领域的经典方法之一,然而现有的电导测量技术多采用接触式的测量方法,电极表面与管道内被测流体直接接触,易发生电极极化、电化学腐蚀等问题[1-8],从而对测量造成了不利的影响,限制了其在工业测量中的应用。
电容耦合式非接触电导检测(Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection,C4D) 技术自提出以来,由于其测量电极与待测流体不直接接触,可有效克服传统接触式电导检测中存在的电极极化、电化学腐蚀等问题,受到了广泛的关注[5-6, 9]。然而作为一种新兴的测量技术,C4D传感器目前多用于实验室中毛细管电泳及微流控驱动等方面的检测[1-3, 10-11],在毫米级管径的流体参数检测中的应用较少,仍处于发展阶段[12-15]
C4D传感器中存在径向和轴向2种典型结构。有研究表明,在测量性能方面轴向结构的传感器要优于径向结构,然而为保证其测量精度,须保持电极宽度及电极间距离与管道直径的比例足够大,即传感器部分的总尺寸通常为管道直径的5倍以上,有时甚至要达到10倍[1-4, 7-8],这使得将轴向结构C4D传感器应用于常规管径管道内的流体参数检测受到制约。与之相比,径向C4D传感器的结构更为简单,体积亦相对较小,但目前针对径向结构C4D传感器的研究较少[4, 7-8]
本文设计研发了一种新型径向C4D传感器,引入电感模块,利用串联谐振的原理消除耦合电容对测量的不利影响。传感器采用径向两电极结构,安装方便且占用空间少,有利于实现装置的小型化。同时,由于所设计的传感器要获取待测流体的电导信号,则传感器必须能够较敏感地反映管道内流体的等效电导的变化;由于传感器的几何参数对测量值有较大的影响[16],为达到最佳测量精度,用仿真软件与具体实验测试相结合的方式对其进行优化设计,以获得传感器的最佳设计方案。
1 C4D测量原理 图 1给出了C4D传感器的2种典型结构[1-2],图中:ui为输入的交流激励电压;uo为输出的直流电压;io为输出的交流电流。2种结构的测量系统均由4个部分构成:交流激励源、绝缘管道、激励/检测电极和信号处理电路。在轴向结构的传感器中,激励电极和检测电极均为环形金属电极,并以一定的间距贴于绝缘管道外壁;径向结构传感器的激励电极和检测电极为径向金属电极片,相对分布于绝缘管道外壁两侧。2种结构的C4D传感器等效电路模型一致,如图 2所示。图中:C1C2为两电极、绝缘管道与导电流体形成的2个耦合电容;Rx为两电极间流体的等效电阻。施加交流激励信号ui于激励电极上使之形成交流通路,则可由检测电极获得反应流体电导信息的电流信号io。电容耦合式非接触电导检测技术为流体电导信号的非接触测量提供了良好的方案。
图 1 C4D传感器典型结构 Fig. 1 Typical structure of C4D sensor
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图 2 C4D传感器等效电路 Fig. 2 Equivalent circuit of C4D sensor
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在设计C4D传感器时,要根据具体情况选择相应的结构,研究表明,在测量性能方面轴向结构的传感器要优于径向结构,然而径向结构更为简单,体积亦相对较小[1-4],更适宜应用于较大管径的流体参数测量。
2 新型径向两电极C4D传感器 本文所设计的新型C4D传感器如图 3所示,其组成部分包括交流激励源、激励电极、检测电极、绝缘管道、串联电感和信号处理模块等。
图 3 径向两电极传感器结构 Fig. 3 Structure of radial two-electrode sensor
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当激励源对激励电极施加交流激励信号时,检测回路的等效电路如图 4(a)所示,其中,耦合电容C1C2值受传感器几何参数及绝缘管道相对介电常数的影响,Rx值受传感器的几何参数以及待测流体的电导率的影响,L为串联电感。耦合电容C1C2作为测量交流通路的重要组成部分,使流体电导测量得以实现的同时产生了无效的背景信号,此背景信号的存在给传感器的测量灵敏度、测量范围以及分辨率带来了不利的影响[12]。检测回路的总阻抗Z可表示为
(1)

式中:f为激励频率。
图 4 径向两电极传感器等效电路 Fig. 4 Equivalent circuit of radial two-electrode sensor
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由式(1) 可知当电路等效阻抗虚部为零,即电路达到串联谐振状态时的频率f0可表示为
(2)

则当激励频率为f0时,电路中电感产生的感抗与耦合电容产生的容抗相互抵消,电路呈纯阻性,此时检测回路的总阻抗Z可表示为
(3)

串联谐振时的等效电路如图 4(b)所示,则背景信号C1C2的影响被消除,信号处理模块从检测电极上得到的电流信号io仅包含流体的电导信息,进一步处理io,即可得到待测流体的等效电导值。
3 传感器优化 由于电极片的张角对耦合电容以及待测流体等效电导值都有较大的影响,为获得最佳的设计方案,分别采用COMSOL有限元建模仿真以及对比实验2种方法对其进行对比分析。
由于传感器敏感场域满足准静态电磁场的条件,则建模时选用准静态电场条件进行仿真模拟,所设计的传感器内部场域方程及边界条件可描述为
(4)

式中:σ(x, y, z)、ε(x, y, z) 和φ(x, y, z) 分别为模拟环境与管壁及其内部场域的电导率、相对介电常数以及电势;ω为角频率; Г1为激励电极的空间位置; Г2表示检测电极的空间位置; Г0为模拟外部环境的边界; Ω表示传感器场域; n为相对于边界面的单位法向量; Vo为设定的电势常数。
由此可得,各电极边界条件分别为:激励电极所处的空间位置设为交流激励电位能,检测电极所处的空间位置设为接地,管内壁以及外壁无电极片区域设为连续,模拟外部环境介质为空气,外部环境边界设为悬浮电位。传感器基础模型截面结构如图 5所示,图中:l为电极片宽度;θ为电极片张角;D为绝缘管道外径;d为绝缘管道内径。
图 5 传感器基础模型截面结构 Fig. 5 Basic model cross-section structure of sensor
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基础模型的各参数分别为:传感器管道内径d=9 mm,外径D=13 mm,管道长度50 mm,管壁相对介电常数εpipe=4,空气的相对介电常数为ε0=1。显然,电极片的长度对传感器灵敏度有较大影响,长度越长则电极片有效面积越大,灵敏度也会相应增加,但电极片长度过长亦会造成平均效应,综合考虑各因素,通过实验确定电极片宽l为外径D的1.5倍。模拟外部环境应越大越好,然而外部空间越大则剖分网格越多,计算时间越长,则用500 mm边长的正方体模型模拟外部环境。保持电极片宽度不变,分别改变电极片张角θ=60°,90°,120°,150°,以此来观察传感器响应的变化。管道内介质电导率的变化范围为0.01~100 mS/cm,仿真结果如图 6所示。
图 6 电极片张角改变时两电极间等效电导仿真值 Fig. 6 Simulation equivalent conductivity value betwee two electrodes when angle of electrode changes
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由仿真结果可以看出,随着电极片张角的增加,传感器灵敏度提高,然而当张角大于120°后,灵敏度增加的趋势减弱。
由于仿真实验数值是在理想环境中得到的结果,为进一步探究传感器在实际情况下的应用特性,在d=9.1 mm、D=12.8 mm的水平有机玻璃管道上对上述4个传感器进行对比实验,实验以不同浓度的KCl溶液为待测介质,参考电导率值由商业型接触式电导率仪(梅特勒-托利多FE30,电导率测量范围0~199.9 mS/cm,测量精度±5% F.S.) 测定,电导率的变化范围同上。电极片张角改变时传感器的输出特性变化如图 7所示,电极片张角小于120°时,传感器灵敏度随张角的增加而增大,但张角为150°时,灵敏度反而下降了,在所测试的4种不同张角的传感器中,电极片张角为120°时的测量效果最好。
图 7 不同电极张角时传感器的输出特性 Fig. 7 Output characteristics of sensors with different electrode angles
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通过比对仿真与实验的结果可以发现,当电极片张角由120°增加至150°时,仿真结果灵敏度仍然在增加,只是其增加的趋势减小,但实际实验中张角为150°时传感器的灵敏度比张角为120°时的灵敏度低,初步分析其原因,是由于电解质溶液的导电机制与金属导体及固态电解质不同,对其进行仿真和模拟更为复杂,所应用的仿真软件模块未能考虑这些因素,使得仿真结果与实测结果出现差异[17]
由上述结果可知,加大电极片张角即可增加检测的有效面积,理论上可有效提高传感器输出灵敏度,则在选择电极张角时,应选择较大的电极张角。然而当电极片张角过大,两电极间距离缩小,则两电极通过空气形成的杂散电容对测量的影响增加,导致传感器的信噪比降低,综合考虑,选择电极片的张角为120°较好。
4 电导测量实验结果 分别在5个不同管径的水平有机玻璃管道上对所设计的电导测量传感器进行了测试实验,实验介质的选取与参考值的获取途径如前所述。电极张角设为120°,激励电压为12 V。传感器特征尺寸和相应的交流激励频率如表 1所示。
表 1 传感器参数及激励频率 Table 1 Sensor parameters and excitation frequencies
传感器编号d/mmD/mml/mmf/kHz
15.08.012.0288
27.510.015.0281
39.112.819.2277
410.214.021.0267
512.016.024.0263


表选项






此外,根据优化设计实验的结果,可以看出当管道内流体的电导率范围达到20 mS/cm以上时,传感器的灵敏度显著降低,测量效果较差,传统的径向C4D传感器的可测量范围为0.01~10 mS/cm,本文在保证灵敏度的前提下,验证实验管道内KCl溶液的浓度变化范围调整为1.0×10-4~0.2 mol/L,即电导率范围变化为0.01~24 mS/cm,比较传统径向传感器测量范围提高了1倍以上。实验结果如图 8所示, 可以看出,利用本文所设计的电导测量装置在5个不同管径下进行电导测量实验,所得到的测量值与参考值的相对误差均小于5%。结果表明,本文所设计的电导测量装置在实际电导测量中是可行、有效的。
图 8 电导率测量实验结果 Fig. 8 Experimental results of conductivity measurement
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5 结论 1) 本文基于串联谐振原理,设计了一种径向结构的新型C4D传感器,扩大了现有径向C4D传感器的应用范围,提高了测量灵敏度。
2) 仿真和实验结果表明,电极张角对测量效果有重要影响,张角增加时,测量灵敏度会相应增大,但如果张角过大,会引入一些对测量不利的影响因素,导致灵敏度下降。综合考虑,建议电极张角为120°时最佳。
3) 在内径为5.0、7.5、9.1、10.2和12.0 mm的5个管道中进行的电导测量实验表明所研发的电导测量系统是有效的,电导测量相对误差均小于5%,为流体的参数检测提供了一种可行的方案。

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    本站小编 Free壹佰分学习网 2022-09-19
  • ERT/UTT双模态传感器尺寸优化仿真*
    过程层析成像(ProcessTomography,PT)通过安装在被测容器周围的传感器阵列,在容器内形成覆盖被测空间的敏感场,通过场内介质对敏感场调制作用,利用传感器阵列获取被测对象信息,再通过图像重建算法再现被测容器内部的介质分布。PT技术在化工、石油、冶金与物料运输等工业生产过程中有广泛的应用前 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-25
  • 基于近场散射的颗粒粒径分布测量*
    颗粒粒径及分布是目前颗粒测量的主要内容之一[1]。颗粒粒径的测量方法发展至今已有很多,早在20世纪80年代,各种颗粒测量仪器已达400多种。就其测量原理,可分为筛分法、显微镜法、沉降法、电感应法及光散射法等。在颗粒粒径的众多测量方法中,光散射法以其特有的优势--适用性强、粒径测量范围宽、测量重复性好 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-25
  • 光学原位法探针测量超低减排烟气*
    近些年来,我国人与环境关系日趋紧张,环境污染问题日益突出。我国的能源结构一直以煤为主,从而造成了化工厂、燃煤锅炉、冶金厂和水泥窑炉等工业源的排放烟气中所含的SO2、NOx、颗粒物含量偏高,而我国大气污染物的主要来源又是这些燃煤锅炉、化工厂、冶金厂和水泥窑炉等的燃烧污染物。此外,从使用方式上看,煤炭消 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-25
  • 基于Work-Conserving的CICQ结构中单组播分组调度算法*
    ?当前通信网络业务呈现多元化的发展趋势,视频会议、远程教学、网络电视等组播业务快速增长。作为构建网络通信重要设施的交换机,其能否有效支持单播、组播混合调度将直接影响着整个网络通信的传输效率和通过量。就交换结构而言,输出排队(OutputQueuing,OQ)结构有N(输入输出端口数目)倍加速比的需求 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-25
  • 基于小波的反作用轮力矩测量系统校准*
    ?反作用轮是进行卫星姿态控制的主要部件,卫星通过调节反作用轮转速,使反作用轮角动量与卫星角动量进行交换达到卫星姿态转角控制的作用[1]。在对于卫星地面验证具有重要意义的半物理仿真试验中,应用力矩测量系统将反作用轮实时输出力矩值引入控制闭环是一种反作用轮参与闭环仿真的新方法,它相比于传统的反作用轮闭环 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-25
  • 飞机结构件自动编程中转角构建方法及算法*
    在现代飞机设计中,为满足高性能的要求,广泛采用性能优越的整体结构件[1],如壁板、梁、框和翼肋等整体结构。整体结构件包含大量的自由曲面、特殊加工区域等结构,数控编程时需要创建大量的几何辅助元素[2],手工编程难度大、效率低,程序质量依赖于编程人员的技术水平,造成程序质量不稳定。因此,基于工艺知识的自 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-25
  • 复合材料仿骨缝齿接结构建模与力学特性分析*
    复合材料结构在使用过程中,需在复合材料-复合材料结构或复合材料-金属结构间使用连接结构。传统机械连接结构通常采用刚度与强度较大的钛合金连接件,其自身热、力学性能与复合材料本身有着较大差异,由于开孔与连接件性能匹配问题,承载时会在连接区域产生应力集中现象[1];且在连接件安装过程中,对复合材料结构的钻 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-25
  • 回转体倾斜入水空泡及弹道特性实验*
    运动体入水问题广泛存在于水上飞机和宇宙飞船的水上着落、船体在风浪中的砰击、空投鱼雷入水、跳水运动等领域,具有较强的工程应用背景[1]。从空气介质穿过气水交界面侵入水体的入水过程,涉及到气体、液体和固体3种介质的耦合作用,具有高度非线性和非定常性。Worthington和Cole[2-3]利用闪光摄影 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-25
  • 开放空腔壳体入水流场结构及流体动力特征研究*
    运动体由空气域穿越自由液面进入水域完成入水运动,入水过程运动体将改变静态流场结构,产生湍动涡、空泡流等现象,同时在流体动力作用下,改变入水弹道,甚至引发结构变形,流场运动与结构体运动两者相互耦合,是一个非常复杂的过程,一直以来,入水问题都是国内外****重点关注的问题之一。对于开放空腔壳体入水而言, ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-25
  • CICQ结构中逼近work-conserving的分组调度算法*
    互联网技术的发展使得以InternetProtocol(IP)为核心的分组交换网络对传输速度和效率的需求随之加大。而交换机的吞吐率与时延性能作为Besteffort服务的重要指标,直接影响着整个网络的效率和速度。为高性能交换机设计良好的交换结构和调度算法,以提高吞吐率与时延性能,成为一个重要的问题。 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-25