作者:   發(fā)布時(shí)間:2014/6/27 10:32:42   瀏覽次數(shù):2937

氣／固兩相流螺旋式電容式傳感器的仿真設(shè)計(jì)

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，兩相流（氣／液、氣／固、液／固）參數(shù)的測(cè)量和控制是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。例如，高爐煉鐵過(guò)程中，工藝過(guò)程逐漸由噴油過(guò)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(duì)噴出的煤粉速度和濃度進(jìn)行檢測(cè)與控制。氣／固兩相流流體在流動(dòng)時(shí)，各組分空間分布并不均勻，會(huì)隨著時(shí)間作出隨機(jī)性的變化，這就要求傳感器只能對(duì)固相體積分?jǐn)?shù)敏感，而與它的空間分布情況無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)傳感器檢測(cè)場(chǎng)的靈敏度空間分布要均勻。針對(duì)以上問(wèn)題，以電容法測(cè)量?jī)上嗔鞯碾x散相濃度為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)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(chǎng)分布，可以通過(guò)仿真來(lái)確定氣／固兩相流濃度與電容值之間的關(guān)系。
1電容法測(cè)量固相體積分?jǐn)?shù)的基本原理
對(duì)于平行板電容器，當(dāng)流體通過(guò)電極板形成檢測(cè)場(chǎng)時(shí)，固相體積分?jǐn)?shù)的變化會(huì)使極板間的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容值的改變。當(dāng)兩極板相對(duì)面積與極板間距離-定時(shí)，可以通過(guò)檢測(cè)電容值的變化來(lái)推算出固相體積分?jǐn)?shù)。忽略邊緣效應(yīng)，在流體所流經(jīng)的管道外表面緊貼上對(duì)稱平行的表面極板，把其中的一平行極板與激勵(lì)電壓源相連接作為源電極，另一極板作為檢測(cè)電極。設(shè)傳感器兩極板間檢測(cè)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(gè)矩陣?yán)锩姘俗噪娙莺突ル娙荩梢郧蠼舛鄬?dǎo)體之間的關(guān)系。CMATRIX默認(rèn)施加電勢(shì)為100 V在近似的情況下可以將遠(yuǎn)場(chǎng)設(shè)定為地。利用APDL語(yǔ)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(zhǎng)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(shè)計(jì)
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(duì)于整個(gè)管道來(lái)說(shuō)它們所占份額非常小，表示在管內(nèi)的某個(gè)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(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如表l所示，其中X表示相對(duì)于管道中心的距離，Z表示球體在管道中的縱深。由實(shí)驗(yàn)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(shí)的電容值變化不大，幾乎是相等的，在加大傳感器長(zhǎng)度的情況下，它們的差距會(huì)進(jìn)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(chǎng)分布，也就是說(shuō)傳感器的電容值僅與其固相濃度有關(guān)而與其位置無(wú)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(shè)為l，固相高介電常數(shù)設(shè)為7。仿真計(jì)算時(shí)做出下列假設(shè)：
(1)管道中流體流動(dòng)時(shí)為凝固流；
(2)忽略電極沿軸向的邊緣效應(yīng)，在仿真計(jì)算時(shí)認(rèn)為電極和屏蔽罩為無(wú)限長(zhǎng)；
(3)流型的變化對(duì)電極內(nèi)的電場(chǎng)不會(huì)造成任何影響，并且管道外的電荷會(huì)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(dá)式為：c= 0.2789n+5.1414，測(cè)量值與擬合值的逐點(diǎn)相對(duì)偏差均在5.2%的范圍內(nèi)，說(shuō)明了該結(jié)構(gòu)的電容式傳感器具有較均勻的靈敏場(chǎng)分布，這對(duì)于兩相流中相含率的測(cè)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(shè)計(jì)
4電容檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)
由于實(shí)際測(cè)量中固相濃度較低，電容值的測(cè)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(cè)量要求。但采用常規(guī)測(cè)量電路的電容式傳感器的靈敏度都偏低，難以滿足測(cè)量要求。實(shí)際測(cè)量中，當(dāng)兩相流體在管道中流動(dòng)時(shí)，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。總的雜散電容的大小會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大干系統(tǒng)的固有電容，而且雜散電容會(huì)隨著結(jié)構(gòu)、溫度、位置、電場(chǎng)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(cè)量電容的變化量，檢測(cè)電路必須滿足下列要求：
(1)測(cè)量電路線性度好、動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高；檢測(cè)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(cè)量電容的變化量；
(3)測(cè)量電路必須具有低漂移、慨噪聲以及較強(qiáng)的雜散電容抑制能力。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了交流激勵(lì)法電容檢測(cè)原理，以正弦信號(hào)為載波，將兩個(gè)傳感器電容值變化的信號(hào)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(dòng)放大后，經(jīng)過(guò)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(hào)，再經(jīng)低通濾波器后，就會(huì)得到與c1 -C0由成正比的電壓信號(hào)。其中，C0為參比電容，用于消除環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；c1為待測(cè)電容。為測(cè)試在不同的調(diào)制頻率下對(duì)流速測(cè)量的影響，所設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)頻率可調(diào)。
其中，c/v轉(zhuǎn)換電路采用的是交流激勵(lì)法。該方法除了具有靈敏度較高、測(cè)量速度快、抗雜散電容強(qiáng)的能力外，還
具有低漂移、電荷注入效應(yīng)小等特點(diǎn)。采用正弦電壓作為測(cè)量電容的激勵(lì)源，產(chǎn)生的交流電流經(jīng)帶有反饋電阻風(fēng)和反饋電容的運(yùn)算放大器后，經(jīng)試驗(yàn)證明，這樣可以提高靈敏度。
在轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)中，選擇合適的運(yùn)放是非常重要的。在反復(fù)試驗(yàn)后，最終選擇了OPA627和OPA637分別作為檢測(cè)級(jí)和放大級(jí)。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(yùn)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(cè)器的輸出阻抗，而且它們對(duì)被測(cè)電容不會(huì)產(chǎn)生任何影響。由于C1直接并聯(lián)在信號(hào)源的兩端，而c2直接接在運(yùn)放OPA627的反相輸入端，被其輸入端所虛短，因此C1、c2對(duì)被測(cè)電容的測(cè)量沒有影響，即寄生電容對(duì)未知電容測(cè)量的結(jié)果無(wú)影響。
運(yùn)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(cè)量電路的輸出，B通道接信號(hào)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(shí)觀察兩個(gè)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(biāo)尺功能可以觀測(cè)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(shí)的待測(cè)電容為2 pF）下面對(duì)電容／電壓變換曲線進(jìn)行標(biāo)定。根據(jù)實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)電容的取值，選取被測(cè)電容的變化范圍為1 -45 pF．在Multisim電路原理圖中，適當(dāng)調(diào)整被測(cè)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(shí)，觀察輸出波形圖，讀取此時(shí)的電壓值。重復(fù)上述步驟，依次將被測(cè)電容值在1 -45 pF范圍內(nèi)取10組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果如表3所示。當(dāng)電容值大于45 pF時(shí)，電壓值都為1O V，輸出電壓呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

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