基于容抗法的瞬時(shí)液膜厚度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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采用雙針電容式傳感器可以解決圓柱形電容式傳感器存在的邊緣效應(yīng)，并且雙針電容式傳感器的靈敏度高、線性特性好。圖2所示雙針結(jié)構(gòu)的電容式傳感器的電容值為
式中，ε為被測氣液兩相混合物的介電常數(shù)；l為管道直徑(探針的有效長度，己知)，h為液膜高度(沒入水中的探針長度，待求)，r為探針的半徑，單位mm；d為兩探針間的距離，單位mm。
在室溫條件下，水的介電常數(shù)為80，空氣的介電常數(shù)約為I，ε0、I、d、r為常數(shù)，忽略氣液兩相流中含有的雜質(zhì)的影響，氣液兩相流可近似看成空氣和純水兩種介質(zhì)的混合。其有效介電常數(shù)為：
式中a表示液膜厚度百分比(浸入水中的探針高度和管道直徑的比值，即a=h／l)，ε表示被測氣液兩相混合物的介電常數(shù)， ε空氣表示空氣的介電常數(shù)，ε水表示水的介電常數(shù)。所以，很小的持液率變化就會(huì)引起氣液兩相流混合物的介電常數(shù)較大的變化，所以可以將介電常數(shù)的變化反映為電容值的變化，通過測量電容值就得到液膜厚度。由于油田現(xiàn)場一般溫度變化比較大，ε空氣和ε水會(huì)隨溫度的變化而變化，這樣就會(huì)引起溫度漂移，同一持液率不同溫度下測得的電壓值就會(huì)不一樣。目前的儀器對于這些誤差和溫度漂移處理的精度不是很高。在此，采用容抗法，從傳感器結(jié)構(gòu)和測量電路以及數(shù)據(jù)處理方法上來解決上述問題。
2．2 檢測電路設(shè)計(jì)
檢測電路原理框圖如圖3所示，激勵(lì)信號直接采用信號發(fā)生器輸出的正弦波信號，檢測電路主要由C／U轉(zhuǎn)換電路、有源整流電路和有源濾波電路三部分組成。本文引用地址：http://2s4d.com/article/193671.htm
2．2．1 C／U轉(zhuǎn)換電路
圖4為C／U轉(zhuǎn)換電路。其中，SW-DIP4為四輸入撥位開關(guān)，用來切換量程，采用LM358通用雙運(yùn)放作為電壓放大器。Uin為正弦波，VD1-VD4為過壓保護(hù)二極管，防止損壞電容探針傳感器，其特點(diǎn)是負(fù)反饋電阻R1、R2、R3、R4的阻值依電容量程而定，并且以被測電容CX的容抗XC作為運(yùn)放的輸入電阻。
選擇合適的量程檔位，使U2B的電壓增益與XC成反比，輸出電壓Uout與XC成正比，從而實(shí)現(xiàn)了C／U轉(zhuǎn)換。
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