摘要：設計了一種采用容抗法測量氣液兩相流瞬時液膜厚度的測量系統，通過測量氣液兩相流瞬時液膜厚度，來反映氣液兩相流截面持液率大小。對容抗法測量瞬時液膜厚度的原理進行了詳細分析，建立了探針電容傳感器的數學模型，完成了檢測電路設計。根據此數學模型，確立了瞬時液膜厚度與輸出電壓的線性關系。在虛擬電子工作平臺卜，對該測量系統做了仿真實驗分析，仿真數據表明該測量系統是切實可行的。
關鍵詞：容抗法；瞬時液膜厚度；檢測電路

0 引言
持液率的測量是研究氣液兩相流界面波的基礎，而瞬時液膜厚度的測量又是精確計算持液率的基礎。存在于氣液兩相流氣液界面上的界面波不僅對氣液兩相流的傳熱、傳質和阻力特性有很大的影響，而且也是計算兩相流體動力學的基礎，因此正確有效地對截面持液率進行測量就成為了了解這些特性的關鍵。但由于界面波具有變化快、影響因素較復雜等特點，這就對測量界面波的探針及處理電路提出應具有分辨率高、反應快、受外界影響小等要求。目前液膜厚度的測量方法主要有電導法、電容法、射線法和高速攝影法。射線法和高速攝影法由于對操作者有嚴格的要求，應用得不普遍，電導法的理論還不成熟，同時溫度，壓力等條件的變化會給測量帶來誤差，目前用得也不多。由此我們采用容抗法檢測。

1 容抗法測量原理
管道中流體(空氣和水)的介電常數差異很明顯，當氣水含量發生變化時，氣水混合物的介電常數會隨之發生較大的變化，進而使其電容發生變化。選擇一種電容特性好的線型材料，設計成雙探針電容傳感器，通過電容檢測電路，測量以氣水混合物作為電介質的電容，根據電容與電壓之間的線性關系，通過測量輸出電壓得出電容量的大小，然后再根據數學模型計算得出瞬時液膜厚度。
在不同的應用環境下，測得電容的方法有多種，傳統采用脈寬調制法測量電容，其缺點是電路本身不能自動調零，從而延長了測量的時間，采用容抗法可較好地解決上述問題，實現電容的自動調零。容抗法檢測電路的基本原理如圖1所示。

其輸出電壓V0與被測電容CX的關系為
V0=-Vi(Gx+jwCx)Rf (1)
式中：Rf為反向放大器的反饋電阻；CX為電容極板間的漏電導；Vi為正弦激勵電壓幅值；ω為激勵電壓的角頻率。選取參數使ωCX>>GX，根據式(1)有
V0=-jViωCxRf ω (2)
所以，Vi、ω、Rf為常數時，測量電路輸出電壓V0與被測電容CX為線性關系。

2 測量系統設計
為了獲得液膜高度與探針輸出的定量關系，須對電容探針輸出信號進行解調，為此設計了探針輸出信號的測量電路。首先建立電容式傳感器的數學模型，建立電容值與液膜高度之間的對應關系；測量電路由信號發生器輸出正弦波信號，將被測電容量CX變成容抗XC，經C／U換電路進行轉換，把XC轉換成交流電壓信號，經放大電路對信號進行放大后，再經過有源整流電路成為直流電壓，最后經濾波電路將干擾信號濾掉，取出平均值電壓V0，V0與CX成正比關系，只要適當調節電路參數，即可計算出電容值，再根據數學模型，計算出液膜高度。
2．1 數學模型的建立
本設計采用雙針電容式傳感器，其結構如圖2所示，圖中從左到右分別是探針傳感器在管道中的安裝方式及位置、管道的截面剖圖、探針傳感器的結構。