陳俊先，劉震，焦文磊，張?zhí)焘?，呂家孟，姬忠禮

（中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

天然氣在加工、處理和運(yùn)輸過程中常存在大量液滴雜質(zhì)，例如高含硫天然氣、頁(yè)巖氣和煤層氣在氣田集輸過程中均有液滴夾帶現(xiàn)象[1-3]。有研究表明這些液滴雜質(zhì)通常由凝析油和凝析水組成，而凝析水占液滴雜質(zhì)的主要成分[4-5]?？此莆⑿〉囊旱尾粌H會(huì)造成壓縮機(jī)損壞、管道腐蝕和脫硫裝置污染等問題，還會(huì)降低天然氣計(jì)量?jī)x器的準(zhǔn)確性[6-8]。為避免液滴造成嚴(yán)重后果，需要在天然氣管道中設(shè)計(jì)過濾分離設(shè)備，而準(zhǔn)確判斷和檢測(cè)天然氣管道內(nèi)液滴濃度的變化情況是保證高效過濾分離的必要前提[9]。天然氣管道中液滴濃度的測(cè)量方法通常有離線質(zhì)量稱重法和在線測(cè)量法。質(zhì)量稱重法雖然精度較高，但具有嚴(yán)重的滯后性，并不能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)的需求。因此，研究一種在不影響管道內(nèi)天然氣正常流動(dòng)情況下、可實(shí)時(shí)在線測(cè)量天然氣管道內(nèi)液滴濃度的方法顯得尤為關(guān)鍵[10]。

管道內(nèi)天然氣夾帶液滴的流動(dòng)依然屬于多相流流動(dòng)范疇[11-12]。常規(guī)多相流流動(dòng)的表征和測(cè)試技術(shù)已日漸成熟[13-18]，其中已有多種技術(shù)和方法應(yīng)用在液滴的測(cè)量中。丁紅兵等[19]使用圖像法實(shí)現(xiàn)了環(huán)霧狀流液滴的參數(shù)測(cè)量，并建立了預(yù)測(cè)分析模型。周騖等[20]提出了單幀單曝光圖像法的顆粒測(cè)量技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了粒徑、速度、濃度和流量等參數(shù)的同時(shí)測(cè)量。蔡小舒等[21]利用消光法和光脈動(dòng)法成功研制了集成探針，并應(yīng)用于汽輪機(jī)濕蒸汽的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。Werner等[22]用紅外激光吸收光譜法測(cè)定了單分散液滴的蒸發(fā)濃度并利用數(shù)值擬合進(jìn)行模型驗(yàn)證。Wang 等[23]研究了飛秒激光燈絲對(duì)空氣中水蒸氣的熒光效應(yīng)，結(jié)果表明熒光信號(hào)強(qiáng)度與水蒸氣濃度成線性比例。田昌等[24]研究了基于超聲衰減法的漿料多參數(shù)在線測(cè)量方法和裝置，并在煙氣脫硫工藝中成功應(yīng)用；然而大多常規(guī)檢測(cè)方法受限于天然氣管道的高壓工況，無法滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量需求。將常壓光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器改造以適用于高壓工況下天然氣液滴濃度的測(cè)量方法，已在油氣田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Lu等[25-26]通過改進(jìn)光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器的測(cè)試光路來優(yōu)化光學(xué)傳感器模型，實(shí)現(xiàn)了不同高壓氣體中顆粒粒徑和濃度的快速在線測(cè)量。Wang 等[27]基于高斯光學(xué)理論，建立了光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器耐壓透鏡參數(shù)優(yōu)化模型，將標(biāo)定模型的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值進(jìn)行比較，提升了高壓天然氣計(jì)數(shù)器的測(cè)量精度。

盡管光學(xué)測(cè)量方法取得了一定的進(jìn)展，但尚存在檢測(cè)成本高、光學(xué)測(cè)量體易受污染等問題，阻礙了該技術(shù)的進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。微波諧振法與現(xiàn)有的天然氣管道中液滴濃度的在線檢測(cè)方法：光散射法和光衰減法都屬于電磁波法的應(yīng)用研究。然而相比光散射法和光衰減法，微波諧振法不需要光學(xué)視窗，不涉及光路污染，可以極大地降低高壓工況下檢測(cè)設(shè)備的維護(hù)成本。此外，微波諧振法采用非接觸式探針，避免了光學(xué)視窗承壓性差的問題。最后，光學(xué)法只能測(cè)量所在光路截面處的液滴濃度，而微波諧振法可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量管段內(nèi)的整體濃度的測(cè)量，可以更準(zhǔn)確地反映管道中液滴濃度的實(shí)際情況。綜上所述，本文提出一種基于微波諧振原理的管道內(nèi)液滴濃度測(cè)量方法。通過COMSOL 有限元仿真建立微波諧振測(cè)量傳感器模型，并對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)定量分析了不同工況下傳感器的響應(yīng)變化規(guī)律，結(jié)果表明微波諧振法與質(zhì)量稱重法具有良好的一致性。

1 微波諧振測(cè)量原理

當(dāng)微波諧振測(cè)量傳感器的腔壁或腔體內(nèi)的填充介質(zhì)發(fā)生微小變化時(shí)，傳感器的諧振頻率會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這種變化對(duì)電磁場(chǎng)分布及原有電磁參數(shù)的影響稱為微擾。微波諧振測(cè)量原理的本質(zhì)是測(cè)量管道內(nèi)天然氣夾帶液滴流動(dòng)混合物的介電常數(shù)變化。當(dāng)管道內(nèi)只有天然氣而沒有液滴時(shí)，天然氣（主要成分為甲烷）介電常數(shù)接近于空氣，而液滴主要成分凝析水的介電常數(shù)是天然氣介電常數(shù)的數(shù)十倍，當(dāng)天然氣夾帶液滴時(shí)，管道中呈現(xiàn)混合物流動(dòng)狀態(tài)。因此即使少量液滴的存在，也會(huì)極大地影響測(cè)量管道中原有的電磁場(chǎng)強(qiáng)分布。

假設(shè)在諧振腔發(fā)生擾動(dòng)前，腔體內(nèi)的原介質(zhì)為無耗介質(zhì)，即擾動(dòng)前諧振腔內(nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為ε1和μ1。擾動(dòng)前腔內(nèi)電荷密度和電流密度處處為零，此時(shí)諧振腔中沿電磁場(chǎng)的固有諧振角頻率為ω1。則諧振腔內(nèi)的電磁場(chǎng)滿足的麥克斯韋方程組為式(1)。

式中，E1(x,y)和Hl(x,y)為導(dǎo)波系統(tǒng)中的場(chǎng)分布。當(dāng)出現(xiàn)微擾時(shí)，諧振腔內(nèi)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，諧振腔內(nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率也分別變?yōu)棣?和μ2，則諧振腔擾動(dòng)后的固有諧振角頻率相應(yīng)會(huì)變?yōu)棣?，此時(shí)腔內(nèi)的電磁場(chǎng)矢量E2(x,y)和H2(x,y)滿足的麥克斯韋方程組為式(2)。

根據(jù)矢量混合積公式A·(B×C)=B·(C×A)=C·(A×B)，并利用諧振腔電場(chǎng)邊界條件∮S A· dS=∮S A·ndS可得式(7)。

由式(8)可知，微波諧振測(cè)量傳感器對(duì)介電常數(shù)變化很敏感。當(dāng)氣流夾帶液滴穿過傳感器時(shí)，不同濃度混合物的介電常數(shù)引起的微擾變化不同，造成諧振頻率產(chǎn)生特征信號(hào)波形，從而實(shí)現(xiàn)濃度的反演測(cè)量。

2 微波諧振測(cè)量傳感器仿真與分析

實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量的前提是有效提升微波諧振測(cè)量傳感器的參數(shù)性能。傳統(tǒng)解析解求解不僅煩瑣復(fù)雜，而且按其指導(dǎo)加工傳感器容易造成材料資源浪費(fèi)，無法準(zhǔn)確反映出微波在諧振傳感器中的響應(yīng)規(guī)律。本研究利用有限元分析軟件COMSOL 的參數(shù)化掃描技術(shù)，針對(duì)微波在管道內(nèi)的傳輸特性，模擬分析了諧振探針結(jié)構(gòu)變化對(duì)微波諧振測(cè)量傳感器的影響并確定了諧振探針的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 傳感器仿真模型建立

在COMSOL 軟件中建立的微波諧振測(cè)量傳感器三維模型如圖1 所示。諧振腔選擇矩形諧振腔，在諧振腔中間開圓柱形管道，以便被測(cè)液滴隨氣流通過諧振腔。圓柱形管道的橫截面積明顯小于諧振腔的橫截面積，確保了圓柱形管道中主導(dǎo)波模式的截止頻率高于諧振腔中的最低諧振模式頻率，有效解決了電磁波通過管道時(shí)泄漏的問題。諧振腔內(nèi)部填充聚四氟乙烯材料，與圓柱形管道具有同樣的半徑尺寸。兩個(gè)諧振探針嵌入聚四氟乙烯中，并由同軸電纜實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的發(fā)射和接收。由于諧振測(cè)量傳感器理論上存在多個(gè)工作模式（諧振頻率），為了減少其他工作模式產(chǎn)生的電磁場(chǎng)在諧振腔體內(nèi)造成疊加干擾，本文根據(jù)傳感器的尺寸確定工作的主模式為1.637GHz。

圖1 微波諧振測(cè)量傳感器三維模型

將COMSOL 研究的物理場(chǎng)模塊選擇為電磁波-頻域（emw），而探針的端口類型選擇集總端口，并將集總端口類型設(shè)置為同軸電纜。將管道選擇為遠(yuǎn)場(chǎng)域，方便查看管道內(nèi)電磁波的傳輸與輻射損耗。網(wǎng)格數(shù)量為334754 個(gè)單元，平均單元質(zhì)量為0.7145，滿足COMSOL 網(wǎng)格平均單元質(zhì)量大于0.6時(shí)，數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果均具有良好可靠性的要求。定義諧振測(cè)量傳感器的材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 主要材料的屬性參數(shù)

2.2 微波諧振測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在實(shí)際應(yīng)用中微波諧振腔無法獨(dú)立工作，必須通過耦合結(jié)構(gòu)將微波諧振腔與外部信號(hào)源及處理系統(tǒng)連接，共同實(shí)現(xiàn)微波諧振測(cè)量。因此，耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是微波諧振腔設(shè)計(jì)中十分重要的一環(huán)，本文選擇利用耦合探針實(shí)現(xiàn)諧振腔的激勵(lì)和傳導(dǎo)。具體探針耦合結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了研究探針耦合結(jié)構(gòu)對(duì)微波諧振腔的測(cè)量的影響，本文主要對(duì)探針直徑RC進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整以確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)，并分析了諧振腔內(nèi)部電場(chǎng)分布的變化情況。

圖2 諧振探針參數(shù)圖

通過COMSOL 的參數(shù)化掃描功能，對(duì)不同尺寸耦合探針直徑RC變化進(jìn)行求解。參數(shù)化掃描將RC尺寸設(shè)置為3～8mm，掃描步長(zhǎng)為1mm。經(jīng)過仿真分析計(jì)算之后，可得微波諧振測(cè)量傳感器在測(cè)量管道截面方向上的電場(chǎng)分布和測(cè)量管道軸向方向上的電場(chǎng)高度分布分別如圖3和圖4所示。

圖3 探針RC變化時(shí)測(cè)量管道截面方向上的電場(chǎng)分布

圖4 探針RC變化時(shí)測(cè)量管道軸向方向上的電場(chǎng)高度分布

如圖3所示為探針RC變化時(shí)測(cè)量管道截面方向上的電場(chǎng)分布情況，為了便于研究，所有電場(chǎng)和感應(yīng)電流均做了歸一化處理。其中圖3(a)～(c)中黑色箭頭表示感應(yīng)電流的大小和流向，而圖3(d)為歸一化后的電場(chǎng)強(qiáng)度圖例。由圖3可以看出，在耦合探針附近電場(chǎng)強(qiáng)度最大，而在測(cè)量管道中心區(qū)域處的電場(chǎng)強(qiáng)度受RC變化的影響較大。隨著RC的增大，可以明顯從顏色的變化觀察到測(cè)量管段中電場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況和感應(yīng)電流的變化情況。RC=6mm 時(shí)，測(cè)量管段中電場(chǎng)強(qiáng)度相比其他尺寸更接近圖3(d)中的高亮紅色區(qū)域，中心區(qū)域的均勻性明顯增強(qiáng)。同樣，當(dāng)RC=6mm時(shí)，感應(yīng)電流箭頭更加粗大，表明測(cè)量管段中感應(yīng)電流的強(qiáng)度更大。更高的感應(yīng)電流強(qiáng)度同樣有利于傳感器更好地感應(yīng)管道內(nèi)的液滴濃度的變化情況，由圖4可以看出，測(cè)量管道軸向方向上的電場(chǎng)高度分布受RC變化明顯，測(cè)量管道中心區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值從RC=6mm 時(shí)的14100 下降到了RC=8mm時(shí)的11500。同樣在RC=6mm時(shí)，測(cè)量管道中心區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，且電場(chǎng)強(qiáng)度的整體均勻性更好。因此可以簡(jiǎn)單地先確定耦合探針的直徑選擇為RC=6mm。

2.3 微波諧振測(cè)量傳感器最優(yōu)結(jié)構(gòu)化評(píng)估

為了進(jìn)一步研究分析優(yōu)化后微波諧振測(cè)量傳感器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，本文使用多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)從多維度出發(fā)對(duì)微波諧振測(cè)量傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)分布進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本研究除了利用微波工程中常見S參數(shù)評(píng)價(jià)微波諧振測(cè)量傳感器性能外，還提出以微波傳輸方向X軸（管道截面方向）上，感應(yīng)電流密度平均值javg(x)、感應(yīng)電流密度最大偏差I(lǐng)max(x)兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。主要對(duì)感應(yīng)電流密度在管道截面方向分布受探針尺寸的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。

假設(shè)感應(yīng)電流密度x分量（管道截面方向）的范圍為(-∞,+∞)，感應(yīng)電流密度平均值javg(x)可以定義為式(9)。

式中，n為有限元仿真網(wǎng)格劃分的頂點(diǎn)總數(shù)；|jxk|為每個(gè)頂點(diǎn)的電流密度值。Imax(x)表示測(cè)量截面內(nèi)感應(yīng)電流密度值的最大偏差程度，計(jì)算表達(dá)式如式(10)所示。

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)微波諧振測(cè)量傳感器的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，首先可以得到探針RC結(jié)構(gòu)變化時(shí)微波諧振測(cè)量傳感器的S參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖5所示。

圖5 探針RC變化時(shí)傳感器S11參數(shù)變化規(guī)律

由圖5 可知道，隨著探針RC逐漸增加過程中，傳感器的諧振頻率并不是始終保持線性變化的，即S11最低值隨著RC增加而震蕩變化，探針直徑毫米級(jí)的變化會(huì)導(dǎo)致微波諧振效果差異巨大。當(dāng)RC=6mm 時(shí)，S11最低值可達(dá)到-29.48dB，表明了微波諧振測(cè)量傳感器在探針RC=6mm時(shí)達(dá)到最優(yōu)性能。

通過有限元仿真，得到不同探針RC變化時(shí)感應(yīng)電流密度平均值javg(x)和感應(yīng)電流密度最大偏差I(lǐng)max(x)的變化情況如圖6 所示。由圖6(a)可知，探針RC增加過程中，javg(x)在RC=6mm 處達(dá)到最大峰值1015.48。javg(x)相比其他尺寸同比增長(zhǎng)了35.27%。由圖6(b)可知，探針RC增加過程中，Imax(x)在RC=6mm處達(dá)到最小值0.95。與參掃的其余尺寸相比，Imax(x)減少了50.64%。當(dāng)RC=6mm時(shí)，感應(yīng)電流密度平均值達(dá)到最大，而感應(yīng)電流密度偏差值最小。這表明微波信號(hào)匹配傳輸更佳，在測(cè)量管段內(nèi)對(duì)液滴的感應(yīng)更加靈敏。

圖6 RC評(píng)價(jià)指標(biāo)變化規(guī)律

加工設(shè)計(jì)的微波諧振測(cè)量傳感器實(shí)物如圖7所示。為了驗(yàn)證仿真參數(shù)的準(zhǔn)確性，微波諧振測(cè)量傳感器（空樣機(jī)）實(shí)測(cè)與仿真S參數(shù)對(duì)比如圖8 所示。通過對(duì)比矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）獲得的實(shí)測(cè)S參數(shù)和COMSOL 有限元模型中計(jì)算出的仿真S參數(shù)，結(jié)果表明微波諧振測(cè)量傳感器的實(shí)測(cè)與仿真具有良好的一致性。

圖7 微波諧振測(cè)量傳感器實(shí)物圖

圖8 微波測(cè)量傳感器（空樣機(jī)）的實(shí)測(cè)與仿真S參數(shù)對(duì)比

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

參考仿真優(yōu)化后所得微波諧振測(cè)量傳感器最優(yōu)結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試。所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由一套管道系統(tǒng)、超聲波液滴發(fā)生系統(tǒng)、微波諧振測(cè)量傳感器、參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示。本文重點(diǎn)進(jìn)行了微波測(cè)量液滴濃度的研究，考慮到天然氣管道內(nèi)凝析液的主要成分為凝析水，因此實(shí)驗(yàn)樣品選擇清潔自來水液滴來代替天然氣管道中的液滴。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作流程如下：變頻器控制風(fēng)機(jī)在特定工作頻率下以恒定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，形成負(fù)壓抽風(fēng)模式。超聲波液滴發(fā)生器形成微米級(jí)液滴后，由風(fēng)機(jī)吸入管道。氣體和液滴組成的混合物在負(fù)壓吸力作用下經(jīng)過微波諧振測(cè)量傳感器，由VNA 測(cè)量和記錄不同液滴濃度下諧振參數(shù)的變化情況。最后經(jīng)過濾器過濾后排放到空氣中，完成測(cè)試。

具體實(shí)驗(yàn)方法如下：超聲波液滴發(fā)生器通過壓電陶瓷換能器在液體中振動(dòng)發(fā)射超聲波，超聲波能量在氣液交界面快速聚集并將液體最終撕裂并霧化成穩(wěn)定輸出的小液滴。利用載氣在負(fù)壓吸力的作用下將霧化器產(chǎn)生的平均粒徑為7μm 的單分散液滴帶入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成研究測(cè)試。利用高精密天平記錄超聲波液滴發(fā)生器每次實(shí)驗(yàn)前后的質(zhì)量變化，以便計(jì)算管道中的液滴濃度。本文以10m/s的固定流速完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并通過調(diào)整霧化開關(guān)選取6個(gè)不同的液滴濃度作為數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行多次數(shù)據(jù)采集，并平均化處理以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 結(jié)果與分析

對(duì)不同采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，得到傳感器S11反射參數(shù)變化如圖10 所示。由圖10 可知，管道內(nèi)液滴濃度逐漸增大，反射參數(shù)變化明顯增大，表明管道內(nèi)液滴的出現(xiàn)阻礙了微波在管道中傳輸。同時(shí)，微波諧振測(cè)量傳感器的諧振頻率出現(xiàn)了偏移，在低濃度時(shí)諧振頻率偏移變化較小，而當(dāng)濃度達(dá)到138.56mg/m3時(shí)，諧振頻率偏移變化明顯增大。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，得到諧振頻率偏移變化如圖11所示。由圖11 可知，隨著液滴濃度的不斷增加，諧振頻率變化量逐漸增大。當(dāng)液滴濃度達(dá)到776.95mg/m3時(shí)，諧振頻率偏移變化達(dá)到了6MHz。諧振頻率的偏移變化有利于實(shí)時(shí)測(cè)量管道中液滴濃度的變化情況。

圖10 傳感器的S11反射參數(shù)變化

圖11 諧振頻率偏移變化圖

通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，得到微波諧振測(cè)量傳感器S11反射響應(yīng)參數(shù)與質(zhì)量稱重法標(biāo)定濃度值在不同采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)。微波諧振測(cè)量傳感器瞬時(shí)傳輸響應(yīng)振幅變化數(shù)據(jù)如表2所示，而傳感器S11反射響應(yīng)幅值變化如圖12 所示。單次測(cè)量S11反射響應(yīng)幅值有效增量和S11反射響應(yīng)幅值有效增量平均值分布如圖13 所示。在相同測(cè)試條件下對(duì)各采樣點(diǎn)對(duì)進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，可得重復(fù)性分布如圖14所示。

圖13 傳感器響應(yīng)幅值有效增量

圖14 傳感器重復(fù)率

由圖12 曲線分布可知，隨著測(cè)量液滴濃度的逐漸增大，傳感器響應(yīng)幅值變化逐漸增大。微波反射信號(hào)波動(dòng)增大，表明液滴的出現(xiàn)影響了電磁波在管道內(nèi)的傳輸。由圖13 曲線分布可知，傳感器響應(yīng)幅值的有效增量占比逐漸增大，當(dāng)液滴濃度達(dá)到776.95mg/m3左右時(shí)，有效增量占比達(dá)到最大值為7.82%，相比低濃度時(shí)有效增量占比明顯增大。表明管道內(nèi)液滴濃度發(fā)生變化時(shí)，微波測(cè)量傳感器完全可以區(qū)分出液滴濃度造成的信號(hào)增量，并呈線性增加趨勢(shì)。由圖14 可知，當(dāng)管道內(nèi)液滴濃度發(fā)生變化時(shí)，微波測(cè)量傳感器重復(fù)率都在0.25%上下波動(dòng)，良好的重復(fù)率確保了傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性。而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，完全可以在采樣點(diǎn)進(jìn)行多次平滑采樣測(cè)量，進(jìn)一步提升測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文提出一種基于微波諧振原理的天然氣管道內(nèi)液滴濃度測(cè)量方法，建立微波諧振測(cè)量傳感器的仿真模型，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成測(cè)試分析，主要得出以下結(jié)論。

（1）對(duì)諧振探針插入諧振腔中的直徑RC進(jìn)行參數(shù)化掃描分析。當(dāng)RC為6mm 時(shí)，測(cè)量管道中心區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值可達(dá)14100V/m，電流密度平均值javg(x)為1015.48，電流密度最大偏差I(lǐng)max(x)為0.95。表明微波諧振測(cè)量傳感器達(dá)到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（2）隨著液滴濃度的變化，傳感器的諧振頻率偏移變化量十分明顯，當(dāng)液滴濃度達(dá)到776.95mg/m3時(shí)，諧振頻率偏移變化可達(dá)到6MHz。諧振頻率的偏移變化有利于實(shí)時(shí)測(cè)量管道中液滴濃度的變化情況。

（3）傳感器響應(yīng)幅值有效增量平均值隨液滴濃度增加呈線性增加趨勢(shì)。傳感器重復(fù)率都在0.25%上下波動(dòng)，表明測(cè)量傳感器完全可以利用響應(yīng)幅值有效增量和諧振頻率偏移變化量雙參數(shù)測(cè)量出管道內(nèi)液滴濃度的變化量。該方法有望進(jìn)一步落實(shí)應(yīng)用，對(duì)建立國(guó)家天然氣管網(wǎng)清潔度預(yù)警模型具有重要意義。