双探针电导探头信号质量的研究

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1、http://www.paper.edu.cn1双探针电导探头信号质量的研究112212韩梅，伍倩，张念，王铁峰，沙作良，王金福1天津科技大学海洋学院，天津（300457）2清华大学化学工程系，北京（100084）E-mail:wangtf@flotu.org摘要：制作了一种双探针电导探头，研究了探针参数、测试电路和采样方法对探针信号质量的影响，并提出了改进方法。实验结果表明，探针导通距离越小，信号响应越快，当导通距离小于0.025mm时，对信号响应影响不明显。探针电极必须与测试电路的负极相连，否则会导致探针发生电氧化腐蚀，造成探针损坏。选取小阻值探针，并根据探针在液相中的阻值大

2、小对外接限流电阻进行优化，可实现采样电路的电阻匹配，从而获得理想的信号响应幅值。通过对所分析的各影响因素进行控制后，得到了电压幅值变化达3V、噪音小且响应快的电导探针气泡信号。关键词：双探针电导探头；信号响应；信号幅值差；信号噪音；电氧化腐蚀中图分类号：TQ016.1/.5文献标识码：A0引言双探针电导探头测试技术可用于测量局部流体力学行为，具有信号易处理和可进行大样本实时测量的优点。虽然电导探头属于接触式测量，但由于探针体积小，可置于被测设备中任意位置而对流场干扰较小。与光纤探针相比，电导探针机械强度高，可用于气速和固含率较高的体系，已作为一种有效的测试手段被广泛应用于气-液两

3、相和气-液-固三相体系下的气[1-7]泡行为参数的研究。[8]孙科霞等通过将探针导通距离控制在0.02mm以内，减小了信号响应滞后问题，获得[9][10]了响应快的脉冲信号；高正明和杨健等提出在算法处理中应用概率统计方法能得到更可[11]靠的气泡行为参数；Wu和Ishii考虑到气泡侧向运动及探针间距对气泡丢失造成的影响，引入校正因子改进了双探针电导探头法测量气泡行为。然而，关于双探针电导探头整个测试方法和影响信号质量因素的研究报道却很少。本文介绍了一种双探针电导探头的制作方法。以实验测得的数据信号为基础，结合电导测试理论，从探针制作工艺、测试电路和采样方法三方面，详细地分析了信号

4、质量的影响因素，并提出了改进信号质量的方法。1双探针电导探头1.1双探针电导探头的制作方法双探针电导探头用经过特殊工艺加工过的SKH-钢针作为电极针，表面镀有镍、金，除顶端极小一锥状部分裸露外，其余表面均涂有去湿性较好的Teflon绝缘漆，总直径为0.15mm。首先将电极针经焊锡插入连有信号线的外径0.3mm的铜管中，保证两者连接牢固、导通良好，制成电极。再用环氧树脂将电极铜管表面绝缘、固化，并保持平滑。截取一小段4号注射针头，套在涂有绝缘漆的电极针外部，用环氧树脂固定后，再插入6号注射针头内，两个不同型号的注射针头彼此导通，但均与电极绝缘。将上述两根电极并行插入管径为2mm的不

5、锈钢支撑管内，调节探针垂直间距H，并保证两电极在同一水平面内，用环氧树脂将不锈钢支撑管与注射针头的接口固封，并保证两者的导通。最后取两根导线分别与信号线相连，1本课题得到国家自然科学基金（20576060,20676102），高校博士点专项科研基金（20050003030）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn另取一导线与不锈钢管壁焊接相连，制作完成后的双探针电导探头结构如图1所示，电导探头的两探针彼此间互不导通，将探头放入水中时，每根探针均与不锈钢支撑管导通。图1双探针电导探头结构示意图图2测试电路示意图Fig.1Schematicofthedouble-

6、tipelectricalconductivityprobeFig.2Schematicofthemeasuringcircuit将两根探针与不锈钢支撑管接入测试电路，形成两个独立的回路，如图2所示。当探针处于气相中时，回路断开，产生高电平信号，当采集板等效电阻足够大时，高电平值UG近似等于电源电压U。当探针处于液相中时，回路导通，产生低电平值UL，其大小与探针在液相中电阻、外接限流电阻、AD采样板等效电阻以及电源电压有关。探针在液相中的电阻受电极在液相中的间距和液相电导率的影响，稳定条件下，可将其等效为RP。整个测试电路则’’满足UL=RPU/(RP+R0)，其中RP为AD采样

7、板与探针在液相中的等效电阻RP的并联阻值，即’RP=RPRb/(RP+Rb)，R0为外接限流电阻，Rb为AD采集板的等效电阻。两根探针交替处于气液两相中，产生具有一定时间差的两列信号，通过对信号进行算法变换和相关处理，即可得到[12]一系列的气泡行为参数，具体求解方法参见文献。1.2自制双探针电导探头的优点由于双探针电导探头测试法属于接触式测量，为尽量减小探头对流场的干扰，希望其尺寸尽量小。然而探头尺寸太小，尤其在气液固三相体系中，会使探头因受到流动冲击而来回[13]晃动，以及探