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基于MEMS的量热式传感器气体流量测量的模型研究

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仪器仪表学报 2024年第1期45卷 111-119页

作者：孙宏军徐浩文丁红兵刘雨航天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072

气体流量测量广泛应用于呼吸监测、管道运输等领域。本研究细致分析了MEMS量热式传感器温度一维分布模型中的热边界层参数,进行了相应的经验修正。并且在温度一维分布模型的基础上,针对具有两对上下游测温电阻芯片结构的MEMS量热式传感... 详细信息

气体流量测量广泛应用于呼吸监测、管道运输等领域。本研究细致分析了MEMS量热式传感器温度一维分布模型中的热边界层参数,进行了相应的经验修正。并且在温度一维分布模型的基础上,针对具有两对上下游测温电阻芯片结构的MEMS量热式传感器,提出了一种新的传感器输出电压关于气体流量的半修正理论模型。该理论模型能够适用于不同类型的单介质气体。同时,开展了N_(2)、CO_(2)流量测量实验,与理论模型进行对比,证明所提出的理论模型可以正确预测不同气体介质的流量,其中针对CO_(2)测量介质的均方根误差为0.15%。此外,结合理论分析,提出了一种高精度,拟合形式简单、针对确定气体适用性更好的测量模型,其中针对CO_(2)测量介质的均方根误差为0.05%。

关键词： MEMS 量热式流量传感器温度1D分布模型热边界层气体流量测量

基于涡街频率-扰动波频双模检测的湿气流量测量

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仪器仪表学报 2024年

作者：李金霞吴逸蒙丁红兵孙宏军中国民航大学电子信息与自动化学院天津大学电气自动化与信息工程学院

针对两相涡街湿气测量过读问题，提出基于涡街-扰动波频双模检测的过读校正与湿气流量在线测量方法。基于电导法构建了环形液膜参数测量传感器，分别设计了激励模块、采集模块、解调模块和上位机，考虑传感器的灵敏度和线性度对激励频... 详细信息

针对两相涡街湿气测量过读问题，提出基于涡街-扰动波频双模检测的过读校正与湿气流量在线测量方法。基于电导法构建了环形液膜参数测量传感器，分别设计了激励模块、采集模块、解调模块和上位机，考虑传感器的灵敏度和线性度对激励频率、电极宽度、电极间距等参数进行了优化设计。在环雾状流实验装置上进行了不同载气工况（气相流量和压力）和液相含量下的实流试验，分析了涡街过读和扰动波频随两相工况的变化。最后，建立了涡街过读与扰动波斯特劳哈儿数和气相韦伯数之间的关联式，结合牛顿迭代算法建立了湿气在线测量模型。预测结果表明，97.5%的流量点湿气测量误差在±1.5%以内，不确定度0.75%。与未进行过读校正的最大误差12.1%相比，湿气测量精度大大提升。模型利用扰动波频信息进行过读校正，无需进行液膜厚度标定，对介质导电性要求低，且标定系数少，因此模型适用性和拓展性可得到有效提升。

关键词：湿气两相流涡街流量计扰动波频仪表过读流量测量

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超音速旋流分离器湿气出口段液膜测量

化工进展 2024年第2期43卷 667-679页

作者：丁红兵张盼盼陈政奇王世伟梁真馨孙宏军天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072

超音速旋流分离技术作为一种新型的多相流分离技术,在天然气脱水脱烃领域有较好的应用前景。超音速分离器内液膜特性与分离性能息息相关,本文以其湿气出口段液膜特征为研究对象,开发了一套FPC电导式液膜厚度测量系统,设计了标定装置获... 详细信息

超音速旋流分离技术作为一种新型的多相流分离技术,在天然气脱水脱烃领域有较好的应用前景。超音速分离器内液膜特性与分离性能息息相关,本文以其湿气出口段液膜特征为研究对象,开发了一套FPC电导式液膜厚度测量系统,设计了标定装置获取传感器实际输出特性。搭建实验管段展开气液两相分离实验,研究了入口含液量与背压比对液膜特征的影响。实验显示液膜厚度低于500μm时传感器灵敏度较高,拟合曲线误差在±5%以内。时域上统计学分析表明液膜厚度呈双峰分布,基层厚度约为70μm。频域上小波包分解后第2、第3频段与其他频段能量分布变化趋势有明显差异,据此对原始信号依次进行重构、局部均值分解、求近似熵和聚类,结果表明含液量增大,液膜波动加剧,近似熵可聚类为三类,对应三种流形。采用互相关算法分析液膜扰动波速度,含液量增大其流向分量与周向分量均呈指数增长趋势,流向分量及其RMSE范围分别为84.7~339.0mm/s、1.15~4.51mm/s,周向分量及其RMSE范围分别为54.8~186.4mm/s、1.20~3.38mm/s。

关键词：超音速分离器 FPC电导式液膜传感器液膜特征小波包变换局部均值分解

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垂直上升管道内气液两相细泡流涡街特性的数值仿真

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天津大学学报 2011年第6期44卷 540-546页

作者：孙宏军刘畅天津大学电气与自动化工程学院天津市过程检测与控制重点实验室天津300072 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191

在50,mm垂直上升管道内,利用数值仿真,并通过实验研究了气液两相细泡流绕漩涡发生体流动发生气液两相涡街的一些现象,分析了截面含气率对脉动升力以及漩涡脱落的影响.分析表明,在截面含气率低时,气液两相流钝体绕流引起的脉动升力随含... 详细信息

在50,mm垂直上升管道内,利用数值仿真,并通过实验研究了气液两相细泡流绕漩涡发生体流动发生气液两相涡街的一些现象,分析了截面含气率对脉动升力以及漩涡脱落的影响.分析表明,在截面含气率低时,气液两相流钝体绕流引起的脉动升力随含气率的增加而减弱,随机性增强,漩涡脱落频率增加.计算流体动力学仿真结果与实验比对,平均误差小于4%.

关键词：气液两相流涡街计算流体动力学三维数值仿真

基于松弛陷波周期图法的涡街流量计信号处理技术的研究

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仪器仪表学报 2004年第5期25卷 577-581,586页

作者：孙宏军张涛凌箐天津大学自动化学院天津300072

根据涡街信号的特点及其对信号处理方法的要求 ,借鉴最大似然谱估计方法的研究成果 ,在周期图法的基础上提出了更适用于涡街频率估计的松弛陷波周期图法 ,该方法兼有高频率分辨率和高计算效率的特点 ,而且有很强的抗复杂噪声干扰的能力... 详细信息

根据涡街信号的特点及其对信号处理方法的要求 ,借鉴最大似然谱估计方法的研究成果 ,在周期图法的基础上提出了更适用于涡街频率估计的松弛陷波周期图法 ,该方法兼有高频率分辨率和高计算效率的特点 ,而且有很强的抗复杂噪声干扰的能力。同时进行了仿真和实验 ,证明该方法是一种有效的涡街信号处理方法 ,能够在一定程度上提高流量计精度 ,扩大量程比。

关键词：陷波周期图复杂噪声频率估计最大似然信号处理技术谱估计涡街信号涡街流量计量程比

基于相角判据的Rife算法的涡街信号处理方法

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仪器仪表学报 2013年第12期34卷 2860-2866页

作者：孙宏军徐冠群天津大学电气与自动化工程学院天津市过程检测与控制重点实验室天津300072

针对涡街信号频率估计中Rife算法在低信噪比、被估计频率接近量化频率时精度较差的问题,分析FFT结果幅值和相角的规律,提出了基于相角判据的Rife算法。对多种噪声环境下的涡街信号以及信号模型进行仿真,结果表明新的判据减小了方向判断... 详细信息

针对涡街信号频率估计中Rife算法在低信噪比、被估计频率接近量化频率时精度较差的问题,分析FFT结果幅值和相角的规律,提出了基于相角判据的Rife算法。对多种噪声环境下的涡街信号以及信号模型进行仿真,结果表明新的判据减小了方向判断错误比例、减小了平均误差,整体性能优于原始Rife算法。处理了实际涡街信号,表明其结果具有较好的一致性。新的相角判据为提高频率估计精度提供了一种新的思路,并且算法简单易于硬件实现。

关键词：涡街流量计频率估计快速傅里叶变换改进Rife算法

基于幅值-相角判据的修正Rife正弦波频率估计算法

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2018年第8期51卷 810-816页

作者：孙宏军王小威天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072 天津市过程检测与控制重点实验室天津300072

机械工程领域普遍存在正弦信号,为提高频率估计精度,提出了一种基于幅值-相角判据的修正Rife算法,即A-P-Rife算法.针对Rife算法接近两相邻量化频率中心区域时估计精度接近克拉美-罗限(CRLB)的性能特点,对信号进行FFT变换得到幅值和相角... 详细信息

机械工程领域普遍存在正弦信号,为提高频率估计精度,提出了一种基于幅值-相角判据的修正Rife算法,即A-P-Rife算法.针对Rife算法接近两相邻量化频率中心区域时估计精度接近克拉美-罗限(CRLB)的性能特点,对信号进行FFT变换得到幅值和相角并计算出频移因子.通过设定门限值,对频移因子进行判断,满足门限值的信号采用Rife算法进行估计,不满足门限值的信号则采用相角判据进行估计,以获得更高的估计精度.仿真结果表明:在频率估计性能上,所提算法优于原始Rife算法、相角判据算法和M-Rife算法,其与I-Rife算法性能接近,但计算量小于I-Rife算法.修正Rife算法可有效提高频率估计精度,降低误判率并减少计算量,可应用于工程中的实时频率估计.

关键词：幅值一相角判据频率估计修正Rife算法克拉美一罗限(CRLB) 快速傅里叶变换

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垂直管气液两相环状流界面扰动波频率特性

化工学报 2018年第5期69卷 1915-1922页

作者：孙宏军桂明洋赵宁天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072 河北大学质量技术监督学院河北保定071002

气液两相环状流的相界面存在扰动波,波动频率是描述环状流界面扰动波特性的关键参数,对环状流的传质传热研究有重要参考价值。利用近红外光的吸收特性,设计了液膜检测装置,采用垂直对射光路设计,并通过置入式导光管屏蔽一侧液膜和气芯... 详细信息

气液两相环状流的相界面存在扰动波,波动频率是描述环状流界面扰动波特性的关键参数,对环状流的传质传热研究有重要参考价值。利用近红外光的吸收特性,设计了液膜检测装置,采用垂直对射光路设计,并通过置入式导光管屏蔽一侧液膜和气芯夹带液滴,实现了对环状流局部液膜的非接触式检测。在此基础上对界面扰动波进行了频域分析,运用功率谱密度估计,对50 mm管径竖直上升管环状流界面扰动波波动频率进行了定量研究,得到0.1~0.8 MPa不同压强条件下,共70个流动条件的环状流界面扰动波频率值。利用实验结果对现有模型进行验证分析,在此基础上利用Strouhal数描述液相流动条件的影响,利用Froude数描述气相流动条件的影响,建立了预测环状流界面扰动波波动频率的St-Fr模型,经实验数据验证预测的平均绝对误差(MAE)为11.42%。

关键词：近红外吸收气液两相流上升管环状流波动频率功率谱密度模型

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水平管环状流液膜厚度与波动参数分布

化工学报 2019年第11期70卷 4162-4171页

作者：孙宏军王伟桂明洋天津大学电气自动化与信息工程学院过程检测与控制重点实验室天津300072 中国电子科技集团公司第十三研究所河北石家庄050051

环状流是常见的一种气液两相流流型,基于双平行电导探针阵列传感器设计了环状流液膜动态测量系统,以水和空气为介质,进行了气相表观流速15-35 m/s、液相表观流速0.1-0.4 m/s范围内的水平管环状流周向液膜测量实验,分析了水平管环状流的... 详细信息

环状流是常见的一种气液两相流流型,基于双平行电导探针阵列传感器设计了环状流液膜动态测量系统,以水和空气为介质,进行了气相表观流速15-35 m/s、液相表观流速0.1-0.4 m/s范围内的水平管环状流周向液膜测量实验,分析了水平管环状流的液膜厚度、相界面波动参数的空间分布与发展变化规律。结果表明,水平管环状流底部液膜厚度随气相表观流速的增加而减小,随液相表观流速的增加而增大,但在高液相表观流速时有饱和趋势,对应条件下周向其他位置的液膜厚度持续增大,尤其在45°位置显著增大,下半周液膜分布趋于平缓;由底部到顶部,液膜波速和波频在周向上均呈逐渐减小趋势,与液膜厚度的分布规律一致,大幅度的扰动波主要分布在底部;底部液膜波速和波频随气相表观流速增加而增大,液相表观流速增加时,波速随之增大,但波频无明显变化,对应波长增大。

关键词：环状流双平行电导探针液膜厚度界面波频波速分布