電阻式摻氣儀的研制及應(yīng)用

中圖分類號：F407.9 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0052-05

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2025.21.011

Abstract：Aeratingisacommontechnologyinwaterconservancyprojectstoreducecorrosion，andthedetectionofaeration concentrtionisthekeytoreduceerosionBasedonMaxwel'sconductivitytheoryaresistiveaeratorisdesigned.Itcan measuretheimpedanceofaeratedwaterflowthroughadetectioncircuitbasedonanACbridge，andcombinetheexperimental datawiththeK-meansclustering algorithm toobtaintheaeratedconcentration.Within theimpedance detectionrangeof to 3500Ω ，theinstrument's error rate is controlled within 0.5% .It has been verified by hydraulic model experiments that the performanceoftheinstrumentreachesthestandardandcanefectivelyreflectthetrendofaerationconcentrationchanging with flow rate，providing support for the application of aeration corrosion reduction technology.

Keywords：aeration concentration；resistive aeration meter；AC bridge;flowrate;K-means algorithm

高速水流引起的空蝕破壞是水利工程中常見且嚴(yán)重的問題I，這種破壞不僅威脅泄水建筑物的安全運行，還顯著增加維護和修復(fù)成本。摻氣技術(shù)作為一種行之有效的減蝕手段，通過向水流中引入氣體形成氣液兩相流，顯著降低了沖刷腐蝕的風(fēng)險。摻氣濃度的檢測始終是摻氣技術(shù)優(yōu)化和推廣應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸?，F(xiàn)有檢測方法，如針式流速儀和高速攝影技術(shù)，盡管在特定條件下表現(xiàn)出一定的可靠性，但在復(fù)雜水流環(huán)境中，面臨干擾流場大、采樣不足及圖像模糊等諸多問題，難以滿足現(xiàn)代水利工程的需求[2-3]。

針對上述問題，基于麥克斯韋電導(dǎo)率理論設(shè)計了一種電阻式摻氣儀4，實現(xiàn)對摻氣濃度的多通道檢測。同時，引入K-means聚類算法對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理，通過提取關(guān)鍵特征值和抑制噪聲信號，提高數(shù)據(jù)分析的可靠性。在水工模型中進行測試，驗證了電阻式摻氣儀的性能。研究結(jié)果不僅表明了摻氣濃度隨水流流速變化的趨勢，還為摻氣技術(shù)的優(yōu)化和水利工程實際應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支持。

1電阻式摻氣儀的測量原理

基于麥克斯韋公式，復(fù)雜介質(zhì)電導(dǎo)率（或電阻率）可以通過2種不同材料的電導(dǎo)率和體積分?jǐn)?shù)來計算，經(jīng)簡化后可通過公式（1）得到摻氣濃度值為

式中： R_c 為摻氣體的水體電阻； R₀ 為未摻氣時的清水電阻； c 為氣液兩相流中氣體所占體積分?jǐn)?shù)即摻氣濃度。

2 電阻式摻氣儀的電路設(shè)計

電阻式摻氣儀的硬件設(shè)計包括信號交流電橋傳感器驅(qū)動電路、信號調(diào)理電路、鑒相電路、微控制器AD采集及顯示界面的開發(fā)，其整體框架如圖1所示。

為避免引發(fā)極化效應(yīng)，選用交流信號驅(qū)動惠斯通電橋測得摻氣水流的阻抗信號。后經(jīng)信號調(diào)理電路的帶通濾波及疊加直流偏置，將信號傳輸給微控制器（帶AD采集功能），微控制器同時接收鑒相電路輸出的相位標(biāo)志信號，經(jīng)微控制器計算后在顯示模塊中以摻氣濃度的形式顯示。

2.1交流電橋傳感器驅(qū)動電路

交流電橋傳感器驅(qū)動電路包含信號發(fā)生器電路與傳感器采集電路，其中信號發(fā)生器電路如圖2所示。

信號發(fā)生器電路采用AD9333芯片（AnalogDe-vices公司）實現(xiàn)直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)，用于產(chǎn)生高精度的正弦波信號，選用時鐘頻率 25MHz 外部晶振時可實現(xiàn)高達 0.1Hz 的分辨率。經(jīng)后續(xù)電容耦合及放大電路后，系統(tǒng)可穩(wěn)定輸出幅值為2V的 2kHz 交流激勵，傳感器采集電路設(shè)計圖如圖3所示。

傳感器采集電路設(shè)計使用交流惠斯通電橋測摻氣水體的阻抗，通過儀表放大器得到被測水體阻抗Rx與固定橋臂電阻R7之間電壓差值信號。INA826型儀表放大器典型輸入失調(diào)電壓僅為 50μV ，具有0.5μV/°C 的低漂移特性，確保了測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

2.2 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路由 2kHz 中心頻率的帶通濾波器與直流偏置電路組成，其電路設(shè)計如圖4所示。

帶通濾波器可對有效信號進行選頻放大，進而有效濾除高低頻噪聲從而保留有效信號。后經(jīng)直流偏置電路疊加直流偏置信號，確保輸出信號VAD的幅值符合AD采集模塊的輸入范圍要求。運放選擇使用0PA2188，其最大偏移電壓 25μV. 最大靜態(tài)電流475μA 且壓擺率為 0.8V/μs ，滿足設(shè)計要求。

2.3 鑒相電路

由圖3可知，被測水體阻抗Rx與固定橋臂電阻R7的阻抗大小會影響儀表放大器輸出V_DIF的相位。若被測水體阻抗Rx大于固定橋臂R7的阻抗值，則輸出信號V_DIF與驅(qū)動信號V_SIN同相，反之則相位相差 180^° 。為正確檢測被測水體阻抗，需測得輸出信號V_DIF與驅(qū)動信號V_SIN的相位關(guān)系，電路設(shè)計如圖5所示。

鑒相電路工作原理是將濾波處理后的模擬量輸入信號和原驅(qū)動信號通過電壓比較器轉(zhuǎn)換為方波信號，并通過邏輯或門電路輸出一個代表相位信息的方波信號。其中電壓比較器選用LM2901，其典型切換延遲為 1μs 。邏輯異或門芯片采用74HC86，具有 5ns 的典型傳播延遲，能夠滿足 2kHz 信號處理需求。

2.4 微控制器AD采集

根據(jù)奈奎斯特采樣定理為能完整重構(gòu) 2kHz 的被采樣信號，所需的采樣頻率必須大于等于 2kHz 。為此選用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F103RCT6微控制器，其具備16路12位AD采集通道，最高采樣頻率達1MHz ，可滿足 2000Hz 交流信號峰值采集需求。

2.5儀器性能指標(biāo)

儀器設(shè)計檢測阻抗范圍為 500Ω 至 3500Ω ，實測誤差率可達 ±0.5% 以內(nèi)，誤差率曲線圖如圖6所示。

儀器實物如圖7所示。

該儀器最多支持10通道的同步數(shù)據(jù)采集，集成了充電接口，同時配備低電壓報警系統(tǒng)，能夠在電源電壓不足時及時提醒用戶，確保數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和安全性。

3實驗方法及數(shù)據(jù)處理與分析

于1：25單體水工模型中進行實驗，模型為傾斜角度為 30^° 的泄水水槽，如圖8所示。

模型共設(shè)4個摻氣坎，分別為A1、A2、A3和A4。其中A1與A2水平間距 3.6m.A3 與A2水平間距4.4m，A4 與A3水平間距 5.2m 。在模型底部共預(yù)埋25只電極片傳感器，分別為C1至C25。本次實驗檢測C2至C11共10個通道的摻氣濃度值。

3.1 實驗方法

根據(jù)公式（1），計算摻氣濃度需分別測出靜水阻抗值與摻氣水流阻抗值。在靜水阻抗的測量中，由于電極片傳感器在工藝、材料及加工誤差等方面存在微小差異，會導(dǎo)致傳感器間存在一致性誤差。因此，在測量靜水阻抗時分別使用各個通道電極片傳感器測出的靜水阻抗;對于流動水的測量實驗，將電極傳感器置于亞克力模型的底部，記錄在不同水流速下（29.6、23.4、20和 16.4m/s ），記錄在不同條件下的水體阻抗變化。

如圖9所示，摻人氣體的原理是借助流動水過坎后形成的負(fù)壓，隨后通過通氣孔將氣體導(dǎo)入來完成摻氣過程，實驗是通過控制水流的流速來研究摻氣濃度的變化[8]。

3.2數(shù)據(jù)處理與分析

受環(huán)境變化和測量誤差等因素影響，傳感器測得的每個通道數(shù)據(jù)通常包含噪聲和波動。為從這些噪聲數(shù)據(jù)中提取具有代表性的特征，選擇了K-means聚類算法。通過將數(shù)據(jù)劃分為多個簇并計算質(zhì)心，K-means能夠有效減少波動和誤差，保留數(shù)據(jù)的主要趨勢。該算法具有較強的魯棒性，能夠抑制噪聲和波動。

K-means算法的目標(biāo)是最小化簇內(nèi)數(shù)據(jù)點到簇中心的距離，其優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如公式（2）所示

式中： k 為簇數(shù)； C_i 為第 i 個簇； x_j 為第 j 個數(shù)據(jù)點； μ_i 為第 i 個簇的質(zhì)心。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，圖10和圖11為不同流速下各個通道摻氣濃度變化趨勢圖。

圖中標(biāo)記星號的是過坎后臨近的檢測點，當(dāng)泄水流速提升到 20m/s 時，在通道2處摻氣濃度提升了4.1% ，并在到達通道4時保持濃度上升趨勢后開始下降。在過第二個摻氣坎后，由于重力的作用水流速度高于初始泄水速度，由于負(fù)壓增大，導(dǎo)致更多的氣體通過通氣孔壓人水中。過坎后摻氣濃度分別增加了14.56% 與 16.72% ，并在到達通道4時保持濃度上升趨勢后開始下降，同時由于重力的作用水流速度增快，摻入氣體開始加速散出。

在 26.9m/s 的流速條件下，通道2的摻氣濃度相比 23.4m/s 流速提升了 24.14% ，由于水流湍急，后續(xù)并沒有像圖10都保持上升趨勢而是氣體快速散去，但同樣由于重力加速度的作用，導(dǎo)致過第二個坎后吸入更多的氣體。通道7相比于通道6分別提升了 36.71% 與 126.85% ，后續(xù)通道由于水流湍急氣體加速散去。

流速越高過坎后吸入氣體的量更高，在流速較低的情況下由于氣液混合不太充分，摻氣濃度會短暫上升。但在重力加速度的影響下，導(dǎo)致流速變快后續(xù)通道的上升趨勢將不再保持，在水流湍急的條件下氣體加速散去。

4結(jié)束語

基于麥克斯韋電導(dǎo)率公式，設(shè)計了一種電阻式摻氣儀。儀器硬件設(shè)計由交流電橋傳感器驅(qū)動電路、信號調(diào)理電路、鑒相電路及微控制器AD轉(zhuǎn)換電路組成。通過選型高精度低溫漂的儀表放大器與運算放大器，儀表在量程范圍內(nèi)對阻抗的檢測誤差率在 0.5% 以下，達到摻氣儀的檢測要求。在1：25的水工模型中檢測不同泄水流速下的摻氣濃度值，并采用K-means聚類算法對實驗數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)果表明摻氣濃度隨流速的變化具有一定的非線性。隨著流速的增加，越過坎后吸入的氣體量會增多。然而，在較低流速下，由于氣液混合不夠充分，摻氣濃度會出現(xiàn)短暫的上升。隨后，在重力加速度的作用下，流速加快，后續(xù)通道中的上升趨勢不再持續(xù)。而當(dāng)水流變得湍急時并無上升趨勢，氣體會加速散逸導(dǎo)致?lián)綒鉂舛瘸氏陆第厔荨?/p>

參考文獻：

[1]韓沖.高水頭泄洪洞摻氣減蝕設(shè)施優(yōu)化研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2016.

[2]陳先樸，西汝澤，邵東超，等.摻氣減蝕保護作用的新概念[J]水利學(xué)報，2003（8）：70-74.

[3]李靜，周赤，姜伯樂.基于數(shù)字圖像處理的摻氣濃度測量研究[J].長江科學(xué)院院報，2011，28（11）：47-51.

[4]張海清.摻氣濃度測量儀的研制與應(yīng)用[J].長江科學(xué)院院報，1995（3）：67-73.

[5]MAXWELL JC.Conduction through Heterogeneous Media.[M]//ATreatise on Tieatise on Electricityand Magnetism，ChapterIX，Oxford，1873.

[6]罩奇賢，劉淑蘭.電極的極化和極化曲線（I）—電極的極化[J]電鍍與精飾，2008（6）：28-30.

[7]張華，周蕓，張妍.用MATLAB實現(xiàn)連續(xù)信號采樣和重建的教學(xué)實踐[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（27）：314.

[8]張濤，白文和，徐一民，等.通氣孔對摻氣坎空腔長度影響的試驗研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2010，8（5）：58-60，161.

[9]黃文成.結(jié)合膜計算與人工蜂群算法的K均值算法[J].現(xiàn)代計算機（專業(yè)版），2019（11）：39-44.