基于分段涂层TDR探针的含水合物多孔介质电学参数测量仿真研究

针对海洋沉积物中天然气水合物饱和度评价需求，提出了基于分段涂层TDR探针的沉积物介电常数和电导率同步测量新方法。针对无涂层探针、全涂层探针以及分段涂层探针分别建立了模拟TDR测量响应的有限元数值模型，仿真研究了涂层参数对介电常数和电导率测量性能的影响规律，继而应用于含水合物多孔介质的测量并对误差进行了分析与校正。研究结果表明：探针涂层的厚度和介电常数直接影响采集电压信号的衰减程度，因此需根据被测介质的电学性质对其进行优化设计；在涂层厚度和介电常数已确定的条件下，通过改变涂层间隙长度可以调节探针所适用的电导率测量范围；当测量非均匀介质时，可以通过增加涂层间隙的个数来提高电导率测量的准确度；采用分段涂层探针测量含水合物多孔介质的介电常数和电导率时，需要对涂层引起的误差进行校正。     

未知介电常数对象的ECT图像重建方法

电容层析成像技术(ECT)是近年来发展较快、较成熟的一种过程层析成像技术,电容层析成像系统敏感场分布受介质介电常数分布的影响,即敏感场具有“软场”特性,通常以已知介质介电常数的灵敏度分布作为先验知识图像重建。根据对不同介电常数被测对象的检测灵敏度分析,采用一次仿真校验法对管内测量对象分别充满高、低介电常数介质进行仿真校验,并结合滤波反投影算法实现对未知介电常数的测量对象的图像重建。     

基于边缘效应的圆环式电容传感器电场仿真分析

介绍了圆环式电容传感器的工作原理,即电容边缘效应,通过Hybrid-Trefftz算法建立了有限元模型,利用有限元软件ANSYS对不同传感器模型进行了电场分析与仿真计算,得出了最优结构组合,并以最优结构组合为例,给出了介电常数与电场强度的关系。仿真结果表明:圆环式电容传感器设计中,影响传感器测量性能的最直接和最重要的2个参数是两极板间距和极板长度;被测介质的介电常数越小,电场强度就越大。该仿真对后续产品的设计具有很好的理论指导作用。     

介电常数未知条件下ECT图像重建的SVC算法

在电容层析成像(ECT)系统的实际应用中,两相流和多相流是最普遍的流体情况.不仅是由于被测介质的介电常数会随着温度等环境的变化而变化,而且还由于被测场域中存在其他介质,会使得测量时出现介质未知的情况.利用支持向量机(SVM)算法具有良好泛化性的特点,提出采用基于SVC(support vector classification)的电容层析成像图像重建算法对未知介电常数对象进行图像重建.仿真结果表明,该算法能有效适应介质多样性变化,即对于不同介质,该算法都能有较高的图像重建精度.     

原油含水率测量多因素影响的数值模拟与实验研究

基于介电常数法测量原油含水率,往往受油水两相流态、温度、矿化度、非线性特性等多因素的影响.因此,设计一套基于多传感器的油水两相流实验室模拟系统,利用理论计算结合数值模拟的方法,研究含水率、温度、矿化度、油水介电常数、含水测最传感器输出之间的数学关系及影响规律,对提高测量含水率的精度提供了有力的理论和实验依据.     

基于含水合物多孔介质复电导率的渗透率测试有限元仿真研究

渗透率是影响天然气水合物储层产气效率的关键参数，野外尚缺少实时监测水合物储层渗透率动态变化的技术，实验室内测试渗透率的方法存在成本高、周期长、可靠性低等问题。研究了一种基于复电导率的含水合物沉积物渗透率测试新方法。首先，针对含水合物多孔介质建立了能够计算其渗透率和复电导率的有限元数值模型，然后开展了不同水合物饱和度条件下的仿真实验，获取了0~40%水合物饱和度时多孔介质的流场和电场响应参数，分别探讨了孔隙中水合物及其饱和度变化对复电导率虚部和渗透率的影响规律和机理，最后建立并验证了基于复电导率虚部的含水合物多孔介质渗透率评价模型，为深入研究基于激发极化原理的含水合物沉积层渗透率测试新技术提供了理论和模型基础。     

海底渗漏气泡流量测量过程的模糊控制

为了使海底天然气渗漏气泡流量测量过程具有稳定性和较高的测量精度,需要对气泡-水两相流介质的声场强度进行控制。根据测量装置的静态和动态特性以及声波线性传播方程,建立了声场强度的控制模型,针对被控环节的输入输出关系设计了模糊控制器。之后在MATLAB Simulink里面建立仿真模型,并进行了仿真实验。仿真结果表明,经过模糊控制器的调节,介质的声场强度可以跟踪被测介质中的气泡状态变化,其输出值的波动小于5%。该模糊控制器可用于海底渗漏气泡流量测量仪器的控制电路,从而实现了声波声场强度的控制。     

介质温度变化对超声波热量表流量测量准确度的影响

超声波热量表的流量测量单元采用时差法测量原理,在介质温度基本不变的情况下,可以通过将时间差值与实际流量标定系数相乘的方法来计算相对应的流量值。然而当被测介质的温度发生变化时,介质中的声速随之发生变化,流量测量单元所得到的时间差值也会发生变化,理所当然,流量测量单位的体积流量测量值与实际流量值之间也会产生偏差,随着介质温度变化加剧,测量偏差也会加大,直接影响流量测量准确度。     

异相介质对阵列电容传感器响应特性影响的仿真分析

阵列电容传感器为电容层析成像系统的关键组成部分，采用有限元仿真分析手段，模拟实现了阵列电容传感器的测量过程，对监测对象为油／气两相流时位于传感器中的水等高介电常数介质对传感器响应特性的影响进行了分析，并给出仿真结果。     

基于电-声复合传感器测量含水合物液膜厚度仿真研究

针对天然气输送管道内含水合物液膜的厚度测量问题,基于电-声联合探测方法原理设计了集成同轴圆盘-双环电极和超声晶片的内嵌凹面式电-声复合传感器,建立了数值仿真模型对传感器的结构和工作参数进行了优化,并分别对含有离散分布水合物颗粒和水合物沉积层液膜的厚度进行了仿真测量,讨论了电阻法和超声渡越时间法的适用性;研究结果表明:同轴圆盘-双环电极中的圆盘电极的半径、圆盘电极/内环电极的间距是影响电学测试空间灵敏度的主要结构参数,超声波频率对声学测试空间灵敏度产生显著影响,因此需要对凹面式电-声复合传感器的参数进行优化设计;电阻法和超声渡越时间法分别适用于测量水合物以离散颗粒形态分布和以沉积层形态分布的液膜,两类方法优势互补显著,拓宽了电-声复合传感器的适用范围。     

Calibration of a TDR probe for low soil water content measurements

Time domain reflectometry (TDR) probes are increasingly used for field and laboratory estimation of soil water content. Usual calibration of TDR probes for the determination of soil water content uses two media: air for low and water for high values of dielectric permittivity, although the measured range of dielectric permittivity in soil is much smaller as compared to the range implied by the calibration media. The use of air for calibration of short TDR probes gives calibration errors due to overlapping incident and reflected pulses in the reflectogram, which result in their relative shift in time. This phenomenon, named the convolution effect, can be avoided by the application of selected calibration media. The presented approach minimizes of dielectric permittivity measurement errors by choosing the calibration media with dielectric permittivity values close to the limits of the measurement range and the possibility to use TDR probes of various lengths. The comparison of errors of TDR apparent dielectric permittivity measurement in three sandy soils, based on the probe calibrations in various media, is also presented.     

沙尘衰减对微波通信的影响

通过分析沙尘尺寸分布,在计算干沙和纯水的复介电常数的基础上,利用粒子散射理论给出了微波传输中的沙尘衰减的计算模型,该模型分析了爆炸沙尘、车扬沙尘和自然沙尘三种不同的沙尘的衰减。通过数值计算的结果,仿真了不同含水量下沙尘衰减率随微波频率的变化,最后给出了相关结论。     

基于CT的含水合物沉积物电阻率测量系统设计与开发

为满足从微观尺度研究沉积物孔隙中水合物分布对电阻率响应特性影响的需求,设计开发了基于CT的含水合物沉积物电阻率测量系统,包括天然气水合物实验模拟部分、电阻率测量部分和CT扫描部分,实现了水合物原位生成过程中电阻率和CT扫描图像的同时监测。通过开展甲烷水合物生成实验,验证了系统的可用性。实验结果表明：（1）电阻率随通过CT图像计算的水合物饱和度呈指数规律上升;（2）水合物饱和度为17.13%~30.72%时,阿尔奇公式中饱和度指数在1.57至2.48之间。所开发的测量系统为进一步开展不同环境条件下水合物生成分解实验提供了技术保障,为研究水合物微观分布对电阻率的影响以及优化水合物饱和度计算模型提供了数据支撑。     

基于宽频电阻抗特性与阿尔奇公式的含水合物饱和度计算模型

以自主设计开发的水合物电学参数测量装置为基础，在频率范围5Hz~400kHz内测试了不同饱和度条件下的含四氢呋喃水合物海沙体系的宽频阻抗。分析了水合物生成分解过程中模拟沉积物的宽频阻抗特性，讨论了不同含水合物饱和度条件下的阻抗幅值频散特性及其与饱和度之间的定量关系，建立了基于宽频阻抗幅值和阿尔奇公式的含水合物饱和度计算模型。研究结果表明:（1）含水合物天然海沙体系的阻抗幅值呈现出频散特性，频散特性受到孔隙壁与孔隙流体之间界面极化效应的影响，阻抗幅值频散度与含水合物饱和度之间呈现近似线性关系；（2）在测试频率200~200kHz时，阿尔奇公式中的胶接指数较为稳定，饱和度指数与测试频率的对数之间呈现出近似线性的关系，测试频率应作为含水合物饱和度计算模型的参数。本研究为沉积物中含水合物饱和度的评价提供了新方法，通过测量宽频阻抗幅值并应用所提出的模型，综合多个频率的模型计算结果有望得到更加准确可靠的饱和度评价值。     

毫米波在沙尘环境中损耗预测

为提高在沙尘环境中毫米波传播预测的准确性,在抛物模型的基础上对传播损耗进行仿真.文中分析了沙尘的相对介电常数,根据能见度和maxwell公式计算其占空比,可以求得沙尘的等效介电常数,相比较传统经验模型,可以更准确地描述沙尘对毫米波传播产生的作用.将其应用于沙尘电波传播环境预测中,仿真结果显示,该模型能够反映沙尘对毫米波...     

Dielectric Properties of Saline Soil and an Improved Dielectric Model

The measurement and analysis of the dielectric constant of soil samples with different moisture and salinity are achieved based control experiment. The saturation is introduced to the dielectric model of salinity soil to improve simulation accuracy by taking the Stogryn model and the influence of soil solution ion concentration, conductivity, moisture content, and salt content for dielectric constant imaginary part into consideration. The results indicate that the soil salt content has little influence on both real part and imaginary part of dielectric constant when soil volumetric moisture content is low, while soil volumetric moisture content is high, the real part of the dielectric constant decreases with the increase of soil salt content, and the imaginary part of the dielectric constant increases. The improved dielectric model of salinity soil can well reveal the changes of dielectric constant, and it is also having a great effect in Baiyin soil samples. That is to say, the improved dielectric model can apply to different soil types.     

盐渍土介电特性及模型改进研究

基于控制试验对配制的具有不同含水量和含盐量的土壤样本进行介电特征量测和分析,同时结合Stogryn盐水介电模型和土壤溶液离子浓度、电导率、含水量和含盐量等参数对介电常数虚部的影响,将饱和度这个关键参量引入盐渍土介电模型中,提高盐渍土介电模型模拟精度。结果表明：①当土壤体积含水量较低时,土壤含盐量对介电常数的实部和虚部均未产生明显的作用。当土壤体积含水量较高时,介电常数实部则随着土壤含盐量的增加呈逐渐下降趋势,介电常数虚部以增加态势为主;②修正后的盐渍土介电模型可以较好地刻画介电常数变化特征。此外,将修正后的模型在白银采样点进行验证,同样取得较好的模拟结果,表明修正后的盐渍土介电模型对不同土壤类型具有一定的适用性。     

Comparative Analysis of Soil Water and Salt Dielectric Model

The soil dielectric constant，the basis of the microwave remote sensing inversion of soil water and salt，is one of the main parameters of microwave remote sensing research.It is very important to select the high precision soil water and salt dielectric model to improve the precision of soil water and salt inversion.However，the existing soil water and salt model still can’t quantitatively describe the effect of salt factor on soil permittivity.This paper simulates the complex permittivity of different texture，water content and salinity wet soil by Dobson model，Dobson\|S model，GRMDM model，HQR model and WYR model at L，Cand X bands when soil temperature equal 25 ℃.Comparison and analysis the simulation values with measured values by microwave vector network analyzer.The results show：(1)Dobson model and GRMDM model can accurately simulate the real part of dielectric constant of non\|saline soil，while the stimulated values of imaginary part is less than the measured values;(2)Dobson\|S model can well simulate the real part of the dielectric constant of saline soil，at L，C\nd Xbands the correlation coefficient R equal 0.97，the RMSE is less than 2.10.But for the imaginary part of the dielectric constant of saline soil，the Dobson\|S model，HQR model and WYR model with different simulation accuracy，when soil water content different.This study would benefit the choice of a suitable soil dielectric model for soil moisture and salinity retrieval.