CN101093207A - 两相流分相含率阻抗传感器及其结构参数的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种两相流分相含率阻抗传感器，该传感器包括有激励电极和测量电极，该传感器的横截面包括有外层结构、中间层、内层的结构层，外层结构层为起屏蔽作用的金属屏蔽层，当内层结构强度不够时，能够调整厚度以起到对结构支撑、耐压的作用；中间层结构层为绝缘物质层，将激励电极和测量电极与金属屏蔽层相隔离；内层结构层为绝缘管层及附着其外壁上的激励电极和测量电极，激励电极和测量电极在绝缘管层的管壁上径向对称按180度角螺旋分布。同时还提供一种基于上述传感器结构的结构参数的优化方法。本发明的有益效果是针对两相流相含率实时测量，提供一种阻抗式电学传感器，基于其解析模型，可进行结构参数的快速优化。属于非侵入式快速测量，测量范围拓宽，造价低。

Description

两相流分相含率阻抗传感器及其结构参数的优化方法

技术领域

本发明涉及一种检测器件及其应用，特别是一种两相流分相含率阻抗传感器及其结构参数的优化方法。

背景技术

分相含率是两相流在线实时测量的一个重要参数，在工业生产和石油输送过程中具有重要意义。

相浓度的测量方法有多种，如电学法(如专利：JP2007033062-A，Impedance type practical electric void fraction meter for measuringwater flow trial，measures average void fraction of two phases of flowof water in instant，without being based on water quality，usingrod-shaped assembly)，声学法(GB2120791，Microwave gas-liquid voidfraction meter)、光学法(如专利：JP9257704，Void Meter)、射线法(JP57175247，Radiation void factor meter，US4282435，Mono-energeticneutron void meter；JP60021440-A，Measuring void ratio distributionof gas-liq.phase flow-has detector for e.g X rays radiated fromsource through two phase flow)及微波法(如专利：GB2 120791，Mi crowavegas-liquid void fract ion meter)等等。比较而言，电学方法具有非侵入式测量、响应快速、安全可靠、成本低、易于安装、牢固耐用等优点，因而适于工业上在线应用。当管道内流体组分发生变化时，相应的电学参数发生变化，通过配置于管道内壁或外壁的一组电极阵列，测量流体组分变化引起的电学信号的变化，根据测量极板间的电学测量值，计算得到管道内的相浓度。但是，两相流动过程十分复杂，传感器内固相分布不均匀，流型变化快；同时由于电学传感器传感器属于‘软场’，其灵敏度分布随分相分布变化，且其固有的灵敏度分布的不均匀性将导致测量结果不仅与分相浓度有关，而且受分相分布及流型变化的影响，直接影响测量精度。

目前，为工业应用设计的两相流分相含率传感器，多为单一模态的测量方式，根据获取测量参数性质的不同，可分为电容法和电导法。电容法适合不导电介质为连续相的测量，电导法是当导电介质为连续相时替代电容法的一种方法。

采用电导法的传感器，其电极一般与被测物质接触，当被研究对象中不导电物质成分较多时，测量电极与非导电物质接触，造成测量电极浮空，从而容易导致电阻/电导测量电路饱和，限制了其测量范围与精度。

采用电容法的传感器，其电极分布多为与传感器的纵轴平行分布，测量区域对应的敏感场均匀度差，且仅进行单一模态测量，多针对气固两相流，未涉及含较多导电物质流体的测量。

发明内容

本发明的目的是针对两相流在线实时测量中存在的问题，提供一种两相流分相含率阻抗传感器及其结构参数的优化方法，通过虚实部信息的同步提取，扩展分相含率测量范围；并基于该传感器的解析模型，给出相应的灵敏场分布表达式以及传感器结构参数优化方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种两相流分相含率阻抗传感器，该传感器包括有激励电极和测量电极，其中：该传感器的横截面包括有外层结构、中间层、内层的三层结构层，所述外层结构层为起屏蔽作用的金属屏蔽层，当内层结构强度不够时，能够调整厚度以起到对结构支撑、耐压的作用；所述中间层结构层为绝缘物质层，将激励电极和测量电极与金属屏蔽层相隔离；所述内层结构层为绝缘管层及附着其外壁上的激励电极和测量电极，在传感器纵轴方向上，激励电极比测量电极略长；所述激励电极和测量电极在绝缘管层的管壁上径向对称按180度角螺旋分布。

同时还提供一种基于上述传感器的结构参数的优化方法。

本发明的有益效果是针对两相流在线实时测量，克服了传统单一电学传感器量程比窄、精度低的缺点。相比于单一模态的电学式传感器，作为一种两相流相含率在线实时测量装置，具有如下优点：

1.综合了电导式和电容式两种模态的测量优势，使测量范围拓宽，属于非侵入式快速测量且造价低廉。

2.基于该传感器的解析模型，可给出二维传感器横截面上任一点灵敏度分布的表达式，并进行结构参数的的快速优化。

附图说明

图1为本发明的传感器结构的任一截面图；

图2为本发明的传感器电极的立体分布图；

图3为本发明的传感器测得的电容值和气固两相流层流固相浓度的测量值与拟和值图表；

图4为本发明的传感器测得的气固两相流层流固相浓度的测量值与拟和值的相对误差图表。

图中：

1、金属屏蔽层    2、绝缘物质层

3、绝缘管层      4、激励电极

5、测量电极

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明的两相流分相含率阻抗传感器及其结构参数优化方法加以说明。

如图1、2所示，在该两相流分相含率阻抗传感器的横截面，其结构由三层组成，外层结构层为金属屏蔽层1，起屏蔽作用，当内层结构强度不够时，可以调整厚度以起到结构支撑、耐压等作用，中间层结构层为绝缘物质层2，将激励电极4和测量电极5与金属屏蔽层1隔离，内层结构层为绝缘管层3及附着其外壁上的激励电极4和测量电极5，在轴向上，激励电极4比测量电极5略长时，可起轴向保护作用，有利于改善测量效果；所述绝缘物质层2厚度小于绝缘管层3外径的3％，且保证电极对(包括激励电极4和测量电极5与金属屏蔽层1之间电场强度要小于绝缘物质层2的击穿强度，所述激励电极4和测量电极5在管壁上径向对称按180度螺旋分布。

该两相流分相含率阻抗传感器采用交流电压激励，测量对象为测量电极对应管区域的电阻抗，包括电容和电导。所述电极可实现电阻抗实部和虚部的同步测量，并基于传感器模型给出敏感场，即传感器横截面的灵敏度公式以及传感器结构参数优化方法。

由于优化后的传感器敏感区域灵敏度分布具有良好的均匀度，因此，流经传感器的两相流(气固两相流或液液两相流或气液两相流)分相含率与测得的电容或电导值具有良好的线性关系，经标定后可以达到较高的测量精度。

如图3所示，以气固两相流测试结果为例，采用精密阻抗分析仪Agilent4294A测得的层流的固相含率和电容值具有良好的线性关系。标定后的相对测量误差小于0.8％，如图4所示。

基于本发明阻抗传感器结构参数的优化方法如下：

a.传感器横截面上，任意一点灵敏度计算

在传感器同一横截面上，相对于初始电极分布，逆时针旋转角度为β_E的激励电极，与逆时针旋转角度为β_M的测量电极共同作用下，横截面位置z点处的灵敏度S(z)的计算公式为：

$S\left(z\right)=\frac{\stackrel{\‾}{E_0{\left(z\right)}_{{\mathrm{\β}}_E}}\·\stackrel{\‾}{E_0{\left(z\right)}_{{\mathrm{\β}}_M}}}{V^2}$

式中：z＝x+yi为传感器横截面上二维坐标的复数表示，其中x，y分别为传感器横截面上二维坐标的横坐标和纵坐标；

为在相对于初始电极分布；β_M＝β_E+π；

为在相对于初始电极分布，逆时针旋转角度为β_M的激励电极与逆时针旋转角度为β_E的测量电极共同作用下，位置z＝x+yi处电场强度的共轭函数；V为激励电极上的电压；

和

的点乘运算为内积运算；

b.计算整个传感器内，灵敏度在二维横截面上的平均值

由于在整个传感器内，灵敏度在二维横截面上的平均值Sp(z)能够反映空间电极阵列的空间滤波能力，利用这种性质降低检测信号对位置的依赖，敏感区域z点处对应轴向方向上相含率的灵敏度公式为：

$S_p\left(z\right)={\∫}_0^{\mathrm{\π}}\frac{\stackrel{\‾}{E_0{\left(z\right)}_{{\mathrm{\β}}_E}}\·\stackrel{\‾}{E_0{\left(z\right)}_{{\mathrm{\β}}_M}}}{V^2}d{\mathrm{\β}}_E$

式中：z＝x+yi为传感器横截面上二维坐标的复数表示，其中x，y分别为传感器横截面上二维坐标的横坐标和纵坐标；

为在相对于初始电极分布，逆时针旋转角度为β_E的激励电极，与逆时针旋转角度为β_M的测量电极共同作用下，位置z＝x+yi处电场强度的共轭函数；

为在相对于初始电极分布，逆时针旋转角度为β_M的激励电极，与逆时针旋转角度为β_E的测量电极共同作用下，位置z＝x+yi处电场强度的共轭函数；V为激励电极上的电压；

和 的点乘运算为内积运算；

c.计算描述灵敏场分布的均匀度参数U_s

优化时对结构参数进行归一化处理，令R＝1，则r＝r/R

根据下式

$U_s=\frac{\mathrm{Max}{\left(S_p\left(z\right)\right)}_{\left|z\right|=r}-\mathrm{Min}{\left(S_p\left(z\right)\right)}_{\left|z\right|=r}}{S_p\left(0\right)}$

式中：r为取绝缘管层(3)内径，z＝x+yi为传感器横截面上二维坐标的复数表示；Max(S_p(z))_|z|＝r为管道内壁处灵敏度最大值，Min(S_p(z))_|z|＝r为管道内壁处灵敏度最小值，S_p(0)为管道中心处灵敏度；

d.通过数值寻优，计算得到优化的结构参数

在绝缘管层3的复阻抗率v₁，传感器敏感场区域为一种均匀物质时的复阻抗率v₁，绝缘管层3的内径与外径的比值r，测量电极5和激励电极4的张角参数部分已知的情况下，对均匀度参数U_s进行数值寻优，可计算得未知参数的的优化值。

上述结构参数优化方法中计算的理论基础为

(1)拉普拉斯方程(Laplace equation)

·(v(z)(z))＝0

其中，v(z)代表复数z＝x+yi所代表的位置对应的电导率(conductivity)或电容率(permittivity)。

且可以统一表示为复阻抗率

v(z)＝σ(z)+jωε(z)

其中，ω＝2πf，f为激励频率。

(2)传感器数学模型

设激励电极4的电压为V，测量电极5与地保持同电位，金属屏蔽层1接地；传感器中电势函数(z)满足Laplace方程：

Δ(z)＝0

设传感器传感器敏感场横截面中满足的复势函数为

f₀(z)＝₀(z)+iψ₀(z)

其中：x，y分别为传感器横截面上二维坐标的横坐标和纵坐标；z＝x+yi为传感器横截面上二维坐标的复数表示，实部₀(z)表示电势函数，虚部ψ₀(z)表示电力线函数；

传感器管壁横截面中满足的复势函数为：

f₁(z)＝₁(z)+iψ₁(z)

其中：实部₁(z)表示电势函数，虚部ψ₁(z)表示电力线函数。

根据连续性边界条件

₀(z)＝₁(z)

v₀₀(z)＝v₁₁(z)

优化时对结构参数进行归一化处理，令R＝1，则r＝r/R。可以求解得到解析函数f₀(z)的表达式为：

$f_0\left(z\right)=-i\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{4{\mathrm{\ϵ}}_{1}V\sin \mathrm{n\α}}{{\mathrm{n\πr}}^{2n}(v_1-v_0)-\mathrm{n\π}(v_1+v_0)}{z}^n$

式中，z＝x+yi为传感器横截面上二维坐标的复数表示，x，y分别为传感器横截面上二维坐标的横坐标和纵坐标；r为绝缘管层3的内径与外径的比值；v₀和v₁分别为传感器敏感场区域为一种均匀物质时的复阻抗率和绝缘管层3的复阻抗率，V为激励电极4的电压，α为电极张角的1/2。

根据电场强度的共轭函数的计算公式

可以计算得到

$\stackrel{\‾}{E_0\left(z\right)}=i\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{4{\mathrm{\ϵ}}_{1}V\sin \mathrm{n\α}}{{\mathrm{\πr}}^{2n}(v_1-v_0)-\mathrm{\π}(v_1+v_0)}{z}^{n-1}$

$=\frac{{2v}_{1}V}{\mathrm{\π}(v_1+v_0)}[\frac{1}{z-e^{-\mathrm{i\α}}}-\frac{1}{z-e^{\mathrm{i\α}}}]+i\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{4v}_1{\mathrm{Vr}}^{2n}\sin \mathrm{n\α}}{\mathrm{\π}(v_1-v_0)(r^{2n}-\frac{v_1+v_0}{v_1-v_0})}{z}^{n-1}$

式中，z＝x+yi为传感器横截面上二维坐标的复数表示，x，y分别为传感器横截面上二维坐标的横坐标和纵坐标；r为绝缘管层3的内径与外径的比值；v₀和v₁分别为传感器敏感场区域为一种均匀物质时的复阻抗率和绝缘管层3的复阻抗率；V为激励电极4的电压；α为电极张角的1/2。

电极绕初始角度逆时针旋转β后，电场强度的分布为：

${\stackrel{\‾}{E_0\left(z\right)}}_{\mathrm{\β}}={\stackrel{\‾}{E_0\left({\mathrm{ze}}^{-\mathrm{i\β}}\right)e}}^{-\mathrm{i\β}}$

$=\frac{{2v}_{1}V}{\mathrm{\π}(v_1+v_0)}[\frac{1}{z-e^{i(\mathrm{\β}-\mathrm{\α})}}-\frac{1}{z-e^{i(\mathrm{\β}+\mathrm{\α})}}]+i\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{4v}_1{\mathrm{Ve}}^{-\mathrm{i\β}}{r}^{2n}\sin \mathrm{n\α}}{\mathrm{\π}(v_1-v_0)(r^{2n}-\frac{v_1+v_0}{v_1-v_0})}{\left({\mathrm{ze}}^{-\mathrm{i\β}}\right)}^{n-1}$

式中，z＝x+yi为传感器横截面上二维坐标的复数表示；r为绝缘管层3的内径与外径的比值；v₀和v₁分别为传感器敏感场区域为一种均匀物质时的复阻抗率和绝缘管层3的复阻抗率；V为激励电极4的电压；α为电极张角的1/2。

以上对本发明及其实施例的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。

Claims (3)

1、一种两相流分相含率阻抗传感器，该传感器包括有激励电极和测量电极，其特征是：该传感器的横截面包括有外层结构、中间层、内层的三层结构层，所述外层结构层为起屏蔽作用的金属屏蔽层(1)，当内层结构强度不够时，能够调整厚度以起到对结构支撑、耐压的作用；所述中间层结构层为绝缘物质层(2)，将激励电极(4)和测量电极(5)与金属屏蔽层(1)相隔离；所述内层结构层为绝缘管层(3)及附着其外壁上的激励电极(4)和测量电极(5)，在所述传感器纵向轴方向上，激励电极(4)比测量电极(5)略长；所述激励电极(4)和测量电极(5)在绝缘管层(3)的管壁上径向对称按180度角螺旋分布。

2、根据权利要求1所述的传感器，其特征是：所述绝缘物质层(2)厚度小于绝缘管层(3)外径的3％，且使激励电极(4)与金属屏蔽层(1)之间电场强度要小于绝缘物质层(2)的击穿强度。

3、一种基于上述传感器的结构参数的优化方法，该方法包括以下步骤：

a.传感器横截面上，任意一点灵敏度计算

在传感器同一横截面上，相对于初始电极分布，逆时针旋转角度为(β_E)的激励电极，与逆时针旋转角度为(β_M)的测量电极共同作用下，横截面位置(Z)点处的灵敏度(S(z))的计算公式为：

$S\left(z\right)=\frac{\stackrel{\‾}{E_0{\left(z\right)}_{{\mathrm{\β}}_E}}\·\stackrel{\‾}{E_{\mathrm{\θ}}{\left(z\right)}_{{\mathrm{\β}}_M}}}{V^2}$

式中：z＝x+yi为传感器横截面上二维坐标的复数表示，其中x，y分别为传感器横截面上二维坐标的横坐标和纵坐标；

为在相对于初始电极分布；

β_M＝β_E+π；

为在相对于初始电极分布，逆时针旋转角度为β_M的激励电极与逆时针旋转角度为β_E的测量电极共同作用下，位置z＝x+yi处电场强度的共轭函数；

V为激励电极上的电压；

和

的点乘运算为内积运算；

b.计算整个传感器内，灵敏度在二维横截面上的平均值

由于在整个传感器内，灵敏度在二维横截面上的平均值S_p(z)能够反映空间电极阵列的空间滤波能力，利用这种性质降低检测信号对位置的依赖，敏感区域z点处对应轴向方向上相含率的灵敏度公式为：

$S_p\left(z\right)={\∫}_0^{\mathrm{\π}}\frac{\stackrel{\‾}{E_0{\left(z\right)}_{{\mathrm{\β}}_E}}\·\stackrel{\‾}{E_0{\left(z\right)}_{{\mathrm{\β}}_M}}}{V^2}d{\mathrm{\β}}_E$

式中：z＝x+yi为传感器横截面上二维坐标的复数表示，其中x，y分别为传感器横截面上二维坐标的横坐标和纵坐标；

为在相对于初始电极分布，逆时针旋转角度为β_E的激励电极，与逆时针旋转角度为β_M的测量电极共同作用下，位置z＝x+yi处电场强度的共轭函数；

为在相对于初始电极分布，逆时针旋转角度为β_M的激励电极，与逆时针旋转角度为β_E的测量电极共同作用下，位置z＝x+yi处电场强度的共轭函数；

V为激励电极上的电压；

和

的点乘运算为内积运算；

c.计算描述灵敏场分布的均匀度参数U_s优化时对结构参数进行归一化处理，令R＝1，则r＝r/R根据下式

$U_s=\frac{\mathrm{Max}{\left(S_p\left(z\right)\right)}_{\left|z\right|=r}-\mathrm{Min}{\left(S_p\left(z\right)\right)}_{\left|z\right|=r}}{S_p\left(0\right)}$

式中：r为取绝缘管层(3)内径，z＝x+yi为传感器横截面上二维坐标的复数表示；

Max(S_p(z))_|z|＝r为管道内壁处灵敏度最大值，Min(S_p(z))_|z|＝r为管道内壁处灵敏度最小值；

S_p(O)为管道中心处灵敏度；

d.通过数值寻优，计算得到优化的结构参数

在绝缘管层(3)的复阻抗率(v₁)，传感器敏感场区域为一种均匀物质时的复阻抗率(v₀)，绝缘管层(3)的内径与外径的比值r，测量电极(5)和激励电极(4)的张角参数部分已知的情况下，对均匀度参数(U_s)进行数值寻优，可计算得未知参数的的优化值。

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