CN103776876A - 一种分布式电导传感器的结构参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对一种分布式电导传感器，给出了结构参数优化方法：采用有限元分析方法，建立四扇区分布式电导传感器模型；定义四扇区分布式电导传感器的优化指标，在优化模型中放入一个半径1mm的小球，模拟气泡/油滴运动；固定电极高度H为2mm，电极张角θ依次从30°遍历到85°，电极间距D依次从3mm遍历到6mm，分别计算所述传感器的扇区灵敏度权重ε，改变电极高度H后重复遍历电极张角和电极间距，计算得到感器的扇区灵敏度权重ε，选取最佳电极高度，电极张角，电极间距。本发明针对所构建的四扇区分布式电导传感器模型，给出传感器结构参数的取值范围及传感器的最佳几何结构。

Description

一种分布式电导传感器的结构参数优化方法

技术领域

本发明涉及一种两相流检测传感器，特别是一种电导传感器。

背景技术

两相流现象广泛存在于石油工程、化学工程、冶金工程、核工程、航空与航天工程等传统工业和新兴工业领域中。两相流是气、液、固三相中任意两相不相容物质的混合流动体系。由于两相流中各成份之间存在着密度、粘度等物理性质上的差异，在流量、压力、重力及管路形状等诸多因素的影响下，导致两相流参数测量十分困难。分相截面含率(相含率)是两相流工业应用系统中一个重要的参数，它的精确测量对于生产过程的计量、控制和运行可靠性都具有重要的意义。

两相流相含率测量技术主要包括超声法，光学法，射线法，应用阻抗技术的电容和电导法等。由于电导传感器具有原理清晰、结构简单、响应稳定等诸多优点，已广泛地应用于多相流参数测量中，在传感器研发早期，多采用平板电极测量液膜厚度，为了避免传感器对流型的扰动，嵌入垂直上升管道内壁的环形电极传感器应运而生，例如环形电导传感器、带保护电极和温度补偿的对壁式环状电导传感器、环形和半环形电导传感器、六电极阵列电导传感器和八电极阵列电导传感器等。

目前，测量垂直上升管道截面整体平均信息的对壁环形电导传感器和测量空间整体信息的阵列式电导传感器已不能够满足测量局部流动结构精确测取相含率的需求。已有的测量局部信息的电导探针传感器，由于其电极较小，只能测量一个点的流体信息（如局部速度和浓度），输出信号只有高低电平之分，包含的流动信息量少。单电容弦丝传感器检测范围局限在测量电极附近极其微小的范围之内，且插入式结构会对流场产生扰动，在非均匀、复杂流体的测量上具有局限性。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够在不扰动流场的前提下，尽可能多地捕捉垂直垂直上升管道内流过的非均匀、复杂两相流的局部流动信息而非仅仅是点或者线上的流体局部信息的分布式电导传感器。本发明提供的传感器，可从局部流动信息研究两相流的相间相互作用以及流型的形成、演化机制，并且此传感器测量的数据能通过数据融合，在相含率测量方面有较好的效果。为实现上述目标，本发明的技术方案如下：

一种分布式电导传感器的结构参数优化方法，所针对的四扇区分布式电导传感器包括一段由绝缘体制成的垂直上升管道和固定在垂直上升管道上的四对电极，每对电极均包括一个固定在垂直上升管道较上部位的激励电极E和一个固定在垂直上升管道较下部位的测量电极M，四对电极中的每个电极包括一段弧形环，且每个电极的曲率与垂直上升管道的曲率一致，使得电极可平滑嵌入垂直上升管道的内壁面，四个激励电极E位于垂直上升管道内的同一高度上，且彼此之间均匀间隔分布，呈非连续圆环状，四个测量电极M位于垂直上升管道内、低于四个激励电极E所在高度的同一高度上，且彼此之间也均匀间隔分布，呈非连续圆环状，其中每对电极上下平行设置；每个电极还包括一段连接在所述弧形环上的柱形导体，伸出于垂直上升管道之外，用于信号的输入与输出；每个电极在垂直上升管道内的灵敏度区域为一个扇形；所述的结构参数优化方法，包括如下步骤：

第一步，设计四扇区分布式电导传感器的优化模型：采用有限元分析方法，建立四扇区分布式电导传感器模型，建模时，设定管道内径0.02m，电极厚度0.002m，管道长度0.2m，电极高度H，电极张角θ，激励电极E与测量电极M间距D，水相电阻率δ_w＝1000Ω·m，电极电阻率σ_s＝1.7241e-8Ω·m，采用自由剖分方式进行网格划分，施加载荷时采用恒流激励，在激励电极E上均施加0.1mA电流，测量电极M上均施加电流-0.1mA，将测量电极电压值设置为0V；

第二步，定义四扇区分布式电导传感器的优化指标：为使得四对电极在各自的区域内有相对高的灵敏度，同时四对电极之间电场干扰最小，利用ANSYS建模时，在所述优化模型中放入一个半径1mm的小球，模拟气泡/油滴运动，小球处于不同位置时，激励电极的电压也跟随变化，通过激励电极变化的电压反映所述传感器的灵敏度，由于四对电极在几何结构上具有对称性，同时给四对电极施加电流信号后，仅仿真考察其中一对电极的输出电压对小球的响应，即研究一对电极的灵敏度，小球每变换一个坐标，可计算得到在该坐标的灵敏度值，将小球的坐标遍历管道截面所有位置，得到该对电极的灵敏度分布图：

第三步，固定电极高度H为2mm，电极张角θ依次从30°遍历到85°，每次增加5°，电极间距D依次从3mm遍历到6mm，每次增加1mm，分别计算所述传感器的扇区灵敏度权重ε，改变电极高度H为3mm，4mm后重复遍历电极张角和电极间距，计算得到所述传感器的扇区灵敏度权重ε，综合根据扇区灵敏度权重ε和扇区灵敏度平均值这两个指标来选择传感器结构参数，选取最佳电极高度，电极张角，电极间距。

其中，第二步的具体方法可以是：

定义S(i)为气泡/油滴在第i个位置时电导传感器的灵敏度，表达式为：其中，ΔU(i)是在第i个位置处放入球状气泡/油滴前后激励电极的电压变化值，[ΔU(i)]_max是遍历所有测试位置i后电压变化值的最大值，平均灵敏度S_avg为各坐标灵敏度的平均值，定义为：

其中M为管道径向截面整个测量区域内总的测试位置个数，管道径向各截面各个坐标灵敏度值之和记为总灵敏度S_tot，定义为：

将管道径向截面均匀划分为四个扇区，电极对应的扇区各个坐标灵敏度值之和记为扇区灵敏度S_qr，定义为：其中j表示进入扇区测量区域的测试小球位置编号，M_qr为扇区测量区域内总的测试位置个数，扇区灵敏度权重ε为扇区灵敏度与总区域灵敏度之和的比值，表达式为：

扇区灵敏度权重ε越大，电极所占区域的灵敏度相对越大，此时电极相对越灵敏，扇区灵敏度权重ε最大的结构参数组合为电极优化的最佳参数。

本发明的有益效果在于：针对所构建的四扇区分布式电导传感器模型，给出传感器结构参数的取值范围及传感器的最佳几何结构；设计出的四扇区分布式电导传感器可测取非均匀、复杂流体的局部流动信息，为揭示局部流动结构和研究两相流流型演化动力学机制提供重要信息源。

附图说明

图1为本发明的四扇区分布式电导传感器结构图，（a）为立体图，（b）为有电极的截面的截面图，（c）为正视图；

图2为本发明的四扇区分布式电导传感器有限元剖分结构图；

图3为本发明的四扇区分布式电导传感器总灵敏度和扇区灵敏度计算示意图；

图4为本发明的四扇区分布式电导传感器测量系统示意图；

图5为本发明的四扇区分布式电导传感器垂直气液两相流相含率测量版图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例首先介绍本发明的研究对象--四扇区分布式电导传感器的结构，再对及其结构参数优化方法加以说明。

如图1所示，四扇区分布式电导传感器，包括垂直上升管道管道和安装在垂直上升管道管道上的四对电极E_A、M_A，E_B、M_B，E_C、M_C和E_D、M_D，每对电极均包括一个安装在垂直上升管道管道上端的激励电极E（E_A、E_B、E_C或E_D）和一个安装在垂直上升管道管道下端的测量电极M（M_A、M_B、M_C或M_D），四对电极中的每个电极包括一段弧形环，对应的圆心角为θ，且每个电极的曲率与垂直上升管道管道的曲率一致，使得电极可平滑嵌入垂直上升管道管道的内壁面，四个激励电极E位于垂直上升管道管道内的同一高度上，且彼此之间均匀间隔分布，呈非连续圆环状，四个测量电极M位于垂直上升管道管道内、低于四个激励电极E所在高度的同一高度上，且彼此之间也均匀间隔分布，呈非连续圆环状，其中每对电极上下平行设置；

每个电极还包括一段连接在所述弧形环上的柱形导体，用于信号的输入与输出，其长度可根据垂直上升管道的厚度来确定，伸出垂直上升管道外可连接导线即可；每个电极在垂直上升管道内的灵敏度区域为一个扇形，每个电极呈T型，由钛合金制成。

垂直上升管道管道由有机玻璃制成，电极由环氧树脂AB胶粘合，嵌入垂直上升管道内壁面，电极表面与垂直上升管道内壁面平齐，其中每个电极的厚度为0.002m，每个电极的弧形环对应的圆心角为电极张角，取值范围为[30°，85°]，每个电极的弧形环的高度为电极高度，取值范围为[2mm，4mm]，每对电极中的激励电极E与测量电极M之间的间距为电极间距，取值范围为[3mm，6mm]。

对四扇区分布式电导传感器进行优化时，首先构建四扇区电导传感器优化设计模型。

本发明采用有限元方法，利用仿真软件ANSYS建立四扇区电导传感器模型，如图2所示。建模时，设定垂直上升管道内径D＝0.02m，电极厚度T＝0.002m，垂直上升管道长度L＝0.2m，电极高度H，电极张角θ，激励电极与测量电极间距D，水相电阻率δ_w＝1000Ω·m，电极电阻率σ_s＝1.7241e-8Ω·m。采用自由剖分方式进行网格划分，施加载荷时采用恒流激励，在激励电极E_A、E_B、E_C、E_D上施加0.1mA电流，测量电极M_A、M_B、M_C、M_D上施加电流-0.1mA，将测量电极电压值设置为0V。

四扇区电导传感器的优化目标为：四对电极在各自的区域内有相对高的灵敏度，同时四对电极之间电场扰动最小。电极的几何参数对传感器电场强度分布有重要影响，为达到传感器的优化目标，在利用ANSYS建模时，在模型中放入一个半径1mm的小球，模拟气泡/油滴运动。小球处于不同位置时，激励电极的电压也跟随变化，因此可通过激励电极变化的电压反映电导传感器的灵敏度。由于四对电极在几何结构上具有对称性，因此同时给四对电极施加电流信号后，只通过仿真考察其中一对电极的输出电压对小球的响应，即只研究一对电极的灵敏度。小球每变换一个坐标，可计算得到在该坐标的灵敏度值。将小球的坐标遍历垂直上升管道截面所有位置，得到该对电极的灵敏度分布图。

定义S(i)为气泡/油滴在第i个位置时电导传感器的灵敏度，表达式为：

$S\left(i\right)=\frac{\mathrm{\ΔU}\left(i\right)}{{\left[\mathrm{\ΔU}\left(i\right)\right]}_{\max }}\×100\%,i=\mathrm{1,2},...,M$

其中，ΔU(i)是在第i个位置处放入球状气泡/油滴前后激励电极的电压变化值，[ΔU(i)]_max是遍历所有测试位置后电压变化值的最大值。

平均灵敏度S_avg为各坐标灵敏度的平均值，定义为：

$S_{\mathrm{avg}}=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}S\left(i\right)$

垂直上升管道径向各截面各个坐标灵敏度值之和记为总灵敏度S_tot，如图3中斜线标记区域，定义为：

$S_{\mathrm{tot}}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}S\left(i\right)$

我们将垂直上升管道径向截面均匀划分为四个扇区，如图3中黑色填充区域，即扇区测量区域，将电极所在的扇区各个坐标灵敏度值之和记为扇区灵敏度S_qr，定义为：

$S_{\mathrm{qr}}=\underset{j=1}{\overset{M_{\mathrm{qr}}}{\mathrm{\Σ}}}S\left(j\right)$

其中j表示进入黑色填充区域（即扇区测量区域）的测试小球位置编号，M_qr为黑色填充区域内总的测试位置个数。

扇区灵敏度权重ε为扇区灵敏度与总区域灵敏度之和的比值，表达式为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{S_{\mathrm{qr}}}{S_{\mathrm{tot}}}\×100\%$

显然，扇区灵敏度权重ε越大，电极所占区域的灵敏度相对越大，此时电极相对越灵敏。因此，仿真确定的扇区灵敏度权重ε最大的结构参数组合即为电极优化的最佳参数。

影响灵敏度分布特性的几何参数为：电极张角θ、电极高度H，激励电极与测量电极间距D。为寻找到最佳优化参数，设计了完备的优化方案，三因素的优化范围定为：电极张角θ∈[30°,85°]，电极高度H∈[2,4]mm，激励电极与测量电极间距D∈[3,6]mm。为便于分析，固定一个因素，即电极高度H＝2mm，变化电极张角θ和激励电极与测量电极间距D。ANSYS建模后，给四对电极同时施加载荷，在垂直上升管道内形成相互作用的电场。由于四对电极几何上的对称性，我们只将其中一对电极的测量电极输出电压值导入Matlab中，通过Matlab插值得到这对电极的灵敏度分布图。重复上述步骤，得到固定电极高度H＝2mm条件下所有参数组合的灵敏场特性。

气泡/油滴在电极附近，传感器具有良好的响应特性，会引起输出电压的大幅度变化。气泡/油滴远离电极，到达其它三对电极的范围时，传感器灵敏度很低，输出电压几乎无变化。电极张角θ小，电极灵敏度区域小。随着电极张角的增大，电极高灵敏度测量范围逐渐加大。随着张角的进一步增大，不仅高灵敏区的范围增大，其它三对电极所在的低灵敏区域的灵敏值也略有增大，虽整体仍然表现为低灵敏度，但灵敏值有较大波动。当θ＝85°时，由于四对电极十分靠拢，电场串扰严重。

提取灵敏度三维分布图中各坐标的灵敏度S(x,y)，并带入上述公式分别计算得到扇区灵敏度S_qr和总灵敏度S_tot，最终计算出扇区灵敏度权重ε，结果如表1所示。

表1

可以看出，相同电极张角的情况下，电极间距D＝3mm时，灵敏度权重ε高出其它间距下的权重值。电极间距D＝3mm时，张角在θ＝40°，权重ε达到最大值，随着张角增大，权重减小，此张角范围电场之间的串扰很小。当张角在θ＝65°时，四对电极电场之间的串扰是一个很重要的因素，权重略有增大。所以，应该综合考察扇区灵敏度权重ε和扇区灵敏度平均值这两个指标来优化传感器结构参数。改变电极高度H＝3mm,4mm后重复仿真计算，可以得到两组的分区灵敏度权重表。考察上述所有尺寸的灵敏度权重，发现有些尺寸下，电极所在扇区灵敏度平均值非常高，但整体灵敏度平均值也较高，灵敏度权重却较低，这表示电极间的相互干扰较大，将这一类组合排除。综合根据扇区灵敏度权重ε和扇区灵敏度平均值这两个指标来选择传感器结构参数。加之考虑电极加工精度的需求，选取最佳参数组合为电极轴向厚度H＝4mm；电极弧度θ＝45°；电极间距D＝4mm。

至此，得到四扇区电导传感器的最优结构：电极张角θ＝45°，电极高度H＝4mm，激励电极与测量电极间距D＝4mm。

在上述工作的基础上，如图4所示，四扇区分布式电导传感器的测量系统，包括数据采集系统，四扇区分布式电导传感器，正弦发生器（20k信号源），参考电阻，差分放大和信号调理电路，上位机，其中所述数据采集系统选用NI公司的PXI4472，选用PXI4472的八个数据采集通道Ch0-Ch7，并结合Labview实现传感器响应信号的实时采集、存储及分析计算，四个激励电极E通过参考电阻与正弦发生器连通，四个测量电极M接地，正弦发生器产生频率20kHz的正弦交流信号，信号经过参考电阻和垂直上升管道内混合流体后，携带了垂直上升管道中流体流动信息，将参考电阻电压V_ref和传感器上电压V_sen经过差分放大和信号调理电路后，将模拟信号输送到所述数据采集装置，进行采样变为数字信号，在上位机上显示和存储。

四扇区分布式电导传感器的两相流含率测量实验验证方法，其过程为：实验选用流体介质为自来水和空气，选用工业型蠕动泵和气泵分别进行水相与气相的输送，所述含率测量试验验证方法为固定一组气相流速，水相流速逐渐从0.05m/s升至0.55m/s，每一组水流速测量一组数据，实验中水相流速和气相流速范围分别为0.05～0.55m/s和0.15～1.08m/s，实验过程中，设定水相与气相的流量并同时通入垂直上升管道中，当两相流的流动状态稳定后，对四扇区分布式电导传感器信号进行采集，获得相含率测量版图方法如下：

定义混合流体的归一化电导率G_e为混合相的电导率δ_m与全水的电导率δ_w的比值，表达式为：

其中，δ_m和δ_w分别是混合流体的电导率和纯水时的电导率，V_ref和V_m分别是参考电阻两端测量电压和传感器两端的测量电压，

和

分别是纯水时参考电阻两端测量电压和传感器测量电压，四扇区电导传感器归一化电导定义为四个电极归一化电导的平均值，定义为：

其中

分别是四个电极归一化电导值，如图5所示，归一化电导与含率具有较好的线性关系且曲线具有很好的阶梯性，可以通过版图获得水相含率测量信息。

Claims (3)

1.一种分布式电导传感器的结构参数优化方法，所针对的四扇区分布式电导传感器包括一段由绝缘体制成的垂直上升管道和固定在垂直上升管道上的四对电极，每对电极均包括一个固定在垂直上升管道较上部位的激励电极E和一个固定在垂直上升管道较下部位的测量电极M，四对电极中的每个电极包括一段弧形环，且每个电极的曲率与垂直上升管道的曲率一致，使得电极可平滑嵌入垂直上升管道的内壁面，四个激励电极E位于垂直上升管道内的同一高度上，且彼此之间均匀间隔分布，呈非连续圆环状，四个测量电极M位于垂直上升管道内、低于四个激励电极E所在高度的同一高度上，且彼此之间也均匀间隔分布，呈非连续圆环状，其中每对电极上下平行设置；每个电极还包括一段连接在所述弧形环上的柱形导体，伸出于垂直上升管道之外，用于信号的输入与输出；每个电极在垂直上升管道内的灵敏度区域为一个扇形；所述的结构参数优化方法，包括如下步骤：

第一步，设计四扇区分布式电导传感器的优化模型：采用有限元分析方法，建立四扇区分布式电导传感器模型，建模时，设定管道内径0.02m，电极厚度0.002m，管道长度0.2m，电极高度H，电极张角θ，激励电极E与测量电极M间距D，水相电阻率δ_w＝1000Ω·m，电极电阻率σ_s＝1.7241e-8Ω·m，采用自由剖分方式进行网格划分，施加载荷时采用恒流激励，在激励电极E上均施加0.1mA电流，测量电极M上均施加电流-0.1mA，将测量电极电压值设置为0V；

第二步，定义四扇区分布式电导传感器的优化指标：为使得四对电极在各自的区域内有相对高的灵敏度，同时四对电极之间电场干扰最小，建模时，在所述优化模型中放入一个半径1mm的小球，模拟气泡/油滴运动，小球处于不同位置时，激励电极的电压也跟随变化，通过激励电极变化的电压反映所述传感器的灵敏度，由于四对电极在几何结构上具有对称性，同时给四对电极施加电流信号后，仅仿真考察其中一对电极的输出电压对小球的响应，即研究一对电极的灵敏度，小球每变换一个坐标，可计算得到在该坐标的灵敏度值，将小球的坐标遍历管道截面所有位置，得到该对电极的灵敏度分布图；

第三步，固定电极高度H为2mm，电极张角θ依次从30°遍历到85°，每次增加5°，电极间距D依次从3mm遍历到6mm，每次增加1mm，分别计算所述传感器的扇区灵敏度权重ε，改变电极高度H为3mm，4mm后重复遍历电极张角和电极间距，计算得到所述传感器的扇区灵敏度权重ε，综合根据扇区灵敏度权重ε和扇区灵敏度平均值这两个指标来选择传感器结构参数，选取最佳电极高度，电极张角，电极间距。

2.根据权利要求1所述的分布式电导传感器的结构参数优化方法，其特征在于，第二步的方法如下，定义S(i)为气泡/油滴在第i个位置时电导传感器的灵敏度，表达式为：

其中，ΔU(i)是在第i个位置处放入球状气泡/油滴前后激励电极的电压变化值，[ΔU(i)]_max是遍历所有测试位置i后电压变化值的最大值，平均灵敏度S_avg为各坐标灵敏度的平均值，定义为：

其中M为管道径向截面整个测量区域内总的测试位置个数，管道径向各截面各个坐标灵敏度值之和记为总灵敏度S_tot，定义为：

将管道径向截面均匀划分为四个扇区，电极对应的扇区各个坐标灵敏度值之和记为扇区灵敏度S_qr，定义为：

其中j表示进入扇区测量区域的测试小球位置编号，M_qr为扇区测量区域内总的测试位置个数，扇区灵敏度权重ε为扇区灵敏度与总区域灵敏度之和的比值，表达式为：

扇区灵敏度权重ε越大，电极所占区域的灵敏度相对越大，此时电极相对越灵敏，扇区灵敏度权重ε最大的结构参数组合为电极优化的最佳参数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优化后的四扇区分布式电导传感器的最佳参数是，电极张角为45°，电极高度为4mm，电极间距为4mm。

Images