CN103884747B - 一种气液两相流相含率实时电容测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种气液两相流相含率实时电容测量系统及其测量方法，包括由安装在绝缘管道外壁上的双凹面电容电极组、绝缘填充材料、铜保护外壳组成的双凹面电容电极装置，信号源与电容电压转换集成电路，采集板卡和计算机；信号源与电容电压转换集成电路包括MS3110芯片、INPUT？CAP、USB接口、单片机、Vout航空接口、重启键。其测量方法包括设置芯片参数；双凹面电容电极装置进行气液两相流静态标定，将双凹面电容电极组装在待测量管道外壁上，对管内运动的气液两相流进行相含率测量。本发明在管道的径向长度较大，对管内截面相含率的微小变化敏感，可通过改变芯片内置参数使输出电压值差异显著。

Description

一种气液两相流相含率实时电容测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种气液两相流相含率实时电容测量系统及其测量方法，利用体积测量的双凹面电容电极测量两相流相含率，主要应用于气液分层流、泡状流和段塞流等流型的相含率测量，属于多相流输送技术领域。

背景技术

在现代的石油开采运输和核能发电等领域内，对气液两相流的相含率测量是一个十分重要的课题，有必要对两相流的相含率进行精确测量，从而对两相流界面相分布、流型变化等参数进行准确计算，为管道沿程压降计算提供依据。

目前有很多气液两相流相含率测量的方法，例如光学法、射线法、快关阀法、高速摄像法、电学法等。在这些方法中，光学法和射线法的测量精度最高，但两者的设备昂贵、操作复杂、对操作环境要求高。快关阀法对体积相含率的测量精度较高，但是使用过程会干扰流动，并且无法对相含率的变化进行在线测量。高速摄影法对流动界面进行高速动态拍摄，所以能够更细致地反映界面波动的结构特征，但这种方法对操作者要求很高，而且存在照明、聚焦等光学问题，使用范围受到限制。

电学法测量相含率的方法从原理上分为电导法和电容法，两种方法具有设备简单、操作方便，在两相流相含率测量的研究中得到广泛使用。如中国专利申请文本《实时测量多相管流中相含率和相界面的电导探针测量系统》（公开日2006年10月18日，公开号CN1847836A，申请日2006年3月27日）公开了一种用于测量水平圆管内两相流相含率的电导探针系统，该系统采用双平行电导探针或双环电导探针，对多相流中相含率进行在线测量。该专利依据电导法原理，管道中探针间的电导性与相含率呈线性关系。但这种方法存在不足，探针间的电导性受到液相中离子浓度和液相温度的影响，对于高速流动的两相流，尾涡卷吸气体会造成双平行探针下游局部区域液相含率较低，从而对相含率的测量造成误差。如中国专利申请文本《多相管流中相含率和相界面的单丝电容探针测量系统》（公开日2006年11月22日，公开号CN1865966A，申请日2006年5月11日）公开了一种测量圆管内分层流液膜厚度的单丝电容探针系统，此专利采用了电容法测量相含率，测量结果不受流体温度和杂质成分的影响，可以对多相管流中相含率和相界面进行连续实时在线测量。但这种方法同样受到探针的尾涡卷吸气体的影响，而且安装在管道内部的单丝电容探针没有屏蔽管道上的杂散电容，对相含率的测量也仅限于气液相分布均匀的流型，不能对分布不均的两相流相含率进行测量。再如中国专利申请文本《一种微小管道气液两相流空隙率测量螺旋电容传感器》（公开日2010年10月20日，公开号CN101865872A，申请日2010年4月27日）公开了一种微小管道气液两相流空隙率测量螺旋电容传感器，可以对气液两相流中的相含率进行测量，并且不受电极边缘效应和流型变化影响，但是这一系统测量的管径较小，螺旋电极加工要求较高，螺距与管道直径比较大，对大直径管道内截面相含率变化测量比较困难。

综上所述，目前这些相含率的测量方法存在一些局限，对管道截面相含率存在测量截面不完整或测量管道长度较大的问题，不能给出准确的相含率变化规律，因而难以实现管内相含率高精度的实时测量。

发明内容

为克服相含率测量已存在的的问题，本发明提供了一种气液两相流相含率实时电容测量系统及其测量方法，通过准确测量气液两相流相界面的电容值变化来确定相界面和相含率，以克服现有技术的不足。发明内容如下：

一种双凹面电容电极装置，包括绝缘管道，其特征在于还包括：

安装在绝缘管道外壁上的双凹面电容电极组、用于将双凹面电容电极组紧固在绝缘管道外壁上的绝缘填充材料，以及紧固在绝缘填充材料外侧的铜保护外壳；

上述双凹面电容电极组包括两片形状完全相同的弧形铜片，且紧贴在绝缘管道的两侧并对称放置；

上述组成双凹面电容电极组的铜片厚度为0.5mm，铜片宽度为管道内直径的0.8倍，覆盖角α为150°。

上述绝缘填充材料将双凹面电容电极组紧固在绝缘管道外壁上，隔绝空气流动的影响。铜保护外壳中间为半圆型，两端为矩形铜片，矩形板上打有透孔，通过安装螺柱可将绝缘填充材料和双凹面电容电极组紧固在管道上，铜保护外壳进行接地处理，对其他设备发出的电磁信号及双凹面电容电极组向周围环境发出的电磁信号起到隔离的作用。本发明的上述设计较现有技术而言，对截面的含气率变化更加敏感。

一种双凹面电容电极装置的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

首先将两片厚度为0.5mm的铜片加工成形状相同的圆弧状，且弧度与绝缘管道相匹配，铜片的宽度为绝缘管道内直径的0.8倍，铜片圆弧的直径为绝缘管道外直径，保留对应中心角150°的圆弧，使用无水乙醇对铜表面进行清洗，在圆弧状铜片的几何中心钻孔，孔径为1mm，使用同轴电缆作为传输交流电导线，在导线接头保留2mm铜芯，将铜芯插入圆弧状铜片中心孔并进行焊接，将两个铜片紧贴在绝缘管道两侧并对称放置，从而得到所需双凹面电容电极组。

其次，绝缘填充材料选用聚四氟乙烯，加工为圆柱体，圆柱体长100mm，圆柱体外直径至少是绝缘管道外直径3倍，且包裹在双凹面电容电极与绝缘管道的外表面，在绝缘填充材料外安装铜保护外壳，铜保护外壳选用0.5mm厚黄铜板，铜板宽100mm，加工形状为中心半圆型，两边为矩形，矩形长30mm，宽100mm，半圆直径为绝缘填充材料外圆半径，在铜保护外壳的边缘矩形板上的透孔用螺柱和螺母固定，通过铜保护外壳的挤压使绝缘填充材料和双凹面电容电极组紧紧贴在绝缘管道外壁，以保证空气不能与双凹面电容电极组接触。

在绝缘填充材料和铜保护外壳对应双凹面电容电极组几何中心孔的位置打有通孔，孔径为同轴电缆直径，并用填充材料进行密封；最后铜保护外壳与接地端连接进行接地处理。

由于绝缘填充材料和铜保护外壳的通孔位置对称，双凹面电容电极组能完全对称紧贴在绝缘管道外壁。

一种气液两相流相含率实时电容测量系统，其特征在于包括：

上面所述的双凹面电容电极装置，通过同轴电缆与所述双凹面电容电极装置连接的信号源与电容电压转换集成电路，与信号源与电容电压转换集成电路相连的采集板卡和计算机；

所述信号源和电容电压转换集成电路根据计算机的控制程序输出激发交流电，并向采集板卡输出测量电压，计算机通过数据处理软件对采集板卡采集到的测量电压进行处理，并计算出测量电压对应的体积相含率、进行数据存储并在显示器上实时显示。

上述信号源与电容电压转换集成电路包括：MS3110芯片，由上至下依次与MS3110芯片上的第四、五、六引脚连接的INPUTCAP，其中最上和最下引脚输出100kHz交流电；

还包括与计算机连接的USB接口，该USB接口为整个电路板提供+5V工作电压，并传输计算机调节芯片参数的电子写入信号和芯片的状态反馈信号；

以及与USB接口和MS3110芯片的第三、七、八、十一引脚连接的单片机，计算机通过USB接口将设置的参数写入信号发送至单片机中进行编码，单片机再通过上述4个引脚发送至MS3110芯片，实现芯片内部参数设置，单片机写入过程使用的信号为十六进制；

与MS3110芯片第十四引脚连接的Vout航空接口，用于输出测量电压；

与MS3110芯片的第一引脚连接的重启键，用于实现芯片的内置参数重置；

所述的INPUTCAP与双凹面电容电极组相连；所述的Vout航空接口与采集板卡连接。

信号源与电容电压转换集成电路的核心MS3110芯片，通过芯片第四引脚引脚可提供100kHz交流电，通过第五引脚对测量得到的电容值进行电压转换输出，通过USB线将信号源与电容电压转换集成电路与计算机连接，通过计算机的设置软件可对芯片内置参数设置，改变输出信号频率和测量输出电压，计算机同时为电路板提供+5V工作电压。

MS3110芯片的第一引脚CHPRST为芯片的重启引脚，与电路板的重启键连接。第二引脚V2P25为芯片工作正常的判断电压引脚，正常工作输出电压为2.25V。第四引脚CS2IN和第六引脚CS1IN为测量电容输出引脚，用于与电容电极相连，输出信号为100kHz交流电，第五引脚CSCOM用于接收测量回路电流，在芯片内部进行电容转电压处理。第三引脚TESTSEL、第七引脚SDATA、第八引脚SCLK和第十一引脚WRT用于接收计算机中参数设置软件写入数据信号和反馈芯片工作状态信号，通过这四个引脚可以对芯片的输出信号频率、交流电有效电压值、输出电压大小及芯片内置平衡电容进行设置。第十三引脚-V、第十五引脚+V为芯片电源正负极，使用+5V直流电。第十四引脚Vo为电压输出端，与电路板上的Vout航空接口连接，第十引脚HV16为芯片内可擦寄存器开启电压接入引脚，第九引脚NC、第十二引脚NC和第十六引脚NC为空引脚，不被使用。

利用上述测量系统实时测量气液两相流相含率的方法，其特征在于包括以下步骤：

首先利用USB线将所述信号源与电容电压转换集成电路和计算机连接，通过计算机对MS3110芯片参数进行初步设置。

使用万用表对MS3110芯片（5）的V2P25引脚进行电压测量，当V2P25输出电压为2.25V±0.1V时，表明芯片工作正常。

选择具有与待测量管道完全相同的绝缘管道的双凹面电容电极装置，将双凹面电容电极装置的铜保护外壳接地。

将上述双凹面电容电极装置进行气液两相流静态标定，确定不同相含率对应的电压关系，通过计算机对MS3110芯片内置参数进行设置，使满气对应的低电压和满液对应的高电压处于1V～4V范围，通过计算机存储此时使用的MS3110芯片设置参数。

设置好参数后，持续改变绝缘管道内的相含率，通过采集板卡和计算机记录对应电压值，根据相含率和电压值拟合相含率—电压曲线。

随后将双凹面电容电极组安装在待测量管道外壁上、用绝缘填充材料将双凹面电容电极组紧固在绝缘管道外壁上，用铜保护外壳紧固在绝缘填充材料外侧，从而构造出待测量管道上的双凹面电容电极装置。

然后对待测量管道内运动的气液两相流进行相含率测量，通过采集板卡采集电压信号，计算机通过数据处理程序进行信号分析，根据上述拟合的曲线计算相含率，并在计算机上显示，进而得到管内两相流的平均相含率。

上述计算机的数据处理程序是按照以下步骤对采集板卡采集的电压信号进行含气率计算：

将上述静态标定下测量的电压进行归一化，得到下列无量纲电压与对应含气率建立多项式拟合关联式（1），再将待测量管道上采集到的测量电压进行无量纲化后带入拟合关联式，得到含气率如公式（2）所示，并在计算机上显示，

$V\text{'}=\frac{V-V_G}{V_L-V_G},H_g=F(V\text{'})=\mathrm{\Σ}\left(a_i{V\text{'}}^i\right)---\left(1\right)$

$V_x\text{'}=\frac{V_x-V_G}{V_L-V_G},H_{\mathrm{gx}}=F(V_x\text{'})---\left(2\right)$

其中，V、V_x是静态标定测量电压与实时测量电压，V'、V'_x是无量纲电压，V_L、V_G是静态标定时满液电压和满气电压，H_g是静态标定下已知的含气率，H_gx是将V'_x带入拟合公式F(V')得到的含气率。

本发明适用于非导电或弱导电液体的气液两相流相界面和相含率的测量。其测量原理是基于气液相介电常数不同，液相介电常数远大于气相介电常数，相含率不同时，一定体积的两相流的电容值不同。将双凹面电极组对称竖直安装在测量绝缘管道管外壁上，电极的覆盖角α所对应的弦长大于绝缘管道内直径。因为双凹面电容电极组紧贴管壁竖直放置，混合流体中气相分布于液相中，可将测量区域的管壁电容与气液相混合电容视为串联，不同高度的气液混合电容可视为并联。当气液相含率发生变化，电容值的变化可视为纯气液相的电容值变化，变化的电容值通过电容电压转换电路转为电压变化，由采集板卡测量，故低电压值表示气相含率高，高电压值为液相含率高。当气液相连续流动通过测量段，管内相含率随两相流运动不断改变，输出电压值也随时间变化。

本发明通过体积测量的电容电极测量气液两相流的相含率变化情况，同其它测量方法相比具有以下特点：电极在管道的径向方向长度比较大，轴向长度比较小，对管内截面相含率的微小变化敏感；不受介质电导率、温度等参数影响；不与流动介质接触，不干扰流动；能够最大程度测量管内截面含气率，不受相分布不均匀影响；当液相介电常数较低时，可改变芯片内置参数使输出电压值差异显著。

附图说明

图1是本发明的整体示意图；

图2是本发明电容电极安装示意图（左为轴视图，右为剖视图）；

图3是本发明信号源和电容电压转换电路工作原理图；

图4是本发明测量方法的流程图；

图5是双凹面电容电极测量系统输出无量纲电压与含气率拟合曲线；

图6是双凹面电容电极测量系统对气速1.3m/s、液速0.015m/s气液两相流的层流流型测量输出电压信号，计算得到含气率H_gx为85%，左侧是测量电压信号时间变化曲线，右侧是管内的流型示意图；

图7是双凹面电容电极测量系统对气速0.3m/s、液速0.8m/s气液两相流的团状流流型测量输出电压信号，计算得到平均含气率H_gx为19.5%，左侧是测量电压信号时间变化曲线，右侧是管内的流型示意图；

图8是双凹面电容电极测量系统对气速1.0m/s、液速0.3m/s气液两相流的段塞流流型测量输出电压信号，计算得到平均含气率H_gx为35.75%，液塞区与液膜区平均含气率分别为10.32%和61.18%，左侧是测量电压信号时间变化曲线，右侧是管内的流型示意图。

上述图6、7、8的气液实验介质均为空气—油。

1----双凹面电容电极组2----绝缘填充材料3----铜保护外壳4----绝缘管道5----MS3110芯片6----单片机7----INPUTCAP8----Vout航空接口9----USB接口10----重启键11----接地端12----双凹面电容电极装置13----信号源与电容电压转换集成电路14----采集板卡15----计算机

具体实施方式

图1给出了本发明的相含率测量方法的测量与采集电路系统组成。该系统包括双凹面电容电极装置12、信号源与电容电压转换集成电路13、采集板卡14和计算机15。其中，双凹面电容电极装置12与信号源和电容电压转换集成电路13上的INPUTCAP（7）连接，双凹面电容电极装置12的螺柱与接地端11连接。采集板卡14与信号源和电容电压转换集成电路13的Vout航空接口8连接，采集的电压信号由计算机15数据处理程序进行A/D转换和存储，计算机15通过USB接口9与信号源与电容电压转换集成电路13连接，为信号源与电容电压转换集成电路13提供5V工作电压，并实现对芯片内置参数的设置。

参见图2，本发明的双凹面电容电极装置12包括双凹面电容电极组1、绝缘填充材料2和铜保护外壳3。其制作过程如下：首先利用机械加工将两片厚度为0.5mm的铜片加工成半圆形，铜片的宽度为绝缘管道4内直径的0.8倍，半圆直径为绝缘管道4外直径，保留对应中心角150°的圆弧，保证两个铜片的圆弧长度相同，使用无水乙醇对铜表面进行清洗，在圆弧铜片的几何中心用电钻打孔，孔径为1mm，使用同轴电缆作为传输交流电导线，在导线接头保留2mm铜芯，将铜芯插入铜片中心孔，使用电烙铁进行焊接，焊锡只需将中心孔填满即可，移除部分可使用砂纸慢慢打磨，保证铜片表面光滑，制成所需双凹面电容电极组1。绝缘填充材料2选用聚四氟乙烯，加工为同心圆柱体，圆柱体长100mm，圆柱体外直径至少是绝缘管道4外直径3倍，圆柱体内部与双凹面电容电极组1接触部分内直径比其它部分大1mm，其他部分内直径为绝缘管道4外直径。在紧固双凹面电容电极组1的绝缘填充材料2外安装铜保护外壳3，铜保护外壳选用0.5mm厚黄铜板，铜板宽100mm，加工形状为中心半圆形，两边为矩形，矩形长30mm，宽100mm，半圆直径为绝缘填充材料2外圆半径，在铜保护外壳的边缘矩形板上的透孔用螺柱和螺母固定，通过铜保护外壳3的挤压使绝缘填充材料2和双凹面电容电极组1紧紧贴在绝缘管道4外壁，尽量减少与双凹面电容电极组1接触间歇的空气。在绝缘填充材料2和铜保护外壳3对应双凹面电容电极组1的几何中心位置打有通孔，孔径为同轴电缆直径，并用填充材料进行密封，由于同轴电缆较硬，绝缘填充材料2和铜保护外壳3的通孔位置对称，双凹面电容电极组1能完全对称紧贴在绝缘管道4外壁。铜保护外壳3与接地端11连接进行接地处理。

参见图3，本发明提供的相含率测量方法需要一个信号源与电容电压转换集成电路（13）。该电路包括MS3110芯片5和功能元件组成的电路。其中，MS3110芯片5是整体信号源与电容电压转换集成电路13的核心。MS3110芯片5上的第四引脚和第六引脚能够同时输出高频交流电信号，第五引脚能单独或同时接收第四引脚和六引脚的测量反馈信号，实现对双凹面电容电极组1间电容的测量。MS3110芯片5内部包括了电容补偿电路、电容积分电路、低通滤波电路及运算放大电路，能够将测量的电容转换成电压输出。

信号源与电容电压转换集成电路13是实现MS3110芯片5供电、调节和连接测量电极的集成电路板。信号源与电容电压转换集成电路13上INPUTCAP7有三个引脚，由上至下依次与MS3110芯片5上的第四、第五、第六引脚连接，最上和最下引脚输出100kHz交流电。USB接口9是与计算机连接的数据线接口，为整个电路板提供+5V工作电压，并传输计算机控制芯片参数的电子写入信号和芯片的状态反馈信号。电路板上单片机6与USB接口9和MS3110芯片5的第三、七、第八、第十一引脚连接，计算机15的芯片参数控制软件通过USB接口9将设置的参数写入信号发送至单片机6中进行编码，单片机6通过上述4个引脚发送至芯片内控制寄存器，实现芯片内部参数设置，单片机6写入过程使用的信号为十六进制。第十三、第十五引脚与USB接口9的电源线连接，计算机通过接口提供+5V电源。第十四引脚与电路板上的V_out航空接口8连接，输出测量电压。

参见图4，本发明主要工作流程包括双凹面电容电极装置12、信号源与电容电压转换集成电路13、采集板卡14、计算机15。其中，计算机15通过芯片参数控制软件及USB线对信号源与电容电压转换集成电路13进行测量参数调节及供电，信号源与电容电压转换集成电路13向双凹面电容电极装置12输出激励信号，双凹面电容电极装置12向信号源与电容电压转换集成电路13反馈测量信号，采集板卡14采集信号源与电容电压转换集成电路13的输出电压，采集板卡14向计算机15输出采集的电压信号，计算机15通过数据处理程序对电压信号进行处理并显示含气率。

参见图5，静态标定曲线由计算机15完成。计算机15通过数据处理程序将测量的电压信号进行含气率计算。含气率计算的方法是：将静态下测量的电压进行归一化，得到的无量纲电压与对应含气率建立拟合关联式，而实验管道上测量的电压在无量纲化后带入拟合关联式，得到含气率，并在计算机15上显示。其过程如下：

$V\text{'}=\frac{V-V_G}{V_L-V_G}$

H_g=F(V')=∑(a_iV'ⁱ)

$V_x\text{'}=\frac{V_x-V_G}{V_L-V_G}$

H_gx=F(V_x')

其中，V、V_x是实际测量电压，V'、V'_x是无量纲电压，V_L、V_G是静态标定时满液电压和满气电压，H_g是静态标定下已知的含气率，H_gx是将V'_x带入拟合关联式F(V')得到的含气率。

本发明的测量方法运行过程：首先利用USB线将电路板和计算机连接，打开芯片参数控制软件，对芯片参数进行初步设置。在软件操作界面的UCRControlRegisterSet区选择需要设定的参数包括信号激励频率及电压、输出电压放大倍数及偏置、低通滤波器频率，点击WriteControlReg键，将设置的参数通过数据线传送到芯片内置寄存器，使用万用表对V2P25引脚进行电压测量，当输出的激励信号频率保持在100kHz±2kHz，V2P25输出电压为2.25V±0.1V，表明芯片工作正常。对不同管径的管道内气液两相流进行测量时，首先将双凹面电容电极系统安装在与测量管道完全相同的短管上进行气液两相流静态标定，确定相含率对应的电压关系，通过计算机芯片参数控制软件对芯片内置参数CS1IN、CS2IN、C_F进行设置，由于MS3110芯片的输出电压为0～5V，将满气至满液的电压变化范围设置在1～4V之内，记录下此时使用的芯片设置参数，通过计算机芯片参数控制软件可以实现参数存储。设置好参数后，不断改变管内的相含率，通过采集板卡和计算机处理程序记录对应电压值，根据相含率和电压值拟合相含率—电压曲线，这一标定的过程在管径不变的情况下只需要进行一次。随后对测量管进行流动两相流相含率测量，将双凹面电容电极系统安装在实验管道上，使用标定时的芯片参数对MS3110芯片进行设置，对管内运动的气液两相流进行相含率测量，通过采集板卡记录电压信号，通过计算机处理程序进行信号分析，根据拟合的曲线计算相含率，并在计算机上显示。

具体实施例：

参见图6，测量的气液两相流光滑分层流流型。在实际的测量过程中，由于泵运行存在震动等外部原因，层流表面会存在一定的波动，但波动不明显，持续时间较短，所以电容电极测量的电压存在一定的波动，电压波动范围较小。

参见图7，测量的气液两相流的团状流流型。在测量过程中，气泡团头部较窄，尾部较宽，气泡紧贴管内壁上部向前运动。在运动过程中，邻近气泡间的距离随时间可能发生改变，有些气泡融合成更大的气泡团。这种气液相分布情况造成测量的电压在整个气泡流经电容电极的过程中，电压先降低后升高，上升的曲线斜率不断改变，下降曲线的持续时间比上升曲线的持续时间短，气泡的大小不同也造成了电压值最小值不同。

参见图8，测量的气液两相流的段塞流流型。在测量过程中，液塞到来前的液膜层表面不断波动，液塞头部存在气体卷吸，液塞头部滞留大量的小气泡，液塞体中含有的小气泡向液塞尾部逐渐合并上浮减少。这种气液相分布情况造成电容电极测量的电压值在液塞到来前较低，液塞头流经电极的过程中电压值快速升高，由于液塞体存在气泡，电压达不到最大值，随着液塞的移动，电压值因液塞体含气率的减小而持续降低。当液塞尾部流过时，电压值逐渐下降。

Claims (5)

1.一种双凹面电容电极装置的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

首先将两片厚度为0.5mm的铜片加工成形状相同的圆弧状，且弧度与绝缘管道(4)相匹配，铜片的宽度为绝缘管道(4)内直径的0.8倍，铜片圆弧的直径为绝缘管道(4)外直径，保留对应中心角150°的圆弧，使用无水乙醇对铜表面进行清洗，在圆弧状铜片的几何中心钻孔，孔径为1mm，使用同轴电缆作为传输交流电导线，在导线接头保留2mm铜芯，将铜芯插入圆弧状铜片中心孔并进行焊接，将两个铜片紧贴在绝缘管道(4)两侧并对称放置，从而得到所需双凹面电容电极组(1)；

其次，绝缘填充材料(2)选用聚四氟乙烯，加工为圆柱体，圆柱体长100mm，圆柱体外直径至少是绝缘管道(4)外直径的3倍，且包裹在双凹面电容电极(1)与绝缘管道(4)的外表面，在绝缘填充材料(2)外安装铜保护外壳(3)，铜保护外壳(3)选用0.5mm厚黄铜板，铜板宽100mm，加工形状为中心半圆形，两边为矩形，矩形长30mm，宽100mm，半圆直径为绝缘填充材料(2)外圆半径，在铜保护外壳(3)的边缘矩形板上的透孔用螺柱和螺母固定，通过铜保护外壳(3)的挤压使绝缘填充材料(2)和双凹面电容电极组(1)紧紧贴在绝缘管道(4)外壁；

在绝缘填充材料(2)和铜保护外壳(3)对应双凹面电容电极组(1)几何中心孔的位置打有通孔，孔径为同轴电缆直径，并用填充材料进行密封；最后铜保护外壳(3)与接地端(11)连接进行接地处理。

2.一种气液两相流相含率实时电容测量系统，其特征在于包括：包括双凹面电容电极装置(12)，通过同轴电缆与所述双凹面电容电极装置(12)连接的信号源与电容电压转换集成电路(13)，与信号源与电容电压转换集成电路(13)相连的采集板卡(14)和计算机(15)；

所述信号源与电容电压转换集成电路(13)根据计算机(15)的控制程序输出激发交流电，并向采集板卡(14)输出测量电压，计算机(15)通过数据处理软件对采集板卡(14)采集到的测量电压进行处理，并计算出测量电压对应的体积相含率、进行数据存储并在显示器上实时显示；

所述的双凹面电容电极装置，包括绝缘管道(4)，安装在绝缘管道(4)外壁上的双凹面电容电极组(1)、用于将双凹面电容电极组(1)紧固在绝缘管道(4)外壁上的绝缘填充材料(2)，以及紧固在绝缘填充材料(2)外侧的铜保护外壳(3)；上述双凹面电容电极组(1)包括两片形状完全相同的弧形铜片，且紧贴在绝缘管道(4)两侧并对称放置；上述组成双凹面电容电极组(1)的铜片厚度为0.5mm，铜片宽度为管道内直径的0.8倍，覆盖角α为150°。

3.如权利要求2所述的气液两相流相含率实时电容测量系统，其特征在于

上述信号源与电容电压转换集成电路(13)包括：MS3110芯片(5)，由上至下依次与MS3110芯片(5)上的第四、五、六引脚连接的INPUTCAP(7)，其中最上和最下引脚输出100kHz交流电；

还包括与计算机(15)连接的USB接口(9)，该USB接口(9)为整个电路板提供+5V工作电压，并传输计算机调节芯片参数的电子写入信号和芯片的状态反馈信号；

以及与USB接口(9)和MS3110芯片(5)的第三、七、八、十一引脚连接的单片机(6)，计算机(15)通过USB接口(9)将设置的参数写入信号发送至单片机(6)中进行编码，单片机(6)再通过上述4个引脚发送至MS3110芯片(5)，实现芯片内部参数设置，单片机(6)写入过程使用的信号为十六进制；

与MS3110芯片(5)第十四引脚连接的Vout航空接口(8)，用于输出测量电压；

与MS3110芯片(5)的第一引脚连接的重启键(10)，用于实现芯片的内置参数重置；

所述的INPUTCAP(7)与双凹面电容电极组(1)相连；所述的Vout航空接口(8)与采集板卡(14)连接。

4.利用权利要求3所述的测量系统实时测量气液两相流相含率的方法，其特征在于包括以下步骤：

首先利用USB线将所述信号源与电容电压转换集成电路(13)和计算机(15)连接，通过计算机(15)对MS3110芯片(5)参数进行初步设置；

使用万用表对MS3110芯片(5)的V2P25引脚进行电压测量，当V2P25输出电压为2.25V±0.1V时，表明芯片工作正常；

选择具有与待测量管道完全相同的绝缘管道(4)的双凹面电容电极装置(12)，将双凹面电容电极装置(12)的铜保护外壳(3)接地；

将上述双凹面电容电极装置(12)进行气液两相流静态标定，确定不同相含率对应的电压关系，通过计算机(15)对MS3110芯片(5)内置参数进行设置，使满气对应的低电压和满液对应的高电压处于1V—4V范围，通过计算机(15)存储此时使用的MS3110芯片(5)设置参数；

设置好参数后，持续改变绝缘管道(4)内的相含率，通过采集板卡(14)和计算机(15)记录对应电压值，根据相含率和电压值拟合相含率—电压曲线；

随后将双凹面电容电极组(1)安装在待测量管道外壁上、用绝缘填充材料(2)将双凹面电容电极组(1)紧固在绝缘管道(4)外壁上，用铜保护外壳(3)紧固在绝缘填充材料(2)外侧，从而构造出待测量管道上的双凹面电容电极装置；

然后对待测量管道内运动的气液两相流进行相含率测量，通过采集板卡(14)采集电压信号，计算机(15)通过数据处理程序进行信号分析，根据上述拟合的曲线计算相含率，并在计算机(15)上显示，进而得到管内两相流的平均相含率。

5.如权利要求4所述的实时测量气液两相流相含率的方法，其特征在于上述计算机(15)的数据处理程序是按照以下步骤对采集板卡(14)采集的电压信号进行含气率计算：

将上述静态标定下测量的电压进行归一化，得到下列无量纲电压与对应含气率建立的多项式拟合关联式(1)，再将待测量管道上采集到的测量电压进行无量纲化后带入拟合关联式，得到含气率如方程(2)所示，并在计算机(15)上显示，

$\begin{array}{cc}{V}^{\′}=\frac{V-V_G}{V_L-V_G},& H_g=F\left(V^{\′}\right)=\mathrm{\Σ}\left(a_i{V}^{\′i}\right)\end{array}---\left(1\right)$

$\begin{array}{cc}{V_x}^{\′}=\frac{V_x-V_G}{V_L-V_G},& H_{gx}=F\left({V_x}^{\′}\right)\end{array}---\left(2\right)$

其中，V、V_x是静态标定测量电压与实时测量电压，V'、V'_x是无量纲电压，V_L、V_G是静态标定时满液电压和满气电压，H_g是静态标定下已知的含气率，α_i表示对静态标定含气率-无量纲电压做多项式拟合时第i项的系数，V'ⁱ表示多项式拟合时第i项对应的V'的i次幂，H_gx是将V'_x带入拟合公式F(V')得到的含气率。