CN108828028A - 一种测量两相流相含率的电容式传感器及其结构参数优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测量两相流相含率的电容式传感器及其结构参数优化方法，针对环状气液两相流的流动特点，能够利用不同形状的电极结构实现含水率、含气率的准确测量，在测量过程中利用层析成像技术对管道内气液两相流流动状态进行实时在线的成像显示，有利于深入了解气液两相流流动的基本规律，便于分析相含率测量结果的准确性，所提供的传感器结构简单、成本低、可实现非接触实时在线测量等优点，同时基于该结构传感器的敏感场分布，给出了传感器结构参数优化的方法，具有诸多有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及气液两相流检测传感器技术领域，尤其涉及一种测量两相流相含率的电容式传感器及其结构参数优化方法。
背景技术
气液两相流广泛存在于石油、化工、能源、动力和制药等众多工业过程中，相比于单相流，由于两相流各相具有不同的物理、化学性质，相间存在界面效应和滑差速度，流动特性十分复杂，从而导致了两相流参数测量十分困难。相含率是表征气液两相流特性的重要参数之一，是计算两相流混合密度、分相流量以及两相介质流动状态的重要依据。其准确测量对工业过程控制、管理及可靠运行至关重要。
现有的气液两相流相含率测量方法主要包括：快关阀法、光学法、射线法、高速摄像法、微波法、电学法、过程层析成像法等。上述方法中，快关阀法成本低、准确可靠，但是在测量过程中会切断流体流动，不能实时、在线测量。基于可见光的光学法要求被测介质能透过可见光，由于光的发射和接收元件易受污染，致使其应用范围受到限制。射线法测量灵敏度较低，传感器成本高，对安全性要求较高。高速摄像法对流体流动界面进行高速动态拍摄，能够细致地反映界面波动的结构特征，但因对操作者要求较高，存在照明、聚焦等光学问题，使用范围受到限制。微波法通过向被测流体发射微波，测量被测流体对微波的反射、透射、散射等物理量实现相含率的测量，对测量电路及环境噪声要求高。电学法的测量原理是当管道内流体组分发生变化时，相应的电学参数也会变化，通过配置于管道内壁或者外壁的电极阵列测量电学信号，计算得到管道内两相流的相含率。随着高速数据采集与信息处理技术的发展，电学层析成像技术以无辐射、非侵入、成本低、响应速度快、可实现流体流动状态的可视化显示等优点广泛应用于多相流参数测量。电学传感器的检测场属于“软场”，灵敏度分布的不均匀性使测量精度不仅与分相浓度有关，而且受相流体分布及流型变化的影响。
由此可见，受制于气液两相流的复杂性及测量技术的局限性，对气液两相流相含率实现高精度且实时的在线测量尚存在一些难度，是本领域中一个亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种测量两相流相含率的电容式传感器，包括：圆柱形管段，作为管路的一部分使所述传感器串接于所述管路中；
所述圆柱形管段的外壁上半部分间隔贴设一对环形电极，所述环形电极包括一环形激励电极和一环形测量电极，用于气液两相流含水率的测量；
所述圆柱形管段的外壁下半部分均匀间隔贴设8个矩形电极，所述矩形电极的长度方向与所述圆柱形管段的轴向平行，用于在测量气液两相流含气率的同时实现对管道流体流动状态的成像显示。
进一步地，沿所述环形电极轴向两侧的所述圆柱形管段外壁分别贴设有一环形屏蔽电极，所述环形激励电极与所述环形测量电极之间的所述圆柱形管段外壁上也贴设有一环形屏蔽电极，用于屏蔽电极间及外界对环形电极的干扰。
进一步地，沿所述矩形电极长度方向两侧以及每个所述矩形电极之间均设有屏蔽电极。
进一步地，所述传感器还设有外屏蔽层。
进一步地，所述环形激励/测量电极宽度W1，环形屏蔽电极宽度W2，环形激励/测量电极与环形屏蔽电极轴向间距W3，基于满足电极归一化电容值不随液膜厚度h变化，但对不同含水率具有很好的阶梯性的原则确定。
本发明还提供了一种电容式传感器的结构参数优化方法，基于电容传感器灵敏度表征的是某一单元介电常数发生变化时所引起的电容量变化，管道横截面电极对m，n在网格k内的灵敏度Si,j(k)表达式为:
其中Em是当对电极m施加电压Vm，其它电极接地时的电场分布，En是电极n施加电压Vn，其它电极接地时的电场分布，σ是网格k的面积，M是横截面内网格总数，由此得到基于敏感场分布的结构参数优化目标：
由于环形电极用于测量含水率时，测量值对环状流液膜厚度h的变化不敏感，由此将环形测量电极轴向各横截面灵敏度之和记为总灵敏度Srt，定义为：
其中i表示环形电极横截面内第i个网格；
将测量电极径向各横截面环形区域灵敏度之和记为，
其中j表示在某横截面环形区域的网格，Mr为该横截面环形区域内总的网格数；
该横截面环形区域灵敏度权重qr为其灵敏度与总灵敏度的比值，表达式为：
灵敏度权重qr越大，环形电极灵敏场分布越集中在管壁处，对管道中心环状流气核的变化越不敏感，对液相中含水率的变化越敏感。因此，确定的环形灰色填充区域灵敏度权重qr最大的结构参数组合即为环形电极优化的最佳参数。
矩形电极的8个电极中，当激励电极与测量电极相对时，如电极①激励，电极⑤测量，其敏感场分布对管道中心介质变化最敏感，相对电极对测量值能最大程度的反映整个管道内介质的变化，可用于测量含气率。
将矩形电极轴向长度中心位置处横截面相对电极对灵敏度之和记为总灵敏度Stt，定义为：
平均灵敏度为各网格灵敏度之和的平均值，定义为：
则各网格灵敏度的标准差σ定义为：
相对电极对灵敏场标准差σ越小，灵敏度分布越均匀，测量值随环状流液膜厚度h变化的线性度越好。因此，仿真确定传统矩形电极轴向中心位置处横截面相对电极对敏感场标准差σ最小的结构参数即为传统电极优化的最佳参数。
本发明的有益效果在于：(1)针对环状气液两相流的流动特点，利用不同形状的电极结构实现含水率、含气率的准确测量；(2)利用过程层析成像技术对管道内气液两相流流动状态进行实时在线的成像显示，有利于深入了解气液两相流流动的基本规律，便于分析相含率测量结果的准确性；(3)该传感器具有结构简单、成本低、可实现非接触实时在线测量等优点；(4)基于该结构传感器的敏感场分布，给出了传感器结构参数优化的方法。
附图说明
图1是本发明的电容传感器结构图，(a)为立体图，(b)为(a)中A-A剖视图，传感器电极立体分布图，(c)为(a)中B-B横向剖视图
图2是本发明的电容传感器测量气液两相流环状流型，(a)为沿管道方向环状流型，(b)为管道C-C横向剖视图
图3是本发明的环形电极结构参数优化环形区域敏感度计算示意图
图中1-传感器外屏蔽层，2-圆柱形管段，3-环形屏蔽电极，4-环形激励电极，5-环形测量电极，6-矩形电极，7-径向屏蔽电极，8-轴向屏蔽电极，①-⑧为8个矩形电极的电极编号
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的电容式传感器的结构及结构参数优化方法加以说明。
本发明所提供的测量两相流相含率的电容式传感器，如图1所示，包括：圆柱形管段2，作为管路的一部分使所述传感器串接于所述管路中；
所述圆柱形管段2的外壁上半部分间隔贴设一对环形电极，所述环形电极包括一环形激励电极4和一环形测量电极5，用于气液两相流含水率的测量；
所述圆柱形管段2的外壁下半部分均匀间隔贴设8个矩形电极6，所述矩形电极6的长度方向与所述圆柱形管段2的轴向平行，用于在测量气液两相流含气率的同时实现对管道流体流动状态的成像显示。
在本申请的一个优选实施例中，沿所述环形电极轴向两侧的所述圆柱形管段2外壁分别贴设有一环形屏蔽电极3，所述环形激励电极4与所述环形测量电极5之间的所述圆柱形管段2外壁上也贴设有一环形屏蔽电极3，用于屏蔽电极间及外界对环形电极的干扰。
在本申请的一个优选实施例中，沿所述矩形电极6长度方向两侧以及每个所述矩形电极之间均设有屏蔽电极7、8。
在本申请的一个优选实施例中，所述传感器还设有外屏蔽层。
在本申请的一个优选实施例中，所述环形激励/测量电极宽度W1，环形屏蔽电极宽度W2，环形激励/测量电极与环形屏蔽电极轴向间距W3，基于满足电极归一化电容值不随液膜厚度h变化，但对不同含水率具有很好的阶梯性的原则确定。
基于本发明所提供的传感器结构参数优化方法，可首先采用有限元法，利用仿真软件COMSOL Multiphysics构建待优化电容传感器的结构模型。如图1所示，设定管道内径D1＝XXmm，外径D2＝XXmm，电极厚度Ti为XXmm，测量管段长d＝XXmm，环形激励/测量电极宽度为W1，与宽度为W2的环形屏蔽电极间的轴向距离为W3，传统矩形电极轴向长度为L，电极圆心角为θ，与传统屏蔽电极间的距离固定为XXmm。环状流气相为空气，液相为油水混合物。由于电容测量值大小在一定程度上可以反映灵敏度的分布规律，为简化计算，用电容值随液膜厚度变化的趋势进行传感器结构参数优化。
影响环形电极灵敏度分布特性的几何参数为：环形电极宽度W1，环形屏蔽电极宽度W2，环形激励/测量电极与环形屏蔽电极轴向间距W3。三因素的优化范围为：环形电极宽度W1∈[1,XX]mm，环形屏蔽电极宽度W2∈[1,XX]mm，环形激励/测量电极与环形屏蔽电极轴向间距W3∈[1,XX]m。仿真时，首先对环形激励电极4施加直流电压，环形屏蔽电极3、传统矩形电极6、传统矩形屏蔽电极7、8均接地，然后以1mm为一个步长对三个因素进行参数扫描，测量环形电极5电容值在不同参数下随液膜厚度h变化的规律。当参数W1，W2，W3通过优化调整满足电极归一化电容值不随液膜厚度h变化，但对不同含水率具有很好的阶梯性，则认可为最有电极设计参数组合。图3所示灰色环形填充区域反映了根据本发明的一优选实施例的环形区域敏感度计算过程。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种测量两相流相含率的电容式传感器，其特征在于：包括：圆柱形管段，作为管路的一部分使所述传感器串接于所述管路中；
所述圆柱形管段的外壁上半部分间隔贴设一对环形电极，所述环形电极包括一环形激励电极和一环形测量电极；
所述圆柱形管段的外壁下半部分均匀间隔贴设8个矩形电极，所述矩形电极的长度方向与所述圆柱形管段的轴向平行。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：沿所述环形电极轴向两侧的所述圆柱形管段外壁分别贴设有一环形屏蔽电极，所述环形激励电极与所述环形测量电极之间的所述圆柱形管段外壁上也贴设有一环形屏蔽电极。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：沿所述矩形电极长度方向两侧以及每个所述矩形电极之间均设有屏蔽电极。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述传感器还设有外屏蔽层。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述环形激励/测量电极宽度W1，环形屏蔽电极宽度W2，环形激励/测量电极与环形屏蔽电极轴向间距W3，基于满足电极归一化电容值不随液膜厚度h变化，但对不同含水率具有很好的阶梯性的原则确定。
6.一种如前述权利要求任一项所述的电容式传感器的结构参数优化方法，其特征在于：基于电容传感器灵敏度表征的是某一单元介电常数发生变化时所引起的电容量变化，管道横截面电极对m，n在网格k内的灵敏度Si,j(k)表达式为:
k＝1,2,K,M
其中Em是当对电极m施加电压Vm，其它电极接地时的电场分布，En是电极n施加电压Vn，其它电极接地时的电场分布，σ是网格k的面积，M是横截面内网格总数，由此得到基于敏感场分布的结构参数优化目标：
由于环形电极用于测量含水率时，测量值对环状流液膜厚度h的变化不敏感，由此将环形测量电极轴向各横截面灵敏度之和记为总灵敏度Srt，定义为：
其中i表示环形电极横截面内第i个网格；
将测量电极径向各横截面环形区域灵敏度之和记为，
其中j表示在某横截面环形区域的网格，Mr为该横截面环形区域内总的网格数；
该横截面环形区域灵敏度权重qr为其灵敏度与总灵敏度的比值，表达式为：
以使得qr最大的结构参数组合即为环形电极优化的最佳参数。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：对于所述矩形电极的8个电极，将其长度中心位置处横截面相对电极对灵敏度之和记为总灵敏度Stt，定义为：
平均灵敏度为各网格灵敏度之和的平均值，定义为：
则各网格灵敏度的标准差σ定义为：
以所述σ最小的结构参数作为传统电极优化的最佳参数。
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