一种分布式电导传感器的结构参数优化方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术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。本专利技术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。【专利说明】
本专利技术涉及一种两相流检测传感器，特别是一种电导传感器。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术提供的传感器，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，本专利技术的技术方案如下:—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Sw =1000 Ω.πι，电极电阻率Os= 1.7241Θ-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Imm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Imm,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:【权利要求】1.,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δν= 1000Ω.m，电极电阻率Qs=L 7241Θ-8Ω.πι，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OV ； 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Imm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，通过激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高忠科，金宁德，丁美双，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：