一种两相流分相含率电导式传感器及其结构参数优化方法技术

本发明专利技术提供一种两相流分相含率电导式传感器，该传感器由导电环层及附着于其上激励电极对和测量电极对构成，激励电极和测量电极在导电环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优化方法。本发明专利技术的有益效果是针对两相流相含率实时测量，克服了传统电导式传感器中测量电极与非导电物质接触，造成测量电极浮空的缺点，提供一种电导式电学传感器，基于其解析模型，给出二维传感器横截面上任一点灵敏度分布的表达式，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种检测器件，特别是一种两相流分相含率电导式传感器及 其结构参数优化方法。
技术介绍
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。由于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的 检测场属于'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，而且其测量精度受相分 布及流型变化的影响。目前，为工业应用设计的两相流分相含率电导式传感器，其电极阵列一 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。
技术实现思路
本专利技术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 流分相含率电导式传感器及其结构参数优化方法，通过非接触式测量，避免 了测量电极的浮空，进而拓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，本专利技术采用的技术方案是提供一种两相流分相含率电 导式传感器，该传感器串接在两相流的管路中，包括有激励电极对和测量电 极对，其中该传感器还包括有导电环层1，所述激励电极对2和测量电极 对3附着于导电环层1上；所述激励电极对2和测量电极对3相对于导电环层1径向上对称设置，并按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优化方法。 本专利技术的有益效果是针对两相流在线实时测量，克服了传统电导式传感 器中测量电极与非导电物质接触，造成测量电极浮空的缺点。且具有如下优点1.非接触式测量，避免了测量电极的浮空，使测量范围拓宽，测量快 速且造价低廉。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，并进行结构参数的快速优化。附图说明图1为本专利技术的电导式传感器结构的任一截面图； 图2为本专利技术的电导式传感器电极的立体分布图3为本专利技术的传感器测得的电阻值和气/液两相流层流液相浓度的测 量值与拟和值图表；图4为本专利技术的传感器测得的气/液两相流层流液相浓度的测量值与拟 和值的相对误差图表。图中1、导电环层 2、激励电极对3、 测量电极对 具体实施例方式结合附图及实施例对本专利技术的加以说明。如图1、 2所示，本专利技术的两相流分相含率电导式传感器串接在两相流 的管路中，包括有激励电极对和测量电极对，所述激励电极对2和测量电极对3附着于导电环层1上。所述激励电极对2和测量电极对3相对于导电环 层1径向上对称设置，并按180度角螺旋分布。图1表示了该结构在该两相 流分相含率电导式传感器的横截面，其由导电环层1及附着于其上的电极阵 列构成，所述激励电极对2和测量电极对3在两相流管路的管壁上径向对称 按180度角螺旋分布。所述激励电极对2和测量电极对3中的电极，其宽对 应的横截面圆心角小于5度，以利于提高电压测量的空间分辨率。激励电极 对2及测量电极对3的轴向长度相同，导电环层1的轴向长度大于或等于激 励电极对2及测量电极对3的轴向长度。该两相流分相含率电导式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。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/液两相流或液/液两相流)分相含率与测得的电阻值 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/液两相流为例，仿真计算得的层流的液相含率和电 阻值具有良好的线性关系。标定后的相对测量误差小于2.8%，如图4所示。基于本专利技术电导式传感器结构参数优化方法如下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A的 激励电极，与逆时针旋转角度为^的测量电极共同作用下，横截面位置z点 处的灵敏度S(z)的计算公式为式中z-x + "为传感器横截面上二维坐标的复数表示，其中"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A的激励电极，与逆时针旋转角度为A的测量电极共同作用下，位置":c +力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A的激励电极，与逆时针旋转角度为A的测量电极共同作用下，位置z-x + ^处电场强度的共 轭函数；W为流经激励电极的电流；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&(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2 2 2 ^俱式中z-x + "为传感器横截面上二维坐标的复数表示，其中"y分别为传感器横截面上二维坐标的横坐标和纵坐标；^s;为在相对于初始电极分布，逆时针旋转角度为^的激励电极对，与逆时针旋转角度为A的 测量电极对的共同作用下，位置"x + ^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^的激励电极对， 与逆时针旋转角度为A的测量电极对的共同作用下，位置z-;c + ^处电场强度的共轭函数；必为流经激励电极的电流；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iVt/优化时对结构参数进行归一化处理，令r,l，则^:^/A; 根据下式咒——版(^(z))!桐-M"0))|z—2 一 M"0》|z|￡,2式中^为取导电环层1的内径，z二;c + y/为传感器横截面上二维坐标 的复数表示；Mzx(^(z))i^为测量区域(k|《r2)内灵敏度的最大值， ^"(Sp(z))^。为测量区域(|z|^r2)内灵敏度的最小值。d.通过数值寻优，计算得到优化的结构参数在导电环层1的电导率cr,，传感器敏感场区域为一种均匀物质时的电导 率 ，导电环层l的内径与外径的比值^，测量电极对3和激励电极对2的 张角参数部分已知的情况下，对均匀度参数W进行数值寻优，可计算得未 知参数的优化值。上述结构参数优化方法中计算的理论基础为(1) 静态电场方程▽ (<7(Z)V^>)) = 0其中，cr(z)代表复数z-;c + W所代表的位置对应的电导率，p(力代表复数 z"+^所代表的位置对应的电势。(2) 传感器数学模型所述螺旋式导电环传感器，由电导率为C7,的导电环层1和配置于其外侧的4个18(T螺旋形电极构成，假定测量区域的电导率为q，则其某一的横截面可表示为附图1。其中，黑色圆点表示配置于导电环层1上的螺旋形电极， 如立体图附图2。在横截面上，激励电极对中电极A和^对应的圆心角分别为"和-a。横截面上电流必从圆心角"处的电极^流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两相流分相含率电导式传感器，该传感器串接在两相流的管路中，包括有激励电极对和测量电极对，其特征是：该传感器还包括有导电环层（１），所述激励电极对（２）和测量电极对（３）附着于导电环层（１）上；所述激励电极对（２）和测量电极对（３）相对于导电环层（１）径向上对称设置，并按１８０度角螺旋分布。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王化祥，曹章，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]