[發(fā)明專利]一種兩相流分相含率電導(dǎo)式傳感器及其結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810153742.2
• 申請日: 2008-12-04
• 公開（公告）號: CN101419180A
• 公開（公告）日: 2009-04-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王化祥;曹章
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G01N27/08
• 分類號: G01N27/08
• 代理公司: 天津才智專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 呂志英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種檢測器件，特別是一種兩相流分相含率電導(dǎo)式傳感器及 其結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

分相含率是兩相流在線實(shí)時測量的一個重要參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)和石油輸 送過程中具有重要意義。由于電學(xué)方法具有非侵入式測量、響應(yīng)快速、安全 可靠、成本低、易于安裝、牢固耐用等優(yōu)點(diǎn)，因而適于工業(yè)上在線應(yīng)用。當(dāng) 管道內(nèi)流體組分發(fā)生變化時，相應(yīng)的電學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，通過配置于管道內(nèi) 壁或外壁的一組電極陣列，測量流體組分變化引起的電學(xué)信號的變化，根據(jù) 測量極板間的電學(xué)測量值，計算得到管道內(nèi)的相濃度。但是，兩相流動過程 十分復(fù)雜，傳感器內(nèi)固相分布不均勻，流型變化快；同時由于電學(xué)傳感器的 檢測場屬于‘軟場’，其靈敏度分布隨分相分布變化，且其固有的靈敏度分 布的不均勻性將導(dǎo)致測量結(jié)果不僅與分相濃度有關(guān)，而且其測量精度受相分 布及流型變化的影響。

目前，為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計的兩相流分相含率電導(dǎo)式傳感器，其電極陣列一 般與被測物質(zhì)接觸，當(dāng)被研究對象中不導(dǎo)電物質(zhì)成分較多時，測量電極與非 導(dǎo)電物質(zhì)接觸，造成測量電極浮空，從而容易導(dǎo)致電阻/電導(dǎo)測量電路飽和， 限制了其測量范圍與精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對兩相流在線實(shí)時測量中存在的問題，提供一種兩相 流分相含率電導(dǎo)式傳感器及其結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，通過非接觸式測量，避免 了測量電極的浮空，進(jìn)而拓展分相含率測量范圍；并基于該傳感器的解析模 型，給出相應(yīng)的靈敏場分布表達(dá)式以及傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種兩相流分相含率電 導(dǎo)式傳感器，該傳感器串接在兩相流的管路中，包括有激勵電極對和測量電 極對，其中：該傳感器還包括有導(dǎo)電環(huán)層1，所述激勵電極對2和測量電極 對3附著于導(dǎo)電環(huán)層1上；所述激勵電極對2和測量電極對3相對于導(dǎo)電環(huán) 層1徑向上對稱設(shè)置，并按180度角螺旋分布。

同時還提供一種基于上述傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法。

本發(fā)明的有益效果是針對兩相流在線實(shí)時測量，克服了傳統(tǒng)電導(dǎo)式傳感 器中測量電極與非導(dǎo)電物質(zhì)接觸，造成測量電極浮空的缺點(diǎn)。且具有如下優(yōu) 點(diǎn)：1.非接觸式測量，避免了測量電極的浮空，使測量范圍拓寬，測量快 速且造價低廉。

2.基于該傳感器的解析模型，可給出二維傳感器橫截面上任一點(diǎn)靈敏 度分布的表達(dá)式，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的快速優(yōu)化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的電導(dǎo)式傳感器結(jié)構(gòu)的任一截面圖；

圖2為本發(fā)明的電導(dǎo)式傳感器電極的立體分布圖；

圖3為本發(fā)明的傳感器測得的電阻值和氣/液兩相流層流液相濃度的測 量值與擬和值圖表；

圖4為本發(fā)明的傳感器測得的氣/液兩相流層流液相濃度的測量值與擬 和值的相對誤差圖表。

圖中：

1、導(dǎo)電環(huán)層????????????????2、激勵電極對

3、測量電極對

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的一種兩相流分相含率電導(dǎo)式傳感器及其 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法加以說明。

如圖1、2所示，本發(fā)明的兩相流分相含率電導(dǎo)式傳感器串接在兩相流 的管路中，包括有激勵電極對和測量電極對，所述激勵電極對2和測量電極 對3附著于導(dǎo)電環(huán)層1上。所述激勵電極對2和測量電極對3相對于導(dǎo)電環(huán) 層1徑向上對稱設(shè)置，并按180度角螺旋分布。圖1表示了該結(jié)構(gòu)在該兩相 流分相含率電導(dǎo)式傳感器的橫截面，其由導(dǎo)電環(huán)層1及附著于其上的電極陣 列構(gòu)成，所述激勵電極對2和測量電極對3在兩相流管路的管壁上徑向?qū)ΨQ 按180度角螺旋分布。所述激勵電極對2和測量電極對3中的電極，其寬對 應(yīng)的橫截面圓心角小于5度，以利于提高電壓測量的空間分辨率。激勵電極 對2及測量電極對3的軸向長度相同，導(dǎo)電環(huán)層1的軸向長度大于或等于激 勵電極對2及測量電極對3的軸向長度。

該兩相流分相含率電導(dǎo)式傳感器采用交流電壓激勵，測量對象為測量電 極對應(yīng)管區(qū)域的電阻。并基于傳感器模型給出敏感場，即傳感器橫截面的靈 敏度公式以及傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法。

由于優(yōu)化后的傳感器敏感區(qū)域靈敏度分布具有良好的均勻度，因此，流 經(jīng)傳感器的兩相流(氣/液兩相流或液/液兩相流)分相含率與測得的電阻值 具有良好的線性關(guān)系，經(jīng)標(biāo)定后可以達(dá)到較高的測量精度。