[發明專利]一種基于分布式電導傳感器的兩相流測量系統

有效

• 申請號: 201410033941.5
• 申請日: 2014-01-23
• 公開（公告）號: CN103760197A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 高忠科;金寧德;翟路生
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N27/08
• 分類號: G01N27/08
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

技術領域

本發明涉及一種兩相流檢測傳感器，特別是基于電導傳感器的測量系統。

背景技術

兩相流現象廣泛存在于石油工程、化學工程、冶金工程、核工程、航空與航天工程等傳統工業和新興工業領域中。兩相流是氣、液、固三相中任意兩相不相容物質的混合流動體系。由于兩相流中各成份之間存在著密度、粘度等物理性質上的差異，在流量、壓力、重力及管路形狀等諸多因素的影響下，導致兩相流參數測量十分困難。分相截面含率(相含率)是兩相流工業應用系統中一個重要的參數，它的精確測量對于生產過程的計量、控制和運行可靠性都具有重要的意義。

兩相流相含率測量技術主要包括超聲法，光學法，射線法，應用阻抗技術的電容和電導法等。由于電導傳感器具有原理清晰、結構簡單、響應穩定等諸多優點，已廣泛地應用于多相流參數測量中，在傳感器研發早期，多采用平板電極測量液膜厚度，為了避免傳感器對流型的擾動，嵌入垂直上升管道內壁的環形電極傳感器應運而生，例如環形電導傳感器、帶保護電極和溫度補償的對壁式環狀電導傳感器、環形和半環形電導傳感器、六電極陣列電導傳感器和八電極陣列電導傳感器等。

目前，測量垂直上升管道截面整體平均信息的對壁環形電導傳感器和測量空間整體信息的陣列式電導傳感器已不能夠滿足測量局部流動結構精確測取相含率的需求。已有的測量局部信息的電導探針傳感器，由于其電極較小，只能測量一個點的流體信息（如局部速度和濃度），輸出信號只有高低電平之分，包含的流動信息量少。單電容弦絲傳感器檢測范圍局限在測量電極附近極其微小的范圍之內，且插入式結構會對流場產生擾動，在非均勻、復雜流體的測量上具有局限性。

發明內容

本發明目的在于提供一種能夠在不擾動流場的前提下，盡可能多地捕捉垂直上升管道內流過的非均勻、復雜兩相流的局部流動信息而非僅僅是點或者線上的流體局部信息的兩相流測量系統。本發明提供的兩相流測量系統所采用的傳感器，可從局部流動信息研究兩相流的相間相互作用以及流型的形成、演化機制，并且此傳感器測量的數據能通過數據融合，在相含率測量方面有較好的效果。為實現上述目標，本發明的技術方案如下：

一種基于分布式電導傳感器的兩相流測量系統，所述測量系統包括數據采集裝置，四扇區分布式電導傳感器，正弦發生器，參考電阻，差分放大和信號調理電路，上位機，其中，

所述的傳感器包括一段由絕緣體制成的垂直上升管道和固定在垂直上升管道上的四對電極，每對電極均包括一個固定在垂直上升管道較上部位的激勵電極E和一個固定在垂直上升管道較下部位的測量電極M，四對電極中的每個電極包括一段弧形環，且每個電極的曲率與垂直上升管道的曲率一致，使得電極可平滑嵌入垂直上升管道的內壁面，四個激勵電極E位于垂直上升管道內的同一高度上，且彼此之間均勻間隔分布，呈非連續圓環狀，四個測量電極M位于垂直上升管道內、低于四個激勵電極E所在高度的同一高度上，且彼此之間也均勻間隔分布，呈非連續圓環狀，其中每對電極上下平行設置；每個電極還包括一段連接在所述弧形環上的柱形導體，伸出于垂直上升管道之外，用于信號的輸入與輸出；每個電極在垂直上升管道內的靈敏度區域為一個扇形。

所述數據采集裝置包括八個數據采集通道，四個激勵電極E通過參考電阻與正弦發生器連通，四個測量電極M接地，正弦發生器產生正弦交流信號，信號經過參考電阻和管道內混合流體后，攜帶了管道中流體流動信息，將參考電阻電壓V_ref和傳感器上電壓V_sen經過差分放大和信號調理電路后，將模擬信號輸送到所述數據采集裝置，進行采樣變為數字信號，并送入上位機，由上位機對自下而上流過垂直上升管道的流體進行分析和計算。

作為優選實施方式，各個電極嵌入垂直上升管道內壁面，電極表面與垂直上升管道內壁面平齊；

每個電極的弧形環對應的圓心角為電極張角，取值范圍為[30°，85°]，每個電極的弧形環的高度為電極高度，取值范圍為[2mm，4mm]，每對電極中的激勵電極E與測量電極M之間的間距為電極間距，取值范圍為[3mm，6mm]；所述四扇區分布式電導傳感器的最佳參數是：電極張角為45°，電極高度為4mm，電極間距為4mm；

電極由鈦合金制成，垂直上升管道由有機玻璃制成。

本發明的有益效果在于：(1)提供了基于一種四扇區分布式電導傳感器的兩相流測量系統，給出傳感器結構參數的取值范圍及傳感器的最佳結構；(2)本發明的兩相流測量系統，可測取非均勻、復雜流體的局部流動信息；(3)通過對所采用的分布式電導傳感器四扇區測量信號進行數據融合可獲得很好的相含率測量效果。