[發(fā)明專利]基于區(qū)間電容式傳感器的電力設(shè)備氣液兩相流體多參量在線監(jiān)測(cè)裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010577848.6
• 申請(qǐng)日: 2020-06-22
• 公開（公告）號(hào): CN111999572B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周湶;歐陽希;陳偉根;廖瑞金;李劍;羅振輝;王有元;杜林;熊小伏;王建;黃正勇;王飛鵬;萬福;譚亞雄
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R31/00
• 分類號(hào): G01R31/00;G01R31/52;G01D21/02
• 代理公司: 北京同恒源知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

1.一種基于區(qū)間電容式傳感器的電力設(shè)備氣液兩相流體多參量在線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于：包括區(qū)間電容極板及流體管道結(jié)構(gòu)；

所述區(qū)間電容極板及流體管道結(jié)構(gòu)包括絕緣管道、地電極、多個(gè)曲形極板；所述絕緣管道內(nèi)設(shè)有多個(gè)連接金屬支撐件的油流探頭，所述金屬支撐件通過絕緣管道內(nèi)側(cè)壁上的運(yùn)動(dòng)軌道帶動(dòng)油流探頭滑動(dòng)，所述運(yùn)動(dòng)軌道內(nèi)設(shè)有復(fù)位彈簧；所述油流探頭的側(cè)面設(shè)有多個(gè)V形極板；所述地電極設(shè)置在絕緣管道外，與彈簧連接；所述的多個(gè)曲形極板包裹在絕緣管道外側(cè)壁上，與多個(gè)V形極板一一對(duì)應(yīng)，構(gòu)成電容的正負(fù)極系統(tǒng)，所述的多個(gè)曲形極板共同連接于同一電壓源，并利用分布式微型電流傳感器獲取各模塊上流通的電容電流；

在絕緣管道外側(cè)包覆有金屬屏蔽罩，用于隔離外部信號(hào)對(duì)電容測(cè)量的影響，采用多點(diǎn)接地的方式設(shè)計(jì)出均勻等地平面；在絕緣管道兩端設(shè)有可調(diào)節(jié)尺寸的法蘭連接結(jié)構(gòu)，用于安裝在不同尺寸管道上；

還包括通信系統(tǒng)及電源系統(tǒng)，所述通信系統(tǒng)包括標(biāo)準(zhǔn)光纖接口、以太網(wǎng)接口及RS232/485接口、后端的連接線，利用中央處理器的DMA方式將存儲(chǔ)單元中信息直接傳輸至通信端口，匹配站內(nèi)IEC61850協(xié)議，實(shí)現(xiàn)裝置與站內(nèi)IDE設(shè)備、站內(nèi)通信服務(wù)器之間信息上傳、實(shí)時(shí)信息調(diào)用、遠(yuǎn)程控制；

所述電源系統(tǒng)包括外部電源供應(yīng)系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、數(shù)模隔離系統(tǒng)，通過整流回路、逆變變頻電路、穩(wěn)壓電路、濾波電路、多級(jí)分壓電路實(shí)現(xiàn)±5V、±3V數(shù)、模電源電壓、200Hz交流電壓的穩(wěn)定輸出，搭建電壓保護(hù)電路，避免大電壓作用下裝置造成損傷；并利用電池及穩(wěn)壓電路，滿足外部電源質(zhì)量差或故障條件下裝置電能持續(xù)供應(yīng)；通過較大的接地面及數(shù)模隔離電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源、模擬電源的隔離，避免信號(hào)之間的相互干擾，保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)完整性；

所述曲形極板與V形極板構(gòu)成模塊化電容，其電容大小表示為：

C_eq＝ε_eqK_eq (1)

K_eq＝K₀-K₁(|ΔL|)/L (3)

其中，C_eq為V形電容的等效電容值，V₁為氣體體積，V₂為油流體積，V_s為電容內(nèi)部總體積，ε_eq為等效介電常數(shù)，ε₁為氣體介電常數(shù)，ε₂為絕緣油介電常數(shù)，K_eq為等效電容形狀參量，K₀為無位移下基準(zhǔn)電容形狀參量，ΔL為電容的整體位移量，L為V形電容整體極板長度；

當(dāng)氣體進(jìn)入不同的V形電容區(qū)間時(shí)，將影響V₁的大小，進(jìn)一步導(dǎo)致區(qū)間電容的變化，即電容的變化反映為氣體體積的含量，即單個(gè)區(qū)間內(nèi)氣體體積V_1,i表示為：

其中，ΔC_eq為電容值變化值，通過測(cè)量電容電流的方式進(jìn)行運(yùn)算，n為區(qū)間化電容子區(qū)間數(shù)量，V₁為總氣體量；

從前-后電容的變化曲線判定出第i個(gè)區(qū)間內(nèi)氣體流過前-后裝置間距所花費(fèi)時(shí)間長度為T_1,i，根據(jù)長度折算關(guān)系，得出第i個(gè)區(qū)間內(nèi)部氣體流速為式子(6)：

v_air,i＝(L+L₁)/T_1,i (6)

其中，L₁為前-后電容結(jié)構(gòu)之間的距離；

在無位移條件下V形極板與外部曲面極板的面積對(duì)稱重合，電容有效面積為最大值S₀；當(dāng)油流直接作用于電容結(jié)構(gòu)前段圓弧端面時(shí)，將導(dǎo)致V形極板結(jié)構(gòu)整體向后平移位移ΔL，即表現(xiàn)為電容極板有效面積發(fā)生變化，其有效面積變化與平移位移位置ΔL之間存在正比關(guān)系；油流前端V形結(jié)構(gòu)整體向后平移ΔL，其大小與油流流速之間存在比例關(guān)系；而后端V形結(jié)構(gòu)由于前端結(jié)構(gòu)的阻礙作用，后端V形結(jié)構(gòu)并未發(fā)生位移，其模塊化電容變化只與流過區(qū)間內(nèi)氣體含量有關(guān)；通過互差法，獲取相同位置前-后V形極板電容差值為ΔC_eq-1，2-i，導(dǎo)出平均電容變化值min(ΔC_eq)為進(jìn)一步根據(jù)式(7)得出ΔL，其中油流流速根據(jù)式(8)得到：

v_oil＝a|ΔL| (8)

其中，v_oil為油流流速，a為位移-流速比例系數(shù)；

由于V形電容大小C_eq.i與電容電流I_i存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)式(9)得：

由于電源端電壓U₀保持不變，運(yùn)用多通道電流傳感器獲取各子模塊的瞬時(shí)電流信號(hào)，以得到各子模塊電容的瞬態(tài)變化值，并將該值作為評(píng)估內(nèi)部氣液兩相流多參數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；

針對(duì)于外部振動(dòng)擾動(dòng)，由于電容模塊設(shè)計(jì)及安裝時(shí)具有對(duì)稱性，兩者在同一外部振動(dòng)下將同時(shí)發(fā)生同向、同幅ΔL的位移，基于互差法的計(jì)算原理，同向-同幅振動(dòng)所帶來的位移量將被抵消掉，并不影響后面油速、氣體流速的計(jì)算結(jié)果，即剔除了外部振動(dòng)對(duì)于測(cè)量的干擾；針對(duì)于內(nèi)部油流涌動(dòng)干擾，考慮油流涌動(dòng)所造成的油壓變化具有周期的正-反方向上波動(dòng)特性，利用裝置獲取正-反方向上油速v_oil-p、v_oil-op，通過周期識(shí)別的方式獲取涌動(dòng)周期T，將v_oil-op油速進(jìn)行周期折算變化后，并通過正-反參量互差的方式剔除周期性油流涌動(dòng)所帶來的干擾，計(jì)算式如(10)：

v_oil＝v_oil-p-v_oil-op.e^-jT (10)。