專利名稱：一種兩相流分相含率電導式傳感器及其結構參數(shù)優(yōu)化方法
技術領域：
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式傳感器及 其結構參數(shù)優(yōu)化方法。
背景技術：
分相含率是兩相流在線實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。由于電學方法具有非侵入式測量、響應快速、安全 可靠、成本低、易于安裝、牢固耐用等優(yōu)點，因而適于工業(yè)上在線應用。當 管道內流體組分發(fā)生變化時，相應的電學參數(shù)發(fā)生變化，通過配置于管道內 壁或外壁的一組電極陣列，測量流體組分變化引起的電學信號的變化，根據(jù) 測量極板間的電學測量值，計算得到管道內的相濃度。但是，兩相流動過程 十分復雜，傳感器內固相分布不均勻，流型變化快；同時由于電學傳感器的 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 布的不均勻性將導致測量結果不僅與分相濃度有關，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)應用設計的兩相流分相含率電導式傳感器，其電極陣列一 般與被測物質接觸，當被研究對象中不導電物質成分較多時，測量電極與非 導電物質接觸，造成測量電極浮空，從而容易導致電阻/電導測量電路飽和， 限制了其測量范圍與精度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對兩相流在線實時測量中存在的問題，提供一種兩相 流分相含率電導式傳感器及其結構參數(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，給出相應的靈敏場分布表達式以及傳感器結構參數(shù)優(yōu)化方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是提供一種兩相流分相含率電 導式傳感器，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電環(huán)層1，所述激勵電極對2和測量電極 對3附著于導電環(huán)層1上；所述激勵電極對2和測量電極對3相對于導電環(huán)
層1徑向上對稱設置，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構參數(shù)優(yōu)化方法。 本發(fā)明的有益效果是針對兩相流在線實時測量，克服了傳統(tǒng)電導式傳感 器中測量電極與非導電物質接觸，造成測量電極浮空的缺點。且具有如下優(yōu)
點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靈敏 度分布的表達式，并進行結構參數(shù)的快速優(yōu)化。


圖1為本發(fā)明的電導式傳感器結構的任一截面圖； 圖2為本發(fā)明的電導式傳感器電極的立體分布圖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、導電環(huán)層 2、激勵電極對
3、 測量電極對
具體實施例方式
結合附圖及實施例對本發(fā)明的一種兩相流分相含率電導式傳感器及其結構參數(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相對于導電環(huán) 層1徑向上對稱設置，并按180度角螺旋分布。圖1表示了該結構在該兩相 流分相含率電導式傳感器的橫截面，其由導電環(huán)層1及附著于其上的電極陣 列構成，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對稱 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式傳感器采用交流電壓激勵，測量對象為測量電 極對應管區(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構參數(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 具有良好的線性關系，經(jīng)標定后可以達到較高的測量精度。
如圖3所示，以氣/液兩相流為例，仿真計算得的層流的液相含率和電 阻值具有良好的線性關系。標定后的相對測量誤差小于2.8%，如圖4所示。
基于本發(fā)明電導式傳感器結構參數(shù)優(yōu)化方法如下
a.傳感器橫截面上，任意一點靈敏度計算
在傳感器同一橫截面上，相對于初始電極分布，逆時針旋轉角度為A的 激勵電極，與逆時針旋轉角度為^的測量電極共同作用下，橫截面位置z點 處的靈敏度S(z)的計算公式為式中z-x + "為傳感器橫截面上二維坐標的復數(shù)表示，其中"Y分
別為傳感器橫截面上二維坐標的橫坐標和縱坐標；^;為在相對于初始 電極分布，逆時針旋轉角度為A的激勵電極，與逆時針旋轉角度為A的測
量電極共同作用下，位置":c +力處電場強度的共軛函數(shù)；
^;為在相對于初始電極分布，逆時針旋轉角度為A的激勵電極，與
逆時針旋轉角度為A的測量電極共同作用下，位置z-x + ^處電場強度的共 軛函數(shù)；W為流經(jīng)激勵電極的電流；
和的點乘運算為內積運算； b.計算整個傳感器內，靈敏度在二維橫截面上的平均值
由于在整個傳感器內，靈敏度在二維橫截面上的平均值&(z)能夠反映空
間電極陣列的空間濾波能力，利用這種性質降低檢測信號對位置的依賴，敏
感區(qū)域z點處對應軸向方向上，相含率的靈敏度公式為
2 2 2 ^俱
式中z-x + "為傳感器橫截面上二維坐標的復數(shù)表示，其中"y分
別為傳感器橫截面上二維坐標的橫坐標和縱坐標；^s;為在相對于初始
電極分布，逆時針旋轉角度為^的激勵電極對，與逆時針旋轉角度為A的 測量電極對的共同作用下，位置"x + ^處電場強度的共軛函數(shù)；
^:為在相對于初始電極分布，逆時針旋轉角度為^的激勵電極對， 與逆時針旋轉角度為A的測量電極對的共同作用下，位置z-;c + ^處電場強
度的共軛函數(shù)；必為流經(jīng)激勵電極的電流；
和的點乘運算為內積運算；
C.計算描述靈敏場分布的均勻度參數(shù)iVt/優(yōu)化時對結構參數(shù)進行歸一化處理，令r,l，則^:^/A; 根據(jù)下式
咒——版(^(z))!桐-M"0))|z—2 一 M"0》|z|￡,2
式中^為取導電環(huán)層1的內徑，z二;c + y/為傳感器橫截面上二維坐標 的復數(shù)表示；Mzx(^(z))i^為測量區(qū)域(k|《r2)內靈敏度的最大值， ^"(Sp(z))^。為測量區(qū)域(|z|^r2)內靈敏度的最小值。
d.通過數(shù)值尋優(yōu)，計算得到優(yōu)化的結構參數(shù)
在導電環(huán)層1的電導率cr,，傳感器敏感場區(qū)域為一種均勻物質時的電導 率 ，導電環(huán)層l的內徑與外徑的比值^，測量電極對3和激勵電極對2的 張角參數(shù)部分已知的情況下，對均勻度參數(shù)W進行數(shù)值尋優(yōu)，可計算得未 知參數(shù)的優(yōu)化值。
上述結構參數(shù)優(yōu)化方法中計算的理論基礎為
(1) 靜態(tài)電場方程
▽ (<7(Z)V^>)) = 0
其中，cr(z)代表復數(shù)z-;c + W所代表的位置對應的電導率，p(力代表復數(shù) z"+^所代表的位置對應的電勢。
(2) 傳感器數(shù)學模型
所述螺旋式導電環(huán)傳感器，由電導率為C7,的導電環(huán)層1和配置于其外側
的4個18(T螺旋形電極構成，假定測量區(qū)域的電導率為q，則其某一的橫截
面可表示為附圖1。其中，黑色圓點表示配置于導電環(huán)層1上的螺旋形電極， 如立體圖附圖2。在橫截面上，激勵電極對中電極A和^對應的圓心角分別
為"和-a。橫截面上電流必從圓心角"處的電極^流入，從圓心角-"處的
電極￡2流出，通過測量電極對M,和M2上的電壓差t/獲取管截面的體積含率。激勵電極和測量電極在橫截面上的投影逆時針同步旋轉時，每個電極的旋轉 角度為/ 。每個截面上對應的電流為W，整個激勵電極上對應的電流為
L// = /，實際測量中，由于測量值是集總參數(shù)，即互電導(7=* = ^或者互
電阻/ =^，且激勵電極對本身為等勢體，因此，電流分布在螺旋線方向上 可認為均勻分布。
根據(jù)共形變換理論，任意圓域均可作為單位圓處理，不妨令〃1=1。由于 導電環(huán)層l(r2<|z|</!)和測量區(qū)域(lzH;。)均是均勻物質分布，因此整個傳 感器區(qū)域(Iz|<^)滿足Laplace方程。
△ p(z) = 0
設傳感器敏感場橫截面中滿足的復勢函數(shù)為
/20) = ^20)+'>20)
其中x， y分別為傳感器橫截面上二維坐標的橫坐標和縱坐標； 2 = ^ + >^為傳感器橫截面上二維坐標的復數(shù)表示，實部^(》表示電勢函數(shù)， 虛部&(z)表示電力線函數(shù)；
傳感器導電環(huán)橫截面中滿足的復勢函數(shù)為
其中實部伊,(z)表示電勢函數(shù)，虛部^(z)表示電力線函數(shù)。 根據(jù)連續(xù)性邊界條件
優(yōu)化時對結構參數(shù)進行歸一化處理，令r,-l，則r2-^/^?？梢郧蠼?得到解析函數(shù)/2(力的表達式，并根據(jù)電場強度的共軛函數(shù)的計算公式<formula>formula see original document page 11</formula>
當激勵電極和測量電極在橫截面上的投影逆時針同步旋轉/ 時，橫截面 上對應的測量區(qū)域(lzl《^)內的電場強度的共軛函數(shù)可以表示為式
式中，z二x + y/為傳感器橫截面上二維坐標的復數(shù)表示，x， }分別為
傳感器橫截面上二維坐標的橫坐標和縱坐標；r,為導電環(huán)層1的內徑與外徑
的比值；^和o^分別為傳感器敏感場區(qū)域為一種均勻物質時的電導率和導電
環(huán)層l的電導率；"/為流經(jīng)激勵電極對上的電流；a為激勵電極對之間夾角 的1/2。
以上對本發(fā)明及其實施例的描述，并不局限于此，附圖中所示僅是本發(fā) 明的實施方式之一。在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性地設計 出與該技術方案類似的結構或實施例，均屬本發(fā)明保護范圍。
權利要求
1、一種兩相流分相含率電導式傳感器，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，其特征是該傳感器還包括有導電環(huán)層(1)，所述激勵電極對(2)和測量電極對(3)附著于導電環(huán)層(1)上；所述激勵電極對(2)和測量電極對(3)相對于導電環(huán)層(1)徑向上對稱設置，并按180度角螺旋分布。
2、 根據(jù)權利要求1所述的傳感器，其特征是所述激勵電極對(2)和測量電極對(3)中的電極，其寬對應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。
3、 根據(jù)權利要求1所述的傳感器，其特征是所述激勵電極對(2)及測量電極對(3)的軸向長度相同。
4、 根據(jù)權利要求1所述的傳感器，其特征是所述導電環(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。
5、 一種基于上述傳感器的結構參數(shù)優(yōu)化方法，該方法包括以下步驟a.所述傳感器橫截面上，任意一點靈敏度計算在所述傳感器同一橫截面上，相對于初始電極分布，逆時針旋轉角度為 A的激勵電極對，與逆時針旋轉角度為A的測量電極對的共同作用下，橫截面位置Z點處的靈敏度的計算公式為:式中z-x + ;;/為傳感器橫截面上二維坐標的復數(shù)表示，其中"少分別為傳感器橫截面上二維坐標的橫坐標和縱坐標；為在相對于初始電極分布，逆時針旋轉角度為/ ￡的激勵電極對，與逆時針旋轉角度為^的測量電極對的共同作用下，位置z-x +力處電場強度的共軛函數(shù)；:^;為在相對于初始電極分布，逆時針旋轉角度為^的激勵電極對，與逆時針旋轉角度為A的測量電極對的共同作用下，位置z-X + "處電場強 度的共軛函數(shù)；必為流經(jīng)激勵電極的電流；^!^;和:^^;的點乘運算為內積運算；b.計算整個傳感器內，靈敏度在二維橫截面上的平均值由于在整個傳感器內，靈敏度在二維橫截面上的平均值&(z)能夠反映空間電極陣列的空間濾波能力，利用這種性質降低檢測信號對位置的依賴，敏感區(qū)域z點處對應軸向方向上，相含率的靈敏度公式為<formula>formula see original document page 3</formula>式中z-x +刀為傳感器橫截面上二維坐標的復數(shù)表示，其中;c， y分 別為傳感器橫截面上二維坐標的橫坐標和縱坐標；為在相對干初始— 廣t電極分布，逆時針旋轉角度為A的激勵電極對，與逆時針旋轉角度為^的 測量電極對的共同作用下，位置2 = 1 + ^處電場強度的共軛函數(shù);^;為在相對于初始電極分布，逆時針旋轉角度為&的激勵電極對，與逆時針旋轉角度為A的測量電極對的共同作用下，位置z-x +力處電場強度的共軛函數(shù)；必為流經(jīng)激勵電極的電流； 和的點乘運算為內積運算； C.計算描述靈敏場分布的均勻度參數(shù)JVt/ 優(yōu)化時對結構參數(shù)進行歸一化處理，令^=1，則。=,2/^ 根據(jù)下式<formula>formula see original document page 3</formula>式中^為取導電環(huán)層(1)的內徑，2 =義+ ^'為傳感器橫截面上二維 坐標的復數(shù)表示；Mox(^(z))^2為測量區(qū)域(|z|^r2)內靈敏度的最大值，M/"(5^(z))i標為觀!l量區(qū)域(I z |《r2 )內靈敏度的最小值； d.通過數(shù)值尋優(yōu)，計算得到優(yōu)化的結構參數(shù)在導電環(huán)層(1)的電導率。，傳感器敏感場區(qū)域為一種均勻物質時的 電導率^，導電環(huán)層(1)的內徑與外徑的比值^，測量電極對(3)和激勵電極對(2)的張角參數(shù)部分己知的情況下，對均勻度參數(shù)W進行數(shù)值尋優(yōu)，能夠計算得未知參數(shù)的優(yōu)化值。
全文摘要
本發(fā)明提供一種兩相流分相含率電導式傳感器，該傳感器由導電環(huán)層及附著于其上激勵電極對和測量電極對構成，激勵電極和測量電極在導電環(huán)層的管壁上徑向對稱按180度角螺旋分布。同時還提供一種基于上述傳感器結構的結構參數(shù)優(yōu)化方法。本發(fā)明的有益效果是針對兩相流相含率實時測量，克服了傳統(tǒng)電導式傳感器中測量電極與非導電物質接觸，造成測量電極浮空的缺點，提供一種電導式電學傳感器，基于其解析模型，給出二維傳感器橫截面上任一點靈敏度分布的表達式，可進行結構參數(shù)的快速優(yōu)化。屬于非侵入式快速測量，測量范圍拓寬，造價低。
文檔編號G01N27/08GK101419180SQ20081015374
公開日2009年4月29日 申請日期2008年12月4日 優(yōu)先權日2008年12月4日
發(fā)明者章 曹, 王化祥 申請人:天津大學