一種基于分布式電導(dǎo)傳感器的兩相流測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于分布式電導(dǎo)傳感器的兩相流測量系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集裝置，四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器，正弦發(fā)生器，參考電阻，差分放大和信號調(diào)理電路和上位機(jī)。其中，四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器，包括垂直上升管道及四對電極，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(huán)，四個激勵電極E位于垂直上升管道內(nèi)的同一高度上，且彼此之間均勻間隔分布，四個測量電極M位于垂直上升管道內(nèi)、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，其中每對電極上下平行設(shè)置。本發(fā)明提供的基于分布式電導(dǎo)傳感器的兩相流測量系統(tǒng)，可測取非均勻、復(fù)雜流體的局部流動信息。
【專利說明】一種基于分布式電導(dǎo)傳感器的兩相流測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種兩相流檢測傳感器，特別是基于電導(dǎo)傳感器的測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]兩相流現(xiàn)象廣泛存在于石油工程、化學(xué)工程、冶金工程、核工程、航空與航天工程等傳統(tǒng)工業(yè)和新興工業(yè)領(lǐng)域中。兩相流是氣、液、固三相中任意兩相不相容物質(zhì)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(zhì)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(dǎo)致兩相流參數(shù)測量十分困難。分相截面含率(相含率)是兩相流工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中一個重要的參數(shù)，它的精確測量對于生產(chǎn)過程的計量、控制和運(yùn)行可靠性都具有重要的意義。
[0003]兩相流相含率測量技術(shù)主要包括超聲法，光學(xué)法，射線法，應(yīng)用阻抗技術(shù)的電容和電導(dǎo)法等。由于電導(dǎo)傳感器具有原理清晰、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用于多相流參數(shù)測量中，在傳感器研發(fā)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(nèi)壁的環(huán)形電極傳感器應(yīng)運(yùn)而生，例如環(huán)形電導(dǎo)傳感器、帶保護(hù)電極和溫度補(bǔ)償?shù)膶Ρ谑江h(huán)狀電導(dǎo)傳感器、環(huán)形和半環(huán)形電導(dǎo)傳感器、六電極陣列電導(dǎo)傳感器和八電極陣列電導(dǎo)傳感器等。
[0004]目前，測量垂直上升管道截面整體平均信息的對壁環(huán)形電導(dǎo)傳感器和測量空間整體信息的陣列式電導(dǎo)傳感器已不能夠滿足測量局部流動結(jié)構(gòu)精確測取相含率的需求。已有的測量局部信息的電導(dǎo)探針傳感器，由于其電極較小，只能測量一個點(diǎn)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(nèi)，且插入式結(jié)構(gòu)會對流場產(chǎn)生擾動，在非均勻、復(fù)雜流體的測量上具有局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)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(nèi)流過的非均勻、復(fù)雜兩相流的局部流動信息而非僅僅是點(diǎn)或者線上的流體局部信息的兩相流測量系統(tǒng)。本發(fā)明提供的兩相流測量系統(tǒng)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(jī)制，并且此傳感器測量的數(shù)據(jù)能通過數(shù)據(jù)融合，在相含率測量方面有較好的效果。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]一種基于分布式電導(dǎo)傳感器的兩相流測量系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集裝置，四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器，正弦發(fā)生器，參考電阻，差分放大和信號調(diào)理電路，上位機(jī)，其中，
[0007]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(huán)，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(nèi)壁面，四個激勵電極E位于垂直上升管道內(nèi)的同一高度上，且彼此之間均勻間隔分布，呈非連續(xù)圓環(huán)狀，四個測量電極M位于垂直上升管道內(nèi)、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(xù)圓環(huán)狀，其中每對電極上下平行設(shè)置；每個電極還包括一段連接在所述弧形環(huán)上的柱形導(dǎo)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(nèi)的靈敏度區(qū)域?yàn)橐粋€扇形。
[0008]所述數(shù)據(jù)采集裝置包括八個數(shù)據(jù)采集通道，四個激勵電極E通過參考電阻與正弦發(fā)生器連通，四個測量電極M接地，正弦發(fā)生器產(chǎn)生正弦交流信號，信號經(jīng)過參考電阻和管道內(nèi)混合流體后，攜帶了管道中流體流動信息，將參考電阻電壓VMf和傳感器上電壓Vsm經(jīng)過差分放大和信號調(diào)理電路后，將模擬信號輸送到所述數(shù)據(jù)采集裝置，進(jìn)行采樣變?yōu)閿?shù)字信號，并送入上位機(jī)，由上位機(jī)對自下而上流過垂直上升管道的流體進(jìn)行分析和計算。
[0009]作為優(yōu)選實(shí)施方式，各個電極嵌入垂直上升管道內(nèi)壁面，電極表面與垂直上升管道內(nèi)壁面平齊；
[0010]每個電極的弧形環(huán)對應(yīng)的圓心角為電極張角，取值范圍為[30° ,85° ]，每個電極的弧形環(huán)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(qū)分布式電導(dǎo)傳感器的最佳參數(shù)是:電極張角為45°，電極高度為4mm，電極間距為4mm ；
[0011]電極由鈦合金制成，垂直上升管道由有機(jī)玻璃制成。
[0012]本發(fā)明的有益效果在于:(I)提供了基于一種四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器的兩相流測量系統(tǒng)，給出傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍及傳感器的最佳結(jié)構(gòu)；(2)本發(fā)明的兩相流測量系統(tǒng)，可測取非均勻、復(fù)雜流體的局部流動信息；(3)通過對所采用的分布式電導(dǎo)傳感器四扇區(qū)測量信號進(jìn)行數(shù)據(jù)融合可獲得很好的相含率測量效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明采用的四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器結(jié)構(gòu)圖，Ca)為立體圖，(b)為有電極的截面的截面圖，(C)為正視圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器有限元剖分結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖3為本發(fā)明的四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器總靈敏度和扇區(qū)靈敏度計算示意圖；
[0016]圖4為本發(fā)明的四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器測量系統(tǒng)示意圖；
[0017]圖5為本發(fā)明的四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器垂直氣液兩相流相含率測量版圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的測量系統(tǒng)及所采用的四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器的結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法加以說明。
[0019]如圖1所示，四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器，包括垂直上升管道管道和安裝在垂直上升管道管道上的四對電極Ea、Ma, Eb、Mb, Ec, Mc和Ed、Md，每對電極均包括一個安裝在垂直上升管道管道上端的激勵電極E (Ea、Eb、Ec或Ed)和一個安裝在垂直上升管道管道下端的測量電極M (MA、MB、MC* MD)，四對電極中的每個電極包括一段弧形環(huán)，對應(yīng)的圓心角為Θ，且每個電極的曲率與垂直上升管道管道的曲率一致，使得電極可平滑嵌入垂直上升管道管道的內(nèi)壁面，四個激勵電極E位于垂直上升管道管道內(nèi)的同一高度上，且彼此之間均勻間隔分布，呈非連續(xù)圓環(huán)狀，四個測量電極M位于垂直上升管道管道內(nèi)、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(xù)圓環(huán)狀，其中每對電極上下平行設(shè)置；
[0020]每個電極還包括一段連接在所述弧形環(huán)上的柱形導(dǎo)體，用于信號的輸入與輸出，其長度可根據(jù)垂直上升管道的厚度來確定，伸出垂直上升管道外可連接導(dǎo)線即可；每個電極在垂直上升管道內(nèi)的靈敏度區(qū)域?yàn)橐粋€扇形，每個電極呈T型，由鈦合金制成。
[0021]垂直上升管道管道由有機(jī)玻璃制成，電極由環(huán)氧樹脂AB膠粘合，嵌入垂直上升管道內(nèi)壁面，電極表面與垂直上升管道內(nèi)壁面平齊，其中每個電極的厚度為0.002m，每個電極的弧形環(huán)對應(yīng)的圓心角為電極張角，取值范圍為[30° ,85° ]，每個電極的弧形環(huán)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]。
[0022]對四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器進(jìn)行優(yōu)化時，首先構(gòu)建四扇區(qū)電導(dǎo)傳感器優(yōu)化設(shè)計模型。
[0023]本發(fā)明采用有限元方法，利用仿真軟件ANSYS建立四扇區(qū)電導(dǎo)傳感器模型，如圖
2所示。建模時，設(shè)定垂直上升管道內(nèi)徑D = 0.02m,電極厚度T = 0.002m，垂直上升管道長度L = 0.2m，電極高度H，電極張角Θ，激勵電極與測量電極間距D，水相電阻率Sw =1000 Ω.πι，電極電阻率O s = 1.7241θ-8Ω.m。采用自由剖分方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加載荷時采用恒流激勵，在激勵電極EA、Eb、Ec, Ed上施加0.1mA電流，測量電極MA、MB、Mc, Md上施加電流-0.1mA，將測量電極電壓值設(shè)置為0V。
[0024]四扇區(qū)電導(dǎo)傳感器的優(yōu)化目標(biāo)為:四對電極在各自的區(qū)域內(nèi)有相對高的靈敏度，同時四對電極之間電場擾動最小。電極的幾何參數(shù)對傳感器電場強(qiáng)度分布有重要影響，為達(dá)到傳感器的優(yōu)化目標(biāo)，在利用ANSYS建模時,在模型中放入一個半徑Imm的小球,模擬氣泡/油滴運(yùn)動。小球處于不同位置時，激勵電極的電壓也跟隨變化，因此可通過激勵電極變化的電壓反映電導(dǎo)傳感器的靈敏度。由于四對電極在幾何結(jié)構(gòu)上具有對稱性，因此同時給四對電極施加電流信號后，只通過仿真考察其中一對電極的輸出電壓對小球的響應(yīng)，即只研究一對電極的靈敏度。小球每變換一個坐標(biāo)，可計算得到在該坐標(biāo)的靈敏度值。將小球的坐標(biāo)遍歷垂直上升管道截面所有位置，得到該對電極的靈敏度分布圖。
[0025]定義S(i)為氣泡/油滴在第i個位置時電導(dǎo)傳感器的靈敏度，表達(dá)式為:
[0026]
【權(quán)利要求】
1.一種基于分布式電導(dǎo)傳感器的兩相流測量系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集裝置，四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器，正弦發(fā)生器，參考電阻，差分放大和信號調(diào)理電路，上位機(jī)，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(huán)，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(nèi)壁面，四個激勵電極E位于垂直上升管道內(nèi)的同一高度上，且彼此之間均勻間隔分布，呈非連續(xù)圓環(huán)狀，四個測量電極M位于垂直上升管道內(nèi)、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(xù)圓環(huán)狀，其中每對電極上下平行設(shè)置；每個電極還包括一段連接在所述弧形環(huán)上的柱形導(dǎo)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(nèi)的靈敏度區(qū)域?yàn)橐粋€扇形。 所述數(shù)據(jù)采集裝置包括八個數(shù)據(jù)采集通道，四個激勵電極E通過參考電阻與正弦發(fā)生器連通，四個測量電極M接地，正弦發(fā)生器產(chǎn)生正弦交流信號，信號經(jīng)過參考電阻和管道內(nèi)混合流體后，攜帶了管道中流體流動信息，將參考電阻電壓VMf和傳感器上電壓Vsm經(jīng)過差分放大和信號調(diào)理電路后，將模擬信號輸送到所述數(shù)據(jù)采集裝置，進(jìn)行采樣變?yōu)閿?shù)字信號，并送入上位機(jī)，由上位機(jī)對自下而上流過垂直上升管道的流體進(jìn)行分析和計算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分布式電導(dǎo)傳感器的兩相流測量系統(tǒng)，其特征在于，各個電極嵌入垂直上升管道內(nèi)壁面，電極表面與垂直上升管道內(nèi)壁面平齊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分布式電導(dǎo)傳感器的兩相流測量系統(tǒng)，其特征在于，每個電極的弧形環(huán)對應(yīng)的圓心角為電極張角，取值范圍為[30° ,85° ]，每個電極的弧形環(huán)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]。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器的最佳參數(shù)是，電極張角為45°，電極高度為4mm，電極間距為4mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，電極由鈦合金制成，垂直上升管道由有機(jī)玻璃制成。
【文檔編號】G01N27/08GK103760197SQ201410033941
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】高忠科, 金寧德, 翟路生 申請人:天津大學(xué)