專(zhuān)利名稱(chēng)：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
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)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(shí)測(cè)量的一個(gè)重要參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)和石油輸 送過(guò)程中具有重要意義。由于電學(xué)方法具有非侵入式測(cè)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(shí)，相應(yīng)的電學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，通過(guò)配置于管道內(nèi) 壁或外壁的一組電極陣列，測(cè)量流體組分變化引起的電學(xué)信號(hào)的變化，根據(jù) 測(cè)量極板間的電學(xué)測(cè)量值，計(jì)算得到管道內(nèi)的相濃度。但是，兩相流動(dòng)過(guò)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(shí)由于電學(xué)傳感器的 檢測(cè)場(chǎng)屬于'軟場(chǎng)'，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(cè)量結(jié)果不僅與分相濃度有關(guān)，而且其測(cè)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(jì)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(cè)物質(zhì)接觸，當(dāng)被研究對(duì)象中不導(dǎo)電物質(zhì)成分較多時(shí)，測(cè)量電極與非 導(dǎo)電物質(zhì)接觸，造成測(cè)量電極浮空，從而容易導(dǎo)致電阻/電導(dǎo)測(cè)量電路飽和， 限制了其測(cè)量范圍與精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)兩相流在線實(shí)時(shí)測(cè)量中存在的問(wèn)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(guò)非接觸式測(cè)量，避免 了測(cè)量電極的浮空，進(jìn)而拓展分相含率測(cè)量范圍；并基于該傳感器的解析模型，給出相應(yīng)的靈敏場(chǎng)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(lì)電極對(duì)和測(cè)量電 極對(duì)，其中該傳感器還包括有導(dǎo)電環(huán)層1，所述激勵(lì)電極對(duì)2和測(cè)量電極 對(duì)3附著于導(dǎo)電環(huán)層1上；所述激勵(lì)電極對(duì)2和測(cè)量電極對(duì)3相對(duì)于導(dǎo)電環(huán)
層1徑向上對(duì)稱(chēng)設(shè)置，并按180度角螺旋分布。
同時(shí)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(duì)兩相流在線實(shí)時(shí)測(cè)量，克服了傳統(tǒng)電導(dǎo)式傳感 器中測(cè)量電極與非導(dǎo)電物質(zhì)接觸，造成測(cè)量電極浮空的缺點(diǎn)。且具有如下優(yōu)
點(diǎn)1.非接觸式測(cè)量，避免了測(cè)量電極的浮空，使測(cè)量范圍拓寬，測(cè)量快 速且造價(jià)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。


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3為本發(fā)明的傳感器測(cè)得的電阻值和氣/液兩相流層流液相濃度的測(cè) 量值與擬和值圖表；
圖4為本發(fā)明的傳感器測(cè)得的氣/液兩相流層流液相濃度的測(cè)量值與擬 和值的相對(duì)誤差圖表。
圖中
1、導(dǎo)電環(huán)層 2、激勵(lì)電極對(duì)
3、 測(cè)量電極對(duì)
具體實(shí)施例方式
結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)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(shuō)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(lì)電極對(duì)和測(cè)量電極對(duì)，所述激勵(lì)電極對(duì)2和測(cè)量電極
對(duì)3附著于導(dǎo)電環(huán)層1上。所述激勵(lì)電極對(duì)2和測(cè)量電極對(duì)3相對(duì)于導(dǎo)電環(huán) 層1徑向上對(duì)稱(chēng)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(lì)電極對(duì)2和測(cè)量電極對(duì)3在兩相流管路的管壁上徑向?qū)ΨQ(chēng) 按180度角螺旋分布。所述激勵(lì)電極對(duì)2和測(cè)量電極對(duì)3中的電極，其寬對(duì) 應(yīng)的橫截面圓心角小于5度，以利于提高電壓測(cè)量的空間分辨率。激勵(lì)電極 對(duì)2及測(cè)量電極對(duì)3的軸向長(zhǎng)度相同，導(dǎo)電環(huán)層1的軸向長(zhǎng)度大于或等于激 勵(lì)電極對(duì)2及測(cè)量電極對(duì)3的軸向長(zhǎng)度。
該兩相流分相含率電導(dǎo)式傳感器采用交流電壓激勵(lì)，測(cè)量對(duì)象為測(cè)量電 極對(duì)應(yīng)管區(qū)域的電阻。并基于傳感器模型給出敏感場(chǎng)，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(cè)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(cè)量精度。
如圖3所示，以氣/液兩相流為例，仿真計(jì)算得的層流的液相含率和電 阻值具有良好的線性關(guān)系。標(biāo)定后的相對(duì)測(cè)量誤差小于2.8%，如圖4所示。
基于本發(fā)明電導(dǎo)式傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法如下
a.傳感器橫截面上，任意一點(diǎn)靈敏度計(jì)算
在傳感器同一橫截面上，相對(duì)于初始電極分布，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為A的 激勵(lì)電極，與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為^的測(cè)量電極共同作用下，橫截面位置z點(diǎn) 處的靈敏度S(z)的計(jì)算公式為式中z-x + "為傳感器橫截面上二維坐標(biāo)的復(fù)數(shù)表示，其中"Y分
別為傳感器橫截面上二維坐標(biāo)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；^;為在相對(duì)于初始 電極分布，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為A的激勵(lì)電極，與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為A的測(cè)
量電極共同作用下，位置":c +力處電場(chǎng)強(qiáng)度的共軛函數(shù)；
^;為在相對(duì)于初始電極分布，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為A的激勵(lì)電極，與
逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為A的測(cè)量電極共同作用下，位置z-x + ^處電場(chǎng)強(qiáng)度的共 軛函數(shù)；W為流經(jīng)激勵(lì)電極的電流；
和的點(diǎn)乘運(yùn)算為內(nèi)積運(yùn)算； b.計(jì)算整個(gè)傳感器內(nèi)，靈敏度在二維橫截面上的平均值
由于在整個(gè)傳感器內(nèi)，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(zhì)降低檢測(cè)信號(hào)對(duì)位置的依賴，敏
感區(qū)域z點(diǎn)處對(duì)應(yīng)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(biāo)的復(fù)數(shù)表示，其中"y分
別為傳感器橫截面上二維坐標(biāo)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；^s;為在相對(duì)于初始
電極分布，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為^的激勵(lì)電極對(duì)，與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為A的 測(cè)量電極對(duì)的共同作用下，位置"x + ^處電場(chǎng)強(qiáng)度的共軛函數(shù)；
^:為在相對(duì)于初始電極分布，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為^的激勵(lì)電極對(duì)， 與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為A的測(cè)量電極對(duì)的共同作用下，位置z-;c + ^處電場(chǎng)強(qiáng)
度的共軛函數(shù)；必為流經(jīng)激勵(lì)電極的電流；
和的點(diǎn)乘運(yùn)算為內(nèi)積運(yùn)算；
C.計(jì)算描述靈敏場(chǎng)分布的均勻度參數(shù)iVt/優(yōu)化時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)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(dǎo)電環(huán)層1的內(nèi)徑，z二;c + y/為傳感器橫截面上二維坐標(biāo) 的復(fù)數(shù)表示；Mzx(^(z))i^為測(cè)量區(qū)域(k|《r2)內(nèi)靈敏度的最大值， ^"(Sp(z))^。為測(cè)量區(qū)域(|z|^r2)內(nèi)靈敏度的最小值。
d.通過(guò)數(shù)值尋優(yōu)，計(jì)算得到優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)
在導(dǎo)電環(huán)層1的電導(dǎo)率cr,，傳感器敏感場(chǎng)區(qū)域?yàn)橐环N均勻物質(zhì)時(shí)的電導(dǎo) 率 ，導(dǎo)電環(huán)層l的內(nèi)徑與外徑的比值^，測(cè)量電極對(duì)3和激勵(lì)電極對(duì)2的 張角參數(shù)部分已知的情況下，對(duì)均勻度參數(shù)W進(jìn)行數(shù)值尋優(yōu)，可計(jì)算得未 知參數(shù)的優(yōu)化值。
上述結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法中計(jì)算的理論基礎(chǔ)為
(1) 靜態(tài)電場(chǎng)方程
▽ (<7(Z)V^>)) = 0
其中，cr(z)代表復(fù)數(shù)z-;c + W所代表的位置對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率，p(力代表復(fù)數(shù) z"+^所代表的位置對(duì)應(yīng)的電勢(shì)。
(2) 傳感器數(shù)學(xué)模型
所述螺旋式導(dǎo)電環(huán)傳感器，由電導(dǎo)率為C7,的導(dǎo)電環(huán)層1和配置于其外側(cè)
的4個(gè)18(T螺旋形電極構(gòu)成，假定測(cè)量區(qū)域的電導(dǎo)率為q，則其某一的橫截
面可表示為附圖1。其中，黑色圓點(diǎn)表示配置于導(dǎo)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(lì)電極對(duì)中電極A和^對(duì)應(yīng)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(guò)測(cè)量電極對(duì)M,和M2上的電壓差t/獲取管截面的體積含率。激勵(lì)電極和測(cè)量電極在橫截面上的投影逆時(shí)針同步旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)電極的旋轉(zhuǎn) 角度為/ 。每個(gè)截面上對(duì)應(yīng)的電流為W，整個(gè)激勵(lì)電極上對(duì)應(yīng)的電流為
L// = /，實(shí)際測(cè)量中，由于測(cè)量值是集總參數(shù)，即互電導(dǎo)(7=* = ^或者互
電阻/ =^，且激勵(lì)電極對(duì)本身為等勢(shì)體，因此，電流分布在螺旋線方向上 可認(rèn)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(dǎo)電環(huán)層l(r2<|z|</!)和測(cè)量區(qū)域(lzH;。)均是均勻物質(zhì)分布，因此整個(gè)傳 感器區(qū)域(Iz|<^)滿足Laplace方程。
△ p(z) = 0
設(shè)傳感器敏感場(chǎng)橫截面中滿足的復(fù)勢(shì)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(biāo)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)； 2 = ^ + >^為傳感器橫截面上二維坐標(biāo)的復(fù)數(shù)表示，實(shí)部^(》表示電勢(shì)函數(shù)， 虛部&(z)表示電力線函數(shù)；
傳感器導(dǎo)電環(huán)橫截面中滿足的復(fù)勢(shì)函數(shù)為
其中實(shí)部伊,(z)表示電勢(shì)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(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，令r,-l，則r2-^/^。可以求解 得到解析函數(shù)/2(力的表達(dá)式，并根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度的共軛函數(shù)的計(jì)算公式<formula>formula see original document page 11</formula>
當(dāng)激勵(lì)電極和測(cè)量電極在橫截面上的投影逆時(shí)針同步旋轉(zhuǎn)/ 時(shí)，橫截面 上對(duì)應(yīng)的測(cè)量區(qū)域(lzl《^)內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)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(biāo)的復(fù)數(shù)表示，x， }分別為
傳感器橫截面上二維坐標(biāo)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；r,為導(dǎo)電環(huán)層1的內(nèi)徑與外徑
的比值；^和o^分別為傳感器敏感場(chǎng)區(qū)域?yàn)橐环N均勻物質(zhì)時(shí)的電導(dǎo)率和導(dǎo)電
環(huán)層l的電導(dǎo)率；"/為流經(jīng)激勵(lì)電極對(duì)上的電流；a為激勵(lì)電極對(duì)之間夾角 的1/2。
以上對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施例的描述，并不局限于此，附圖中所示僅是本發(fā) 明的實(shí)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(shè)計(jì) 出與該技術(shù)方案類(lèi)似的結(jié)構(gòu)或?qū)嵤├鶎俦景l(fā)明保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、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(lì)電極對(duì)和測(cè)量電極對(duì)，其特征是該傳感器還包括有導(dǎo)電環(huán)層(1)，所述激勵(lì)電極對(duì)(2)和測(cè)量電極對(duì)(3)附著于導(dǎo)電環(huán)層(1)上；所述激勵(lì)電極對(duì)(2)和測(cè)量電極對(duì)(3)相對(duì)于導(dǎo)電環(huán)層(1)徑向上對(duì)稱(chēng)設(shè)置，并按180度角螺旋分布。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征是所述激勵(lì)電極對(duì)(2)和測(cè)量電極對(duì)(3)中的電極，其寬對(duì)應(yīng)的橫截面圓心角小于5度，以利于提高電壓測(cè)量的空間分辨率。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征是所述激勵(lì)電極對(duì)(2)及測(cè)量電極對(duì)(3)的軸向長(zhǎng)度相同。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征是所述導(dǎo)電環(huán)層(1)的軸向長(zhǎng)度大于或等于激勵(lì)電極對(duì)(2)及測(cè)量電極對(duì)(3)的軸向長(zhǎng)度。
5、 一種基于上述傳感器的結(jié)構(gòu)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(diǎn)靈敏度計(jì)算在所述傳感器同一橫截面上，相對(duì)于初始電極分布，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為 A的激勵(lì)電極對(duì)，與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為A的測(cè)量電極對(duì)的共同作用下，橫截面位置Z點(diǎn)處的靈敏度的計(jì)算公式為:式中z-x + ;;/為傳感器橫截面上二維坐標(biāo)的復(fù)數(shù)表示，其中"少分別為傳感器橫截面上二維坐標(biāo)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；為在相對(duì)于初始電極分布，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為/ ￡的激勵(lì)電極對(duì)，與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為^的測(cè)量電極對(duì)的共同作用下，位置z-x +力處電場(chǎng)強(qiáng)度的共軛函數(shù)；:^;為在相對(duì)于初始電極分布，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為^的激勵(lì)電極對(duì)，與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為A的測(cè)量電極對(duì)的共同作用下，位置z-X + "處電場(chǎng)強(qiáng) 度的共軛函數(shù)；必為流經(jīng)激勵(lì)電極的電流；^!^;和:^^;的點(diǎn)乘運(yùn)算為內(nèi)積運(yùn)算；b.計(jì)算整個(gè)傳感器內(nèi)，靈敏度在二維橫截面上的平均值由于在整個(gè)傳感器內(nèi)，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(zhì)降低檢測(cè)信號(hào)對(duì)位置的依賴，敏感區(qū)域z點(diǎn)處對(duì)應(yīng)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(biāo)的復(fù)數(shù)表示，其中;c， y分 別為傳感器橫截面上二維坐標(biāo)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；為在相對(duì)干初始— 廣t電極分布，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為A的激勵(lì)電極對(duì)，與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為^的 測(cè)量電極對(duì)的共同作用下，位置2 = 1 + ^處電場(chǎng)強(qiáng)度的共軛函數(shù);^;為在相對(duì)于初始電極分布，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為&的激勵(lì)電極對(duì)，與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為A的測(cè)量電極對(duì)的共同作用下，位置z-x +力處電場(chǎng)強(qiáng)度的共軛函數(shù)；必為流經(jīng)激勵(lì)電極的電流； 和的點(diǎn)乘運(yùn)算為內(nèi)積運(yùn)算； C.計(jì)算描述靈敏場(chǎng)分布的均勻度參數(shù)JVt/ 優(yōu)化時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)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(dǎo)電環(huán)層(1)的內(nèi)徑，2 =義+ ^'為傳感器橫截面上二維 坐標(biāo)的復(fù)數(shù)表示；Mox(^(z))^2為測(cè)量區(qū)域(|z|^r2)內(nèi)靈敏度的最大值，M/"(5^(z))i標(biāo)為觀!l量區(qū)域(I z |《r2 )內(nèi)靈敏度的最小值； d.通過(guò)數(shù)值尋優(yōu)，計(jì)算得到優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)在導(dǎo)電環(huán)層(1)的電導(dǎo)率。，傳感器敏感場(chǎng)區(qū)域?yàn)橐环N均勻物質(zhì)時(shí)的 電導(dǎo)率^，導(dǎo)電環(huán)層(1)的內(nèi)徑與外徑的比值^，測(cè)量電極對(duì)(3)和激勵(lì)電極對(duì)(2)的張角參數(shù)部分己知的情況下，對(duì)均勻度參數(shù)W進(jìn)行數(shù)值尋優(yōu)，能夠計(jì)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(dǎo)式傳感器，該傳感器由導(dǎo)電環(huán)層及附著于其上激勵(lì)電極對(duì)和測(cè)量電極對(duì)構(gòu)成，激勵(lì)電極和測(cè)量電極在導(dǎo)電環(huán)層的管壁上徑向?qū)ΨQ(chēng)按180度角螺旋分布。同時(shí)還提供一種基于上述傳感器結(jié)構(gòu)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(duì)兩相流相含率實(shí)時(shí)測(cè)量，克服了傳統(tǒng)電導(dǎo)式傳感器中測(cè)量電極與非導(dǎo)電物質(zhì)接觸，造成測(cè)量電極浮空的缺點(diǎn)，提供一種電導(dǎo)式電學(xué)傳感器，基于其解析模型，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，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的快速優(yōu)化。屬于非侵入式快速測(cè)量，測(cè)量范圍拓寬，造價(jià)低。
文檔編號(hào)G01N27/08GK101419180SQ20081015374
公開(kāi)日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2008年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月4日
發(fā)明者章 曹, 王化祥 申請(qǐng)人:天津大學(xué)