一種用于兩相流檢測(cè)的四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于兩相流檢測(cè)的四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器，包括垂直上升管道及四對(duì)電極，每對(duì)電極均包括一個(gè)固定在垂直上升管道較上部位的激勵(lì)電極E和一個(gè)固定在垂直上升管道較下部位的測(cè)量電極M，四對(duì)電極中的每個(gè)電極包括一段弧形環(huán)，四個(gè)激勵(lì)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(gè)測(cè)量電極M位于垂直上升管道內(nèi)、低于四個(gè)激勵(lì)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(duì)電極上下平行設(shè)置。本發(fā)明提供的四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器，可測(cè)取非均勻、復(fù)雜流體的局部流動(dòng)信息，為揭示局部流動(dòng)結(jié)構(gòu)和研究?jī)上嗔髁餍脱莼瘎?dòng)力學(xué)機(jī)制提供重要信息源。
【專利說(shuō)明】—種用于兩相流檢測(cè)的四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種兩相流檢測(cè)傳感器，特別是一種分布式電導(dǎo)傳感器。
【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(dòng)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(cè)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(gè)重要的參數(shù)，它的精確測(cè)量對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程的計(jì)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(cè)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(jiǎn)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(cè)量中，在傳感器研發(fā)早期，多采用平板電極測(cè)量液膜厚度，為了避免傳感器對(duì)流型的擾動(dòng)，嵌入管道內(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?duì)壁式環(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(cè)量管道截面整體平均信息的對(duì)壁環(huán)形電導(dǎo)傳感器和測(cè)量空間整體信息的陣列式電導(dǎo)傳感器已不能夠滿足測(cè)量局部流動(dòng)結(jié)構(gòu)精確測(cè)取相含率的需求。已有的測(cè)量局部信息的電導(dǎo)探針傳感器，由于其電極較小，只能測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的流體信息(如局部速度和濃度)，輸出信號(hào)只有高低電平之分，包含的流動(dòng)信息量少。單電容弦絲傳感器檢測(cè)范圍局限在測(cè)量電極附近極其微小的范圍之內(nèi)，且插入式結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，在非均勻、復(fù)雜流體的測(cè)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(dòng)流場(chǎng)的前提下，盡可能多地捕捉垂直上升管道內(nèi)流過(guò)的非均勻、復(fù)雜兩相流的局部流動(dòng)信息而非僅僅是點(diǎn)或者線上的流體局部信息的分布式電導(dǎo)傳感器。本發(fā)明提供的傳感器，可從局部流動(dòng)信息研究?jī)上嗔鞯南嚅g相互作用以及流型的形成、演化機(jī)制，并且此傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)能通過(guò)數(shù)據(jù)融合，在相含率測(cè)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]一種用于兩相流檢測(cè)的四扇區(qū)分布式電導(dǎo)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(duì)電極，每對(duì)電極均包括一個(gè)固定在垂直上升管道較上部位的激勵(lì)電極E和一個(gè)固定在垂直上升管道較下部位的測(cè)量電極M，四對(duì)電極中的每個(gè)電極包括一段弧形環(huán)，且每個(gè)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(gè)激勵(lì)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(gè)測(cè)量電極M位于垂直上升管道內(nèi)、低于四個(gè)激勵(lì)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(duì)電極上下平行設(shè)置；每個(gè)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(hào)的輸入與輸出；每個(gè)電極在垂直上升管道內(nèi)的靈敏度區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)扇形。
[0007]作為優(yōu)選實(shí)施方式，各個(gè)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；
[0008]每個(gè)電極的弧形環(huán)對(duì)應(yīng)的圓心角為電極張角，取值范圍為[30° ,85° ]，每個(gè)電極的弧形環(huán)的高度為電極高度，取值范圍為[2mm，4mm]，每對(duì)電極中的激勵(lì)電極E與測(cè)量電極M之間的間距為電極間距，取值范圍為[3mm，6mm];所述用于兩相流檢測(cè)的四扇區(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 ;電極由鈦合金制成，垂直上升管道由有機(jī)玻璃制成。
[0009]本發(fā)明的有益效果在于:(I)提供了一種用于兩相流檢測(cè)的四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器，并給出傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍及傳感器的最佳結(jié)構(gòu)；(2)四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器可測(cè)取非均勻、復(fù)雜流體的局部流動(dòng)信息，為揭示局部流動(dòng)結(jié)構(gòu)和研究?jī)上嗔髁餍脱莼瘎?dòng)力學(xué)機(jī)制提供重要信息源；(3)通過(guò)對(duì)此分布式電導(dǎo)傳感器四扇區(qū)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合可獲得很好的相含率測(cè)量效果。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本發(fā)明的四扇區(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；
[0011]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；
[0012]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(jì)算示意圖；
[0013]圖4為本發(fā)明的四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器測(cè)量系統(tǒng)示意圖；
[0014]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(cè)量版圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的四扇區(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(shuō)明。
[0016]如圖1所示，四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器，包括垂直上升管道和安裝在垂直上升管道上的四對(duì)電極Ea、Ma, Eb、Mb, Ec, Mc和Ed、Md，每對(duì)電極均包括一個(gè)安裝在垂直上升管道上端的激勵(lì)電極E (Ea、Eb、Ec或Ed)和一個(gè)安裝在垂直上升管道下端的測(cè)量電極M (Ma、Mb、Μ。或Md)，四對(duì)電極中的每個(gè)電極包括一段弧形環(huán)，對(duì)應(yīng)的圓心角為Θ，且每個(gè)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(gè)激勵(lì)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(gè)測(cè)量電極M位于垂直上升管道內(nèi)、低于四個(gè)激勵(lì)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(duì)電極上下平行設(shè)置；
[0017]每個(gè)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(hào)的輸入與輸出，其長(zhǎng)度可根據(jù)管道的厚度來(lái)確定，伸出管道外可連接導(dǎo)線即可；每個(gè)電極在管道內(nèi)的靈敏度區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)扇形，每個(gè)電極呈T型，由鈦合金制成。
[0018]垂直上升管道由有機(jī)玻璃制成，電極由環(huán)氧樹(shù)脂AB膠粘合，嵌入管道內(nèi)壁面，電極表面與管道內(nèi)壁面平齊，其中每個(gè)電極的厚度為0.002m，每個(gè)電極的弧形環(huán)對(duì)應(yīng)的圓心角為電極張角，取值范圍為[30° ,85° ]，每個(gè)電極的弧形環(huán)的高度為電極高度，取值范圍為[2mm，4mm]，每對(duì)電極中的激勵(lì)電極E與測(cè)量電極M之間的間距為電極間距，取值范圍為[3mm, 6mm]。
[0019]對(duì)四扇區(qū)分布式電導(dǎo)傳感器進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，首先構(gòu)建四扇區(qū)電導(dǎo)傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。
[0020]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(shí)，設(shè)定管道內(nèi)徑D = 0.02m,電極厚度T = 0.002m,管道長(zhǎng)度L = 0.2m,電極高度H，電極張角Θ，激勵(lì)電極與測(cè)量電極間距D，水相電阻率δ w = 1000 Ω.m,電極電阻率Os=L 7241e-8 Ω.m。采用自由剖分方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加載荷時(shí)采用恒流激勵(lì)，在激勵(lì)電極Ea、Eb、Ec, Ed上施加0.1mA電流，測(cè)量電極MA、MB、Mc, Md上施加電流-0.1mA，將測(cè)量電極電壓值設(shè)置為0V。
[0021]四扇區(qū)電導(dǎo)傳感器的優(yōu)化目標(biāo)為:四對(duì)電極在各自的區(qū)域內(nèi)有相對(duì)高的靈敏度，同時(shí)四對(duì)電極之間電場(chǎng)擾動(dòng)最小。電極的幾何參數(shù)對(duì)傳感器電場(chǎng)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(shí),在模型中放入一個(gè)半徑Imm的小球,模擬氣泡/油滴運(yùn)動(dòng)。小球處于不同位置時(shí)，激勵(lì)電極的電壓也跟隨變化，因此可通過(guò)激勵(lì)電極變化的電壓反映電導(dǎo)傳感器的靈敏度。由于四對(duì)電極在幾何結(jié)構(gòu)上具有對(duì)稱性，因此同時(shí)給四對(duì)電極施加電流信號(hào) 后，只通過(guò)仿真考察其中一對(duì)電極的輸出電壓對(duì)小球的響應(yīng)，即只研究一對(duì)電極的靈敏度。小球每變換一個(gè)坐標(biāo)，可計(jì)算得到在該坐標(biāo)的靈敏度值。將小球的坐標(biāo)遍歷管道截面所有位置，得到該對(duì)電極的靈敏度分布圖。
[0022]定義S(i)為氣泡/油滴在第i個(gè)位置時(shí)電導(dǎo)傳感器的靈敏度，表達(dá)式為:
[0023]
【權(quán)利要求】
1.一種用于兩相流檢測(cè)的四扇區(qū)分布式電導(dǎo)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(duì)電極，每對(duì)電極均包括一個(gè)固定在垂直上升管道較上部位的激勵(lì)電極E和一個(gè)固定在垂直上升管道較下部位的測(cè)量電極M，四對(duì)電極中的每個(gè)電極包括一段弧形環(huán)，且每個(gè)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(gè)激勵(lì)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(gè)測(cè)量電極M位于垂直上升管道內(nèi)、低于四個(gè)激勵(lì)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(duì)電極上下平行設(shè)置；每個(gè)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(hào)的輸入與輸出。每個(gè)電極在垂直上升管道內(nèi)的靈敏度區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)扇形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式電導(dǎo)傳感器，其特征在于，各個(gè)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所述的分布式電導(dǎo)傳感器，其特征在于，每個(gè)電極的弧形環(huán)對(duì)應(yīng)的圓心角為電極張角，取值范圍為[30° ,85° ]，每個(gè)電極的弧形環(huán)的高度為電極高度，取值范圍為[2mm，4mm]，每對(duì)電極中的激勵(lì)電極E與測(cè)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所述的分布式電導(dǎo)傳感器，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所述的分布式電導(dǎo)傳感器，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(hào)】G01N27/04GK103776875SQ201410033338
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)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, 胡瀝丹 申請(qǐng)人:天津大學(xué)