八電極旋轉(zhuǎn)電場式電導(dǎo)傳感器持氣率測量方法
【專利說明】八電極旋轉(zhuǎn)電場式電導(dǎo)傳感器持氣率測量方法 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于流體測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電導(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。氣液兩相流是指氣相與液相不相容物質(zhì)的混合流動體系。 由于氣液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)致氣液兩相流流動參數(shù)測量十分困難。截面持氣率是 氣液兩相流工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中一個(gè)重要的流動參數(shù)，它的精確測量對于生產(chǎn)過程計(jì)量、控制 和運(yùn)行可靠性都具有重要意義。
[0003] 兩相流持氣率測量技術(shù)主要包括超聲法，光學(xué)法，射線法，電容法，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、 對壁式環(huán)狀電導(dǎo)傳感器。而對壁式環(huán)狀電導(dǎo)傳感器采用單方向激勵接收，在電場分布 方向性方面具有局限性，易受流型影響。為了解決這一問題，M.Merilo等人在"Void fractionmeasurementwitharotatingelectricfieldconductancegauge"（Journal ofHeatTransfer，1997，Vol99，P330)提出旋轉(zhuǎn)電場式電導(dǎo)測量法，通過將三相交流電分別 施加在管壁周圍排列的三對電極上以合成產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)測量電場，在一定程度上消除了流動介 質(zhì)分布不均勻?qū)е碌臏y量誤差。盡管如此，先前三對電極合成產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)測量電場是否為 最佳測量方式未能從理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證角度給出論證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種測量較為準(zhǔn)確且簡單可行的兩相流持氣 率測量方法，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0005] -種八電極旋轉(zhuǎn)電場式電導(dǎo)傳感器持氣率測量方法，所采用的傳感器包括均勻分 布在管道內(nèi)壁同一截面上的四對電極，每對電極位置相對布置；設(shè)四對電極依次為A，B，C 和D，A與B相鄰，B與C相鄰，C與D相鄰，D與A相鄰。采用如下的方法進(jìn)行持氣率測量：
[0006] (1)分別對四對電極施加初始相位不同的正弦信號進(jìn)行激勵，相鄰電極間的相位 差均為45°，從而能夠在截面上合成產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的測量電場；
[0007] (2)當(dāng)氣液兩相流體流經(jīng)傳感器時(shí)，采集傳感器輸出信號；
[0008] (3)定義混合流體的歸一化電導(dǎo)率^為混合相的電導(dǎo)率〇 與全水的電導(dǎo)率〇w 的比值，八電極旋轉(zhuǎn)電場式電導(dǎo)傳感器的歸一化電導(dǎo)定義為四對電極歸一化電導(dǎo)的平均值 計(jì)算歸一化電導(dǎo)值，計(jì)算旋轉(zhuǎn)電場電導(dǎo)傳感器歸一化電導(dǎo)G;
[0009] (4)利用旋轉(zhuǎn)電場電導(dǎo)傳感器歸一化電導(dǎo)《計(jì)算持氣率。
[0010] 作為優(yōu)選實(shí)施方式，電導(dǎo)傳感器持氣率測量方法，其特征在于，電極張角0為 22. 5°。電極軸向高度H為0.004m，電極徑向厚度T為0.001m。
[0011] 本發(fā)明提出的八電極旋轉(zhuǎn)電場式電導(dǎo)傳感器持氣率測量方法，分別向四對電極上 施加相位相差45度的正弦激勵信號以合成產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場，并對截面測量電場進(jìn)行了靈敏 度理論分析計(jì)算，確定了八電極最優(yōu)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，以達(dá)到最佳的截面持氣率測量效果。具 有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0012] (1)本發(fā)明涉及的旋轉(zhuǎn)電場式電導(dǎo)傳感器具有結(jié)構(gòu)形式簡單、響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性 高，便于安裝測量等優(yōu)點(diǎn)。
[0013] (2)本發(fā)明的持氣率測量法，對中低流速氣液兩相流持氣率測量皆可使用，而且計(jì) 算簡單，準(zhǔn)確度較高。
[0014] (3)本發(fā)明的持氣率測量法可適用于垂直氣液兩相流泡狀流、段塞流及混狀流下 的持氣率測量。
【附圖說明】
[0015] 圖1是旋轉(zhuǎn)電場式電導(dǎo)傳感器幾何參數(shù)示意圖：（a)立體圖；(b)截面圖；（c)正視 圖
[0016] 圖2是旋轉(zhuǎn)電場式電導(dǎo)傳感器激勵方式示意圖。
[0017] 圖3是旋轉(zhuǎn)電場式電導(dǎo)傳感器有限元剖分結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖4是氣液兩相流三種流型四對電極信號圖，（a) (b) (c)分別為泡狀流、段塞流、 混狀流。
[0019] 圖5是氣液兩相流實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)歸一化電導(dǎo)值與模擬裝置標(biāo)定的水相流量及氣 相流量之間實(shí)驗(yàn)圖版。
[0020] 圖6氣液兩相流持氣率測量效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0022] 本發(fā)明的特點(diǎn)在于通過傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，在管道截面上產(chǎn)生較為均勻的測 量敏感場，本發(fā)明氣液兩相流旋轉(zhuǎn)電場式電導(dǎo)傳感器的結(jié)構(gòu)及尺寸優(yōu)化及測量方法包括以 下步驟：
[0023] (1)八電極對壁環(huán)型電導(dǎo)傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，由四對不銹鋼電極組成。如圖 2所示，分別對四對電極施加初始相位不同的正弦信號進(jìn)行激勵，A是0°，B是45°，C是 90°，D是135°，這樣能夠在截面上合成產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的測量電場。
[0024] (2)本發(fā)明采用有限元方法對傳感器結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，利用仿真軟件ANSYS建 立旋轉(zhuǎn)電場式電導(dǎo)傳感器模型，如圖3所示。建模時(shí)，設(shè)定垂直上升管道內(nèi)徑D= 0. 02m，垂 直上升管道長度L=0.2m，電極徑向厚度T，電極軸向高度H，電極張角0，水相電阻率Sw =1000D.in，電極電阻率Ss= 1.7241e-8D.m。采用自由剖分方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加 載荷時(shí)采用正弦激勵。仿真方法為：在ANSYS建模時(shí)，在模型中測量截面上放入一個(gè)直徑 0. 5mm的小球，模擬氣泡運(yùn)動。小球處于不同位置時(shí)，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。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)遍歷垂直上升管道截面所有位置，得到該對電極的靈敏度 分布。
[0025] 本發(fā)明采用檢測場均勻性誤差參數(shù)（SVP)和傳感器相對靈敏度（Savg)作為優(yōu)化目 標(biāo)。傳感