八電極旋轉電場式電導傳感器持氣率測量方法
【專利說明】八電極旋轉電場式電導傳感器持氣率測量方法 所屬技術領域
[0001] 本發明屬于流體測量技術領域，涉及一種電導傳感器。
【背景技術】
[0002] 兩相流現象廣泛存在于石油工程、化學工程、冶金工程、核工程、航空與航天工程 等傳統工業和新興工業領域中。氣液兩相流是指氣相與液相不相容物質的混合流動體系。 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，導致氣液兩相流流動參數測量十分困難。截面持氣率是 氣液兩相流工業應用系統中一個重要的流動參數，它的精確測量對于生產過程計量、控制 和運行可靠性都具有重要意義。
[0003] 兩相流持氣率測量技術主要包括超聲法，光學法，射線法，電容法，電導法等。由 于電導傳感器具有原理清晰、結構簡單、響應穩定等諸多優點，已廣泛地應用于多相流 參數測量中，在傳感器研發早期，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壁的環形電極傳感器應運而生，例如環形電導傳感器、 對壁式環狀電導傳感器。而對壁式環狀電導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)提出旋轉電場式電導測量法，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生旋轉測量電場，在一定程度上消除了流動介 質分布不均勻導致的測量誤差。盡管如此，先前三對電極合成產生的旋轉測量電場是否為 最佳測量方式未能從理論分析及實驗驗證角度給出論證。
【發明內容】
[0004] 針對上述問題，本發明的目的是提供一種測量較為準確且簡單可行的兩相流持氣 率測量方法，本發明的技術方案如下：
[0005] -種八電極旋轉電場式電導傳感器持氣率測量方法，所采用的傳感器包括均勻分 布在管道內壁同一截面上的四對電極，每對電極位置相對布置；設四對電極依次為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生旋轉的測量電場；
[0007] (2)當氣液兩相流體流經傳感器時，采集傳感器輸出信號；
[0008] (3)定義混合流體的歸一化電導率^為混合相的電導率〇 與全水的電導率〇w 的比值，八電極旋轉電場式電導傳感器的歸一化電導定義為四對電極歸一化電導的平均值 計算歸一化電導值，計算旋轉電場電導傳感器歸一化電導G;
[0009] (4)利用旋轉電場電導傳感器歸一化電導《計算持氣率。
[0010] 作為優選實施方式，電導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] 本發明提出的八電極旋轉電場式電導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生旋轉電場，并對截面測量電場進行了靈敏 度理論分析計算，確定了八電極最優幾何結構參數，以達到最佳的截面持氣率測量效果。具 有以下優點：
[0012] (1)本發明涉及的旋轉電場式電導傳感器具有結構形式簡單、響應速度快，穩定性 高，便于安裝測量等優點。
[0013] (2)本發明的持氣率測量法，對中低流速氣液兩相流持氣率測量皆可使用，而且計 算簡單，準確度較高。
[0014] (3)本發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是旋轉電場式電導傳感器幾何參數示意圖：（a)立體圖；(b)截面圖；（c)正視 圖
[0016] 圖2是旋轉電場式電導傳感器激勵方式示意圖。
[0017] 圖3是旋轉電場式電導傳感器有限元剖分結構圖。
[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是氣液兩相流實驗測量數據歸一化電導值與模擬裝置標定的水相流量及氣 相流量之間實驗圖版。
[0020] 圖6氣液兩相流持氣率測量效果圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
[0022] 本發明的特點在于通過傳感器的結構尺寸優化，在管道截面上產生較為均勻的測 量敏感場，本發明氣液兩相流旋轉電場式電導傳感器的結構及尺寸優化及測量方法包括以 下步驟：
[0023] (1)八電極對壁環型電導傳感器結構如圖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生旋轉的測量電場。
[0024] (2)本發明采用有限元方法對傳感器結構尺寸進行優化，利用仿真軟件ANSYS建 立旋轉電場式電導傳感器模型，如圖3所示。建模時，設定垂直上升管道內徑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行網格劃分，施加 載荷時采用正弦激勵。仿真方法為：在ANSYS建模時，在模型中測量截面上放入一個直徑 0. 5mm的小球，模擬氣泡運動。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傳感器的靈敏度。小球每變換一個坐標，可計算得到在該 坐標的靈敏度值。將小球的坐標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] 本發明采用檢測場均勻性誤差參數（SVP)和傳感器相對靈敏度（Savg)作為優化目 標。傳感