補償介電常數的電容式氣固兩相流固相體積濃度測量法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于多相流檢測領域，特別涉及一種補償介電常數的電容式氣固兩相流固 相體積濃度測量法。
【背景技術】
[0002] 氣固兩相流技術在工業中得到了廣泛的應用，如燃煤鍋爐、煉鐵高爐中的煤粉噴 吹，輕工，化工，糧食，食品，制藥等工業中的氣力輸送等等。固相的體積濃度是氣固兩相流 動中的一個重要參數，關系到氣固兩相流的流動狀態和傳熱、傳質效果并從而關系到能源 利用和環境保護等。固相體積濃度的準確測量及實時監控對于穩定工業生產過程，提高產 品的質量與產量，節能，環保以及提高工業的整體自動化水平具有重要意義。
[0003] 電容傳感器在氣固兩相流測量中，因其具有非接觸，非插入，結構簡單，耗能低，安 全，無可動部件，壽命長，維護量低等優越性而被廣泛采用，是目前國際上的主流測量方法。
[0004] 電容傳感器用于氣固兩相流濃度準確測量的一個重要前提是固相介質的介電常 數恒定。但是，由于多種無法控制的因素，如煤種，會引起固相介電常數的變化，甚至經常變 化。這是導致利用電容傳感器測量固相濃度誤差大，以至導致該法測量失敗的一個主要原 因。這也是目前國際范圍里利用電容傳感器測量氣固兩相流固相濃度的一個共同存在的問 題。
【發明內容】
[0005] 針對氣固兩相流固相介電常數不恒定并從而導致測量結果誤差大的缺陷，本發明 的目的是提供一種補償介電常數的電容式氣固兩相固相體積濃度測量方法，以減小或消除 因固相介電常數變化而引起的固相體積濃度的測量誤差，從而提高氣固兩相流固相體積濃 度測量精度，并進而提高氣固兩相流質量流量測量的精度。
[0006] 本發明的技術方案是這樣實現的：一種補償介電常數的電容式氣固兩相流固相體 積濃度測量方法，過程如下：
[0007] 采用兩個電容傳感器對固相體積濃度進行測量，由第一電容傳感器提供固相介電 常數補償數據，第二電容傳感器利用第一電容傳感器提供的固相介電常數補償數據校正因 介電常數變化引起的固相體積濃度測量誤差，進而由第二電容傳感器輸出經補償后的固相 體積濃度。
[0008] 所述的第一電容傳感器和第二電容傳感器在結構上相同或者不同。
[0009] 所述的第一電容傳感器在固相介電常數補償數據測量過程中具有固定的體積濃 度。
[0010] 所述的第一電容傳感器和第二電容傳感器內均設置有具有相同介電常數的固相 介質。
[0011]確定在固定固相體積濃度下所述的第一電容傳感器的電容輸出值與等效介電常 數之間的關系以及第一電容傳感器的電容輸出值與固相介電常數之間的關系。
[0012] 確定所述的第二電容傳感器的電容輸出值與等效介電常數之間的關系。
[0013] 根據第一電容傳感器的電容輸出值與固相介電常數之間的關系，確定第一電容傳 感器的固相介電常數補償值。
[0014] 所述第二電容傳感器利用第一電容傳感器確定的固相介電常數補償值及第二電 容傳感器的電容輸出值與等效介電常數之間的關系，即可輸出經過補償后的等效介電常數 值，進而可輸出經過補償后的固相體積濃度。
[0015] 本發明的有益效果:本發明可以實現對固相體積濃度測量中固相介質介電常數的 變化進行補償，減小或消除固相介電常數變化帶來的固相體積濃度測量誤差。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發明一種實施方式現有一對平行表面極板電容式氣固兩相流固相體積濃 度測量方法示意圖；
[0017] 圖2為本發明一種實施方式補償介電常數的電容式氣固兩相流固相體積濃度測量 法流程圖；
[0018] 圖3為本發明一種實施方式一對平行表面極板電容傳感器輸出電容值序列與等效 介電常數序列擬合示意圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖對本發明的實施方式做進一步詳細的說明。
[0020] 電容式固相體積濃度的測量原理為:氣固兩相流體的氣相及固相具有不同的介電 常數，當流體通過電容極板間所形成的檢測場時，由于固相體積濃度的變化會引起流體的 等效介電常數的改變，從而使傳感器的電容輸出值隨之改變。因此，電容值的大小即可作為 氣固兩相流中固相體積濃度的度量。
[0021] 測量固相體積濃度的電容傳感器一般具有一對極板。以結構形式最為簡單的一對 平行的表面極板為例，如圖1所示，在流體所要流經的管道的外表面粘貼一對稱平行的表面 極板，其中一個極板與激勵電壓源相接作為源電極，另一極板作為檢測極板。測量時，當流 體通過管道外表面電極板所形成的檢測場時，由于固相體積濃度的變化等價于極板間介電 常數的變化，從而引起電容值的變化，通過檢測檢測場的電容值的變化而推知檢測場中固 相體積濃度的大小。
[0022]設氣固兩相流體的等效介電常數為hff，固相及氣相的介電常數分別為^和^，如 果固相均勻分布在氣相中，則ε由氣固兩相的體積比決定：
[0023] e.cff +~^-sg (1)
[0024] 式中，Vs及Vg分別為固相及氣相各占的體積;V為電容傳感器極板間檢測場的總體 積，且V = Vs+Vg;固相體積濃度表達為：
[0025] /'今 (2)
[0026] 當固相介電常數及氣相介電常數為常數時，則可以得出： V ￥-V ./ ^ V K,
[0027] ￡gff+ ~~二 + (6、- )7 二./(y) = ./(/?s ) (3)
[0028] 由于電容傳感器的輸出受電容傳感器及管道、屏蔽層結構參數及檢測場內介電常 數分布影響，當電容傳感器及管道、屏蔽層結構固定不變時，電容傳感器的輸出可以表示 為：
[0029] C=F(eeff)=F(f(0s)) (4)
[0030] 在確定測量環境下，傳感器及管道、屏蔽層結構參數可以設定為常數。現有測量方 法中，假設固相介電常數及氣相介電常數為常數的條件下，電容值傳感器輸出值C僅受檢測 場內固相體積濃度影響。
[0031] 綜上所述，現有的電容傳感器測量固相體積濃度方法中，當測量電容值發生變化 時，C值改變，則認為是固相體積濃度β發生了變化。
[0032] 然而，在實際工業過程中，由于固相介質原材料配比以及固相的溫度、濕度及粒度 等方面的影響，使固相介電常數值經常發生變化，甚至變化較為劇烈。采用現有的假定固相 介質的介電常數為固定值的固相體積濃度測量方法將引起較大的測量誤差。
[0033] 針對這一現象，提出一種具有固相介電常數補償功能的電容式氣固兩相流固相體 積濃度測量法，即采用兩個電容傳感器來進行測量，由第一電容傳感器提供固相介質介電 常數補償數據，第二電容傳感器利用第一電容傳感器提供的固相介質介電常數補償數據校 正因固相介質介電常數變化引起的固相體積濃度測量誤差，進而由第二電容傳感器輸出經 補償后的固相體積濃度。具有固相介質介電常數補償功能的電容式氣固兩相流固相體積濃 度測量法的流程如圖2所示。
[0034] 對用于測量氣固兩相流體的兩個電容傳感器進行特性參數標定，分別確定第一電 容傳感器的電容輸出值與第一電容傳感器等效介電常數之間以及第一電容傳感器的電容 輸出值與固相介質介電常數之間的關系、第二電容傳感器的電容輸出值與第二電容傳感器 等效介電常數之間的關系，過程為：
[0035] 對兩個傳感器的標定應滿足:在電容傳感器結構及管道結構等參數固定時，當電 容傳感器內固相體積濃度確定，則電容傳感器的輸出僅與傳感器內固相介質介電常數相 關；當電容傳感器內固相介電常數確定，則電容傳感器的輸出僅與傳感器內固相體積濃度 相關。
[0036] 由式（1)至式(4)可知，當電容傳感器及管道、屏蔽層結構固定不變，且當固相介質 介電常數及氣相介質介電常數為定值時，電容傳感器的輸出值C僅受檢測場內固相體積濃 度的影響。
[0037] 而當固相介質體積濃度為定值時，由于氣相介質介電常數為定值，則式（1)可變化 為：
[0038] f + f \ ：= + (1 - 二 g(gs.) (5)
[0039] 因此，等效介電常數僅與固相介質介電常數相關，則可以進一步得到：
[0040] C=F(eeff)=F(g(es)) (6)
[0041] 即當電容傳感器及管道、屏蔽層結構固定不變，且當固相體積濃度為定值時，電容 傳感器的輸出值C僅受檢測場內固相介質介電常數變化的影響。
[0042] 由上述推論可知，傳感器標定所需條件都可以滿足。
[0043] 第一電容傳感器和第二電容傳感器可以采用相同的結構，如均采用平行極板或螺 旋極板結構或組合極板結構;也可以是不同結構形式的電容傳感器，如第一電容傳感器采 用平行極板，而第二電容傳感器采用螺旋極板結構或組合極板結構，又如第一電容傳感器 采用螺旋極板結構，而第二電容傳感器采用平行極板或組合極板結構，再如第一電容傳感 器采用組合極板結構，而第二電容傳感器采用螺旋極板結構或平行極板。為了具有最好的 補償效果，第二電容傳感器應具有最優的傳感器結構參數及較小的傳感器均勻性誤差。
[0044] 對第一電容傳感器進行特性參數標定，在第一電容傳感器結構及管道結構等參數 固定時，當第一電容傳感器內固相體積濃度確定，則第一電容傳感器的輸出與第一電容傳 感器內固相介電常數相關，確定第一傳感器的輸出值以及檢測場內等效介電常數，步驟如 下：
[0045] 1)在第一電容傳感器中分別加