一種分布式電導傳感器的結構參數優化方法
【專利摘要】本發明針對一種分布式電導傳感器，給出了結構參數優化方法：采用有限元分析方法，建立四扇區分布式電導傳感器模型；定義四扇區分布式電導傳感器的優化指標，在優化模型中放入一個半徑1mm的小球，模擬氣泡/油滴運動；固定電極高度H為2mm，電極張角θ依次從30°遍歷到85°，電極間距D依次從3mm遍歷到6mm，分別計算所述傳感器的扇區靈敏度權重ε，改變電極高度H后重復遍歷電極張角和電極間距，計算得到感器的扇區靈敏度權重ε，選取最佳電極高度，電極張角，電極間距。本發明針對所構建的四扇區分布式電導傳感器模型，給出傳感器結構參數的取值范圍及傳感器的最佳幾何結構。
【專利說明】一種分布式電導傳感器的結構參數優化方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種兩相流檢測傳感器，特別是一種電導傳感器。
【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。兩相流是氣、液、固三相中任意兩相不相容物質的混合流動體系。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，導致兩相流參數測量十分困難。分相截面含率(相含率)是兩相流工業應用系統中一個重要的參數，它的精確測量對于生產過程的計量、控制和運行可靠性都具有重要的意義。
[0003]兩相流相含率測量技術主要包括超聲法，光學法，射線法，應用阻抗技術的電容和電導法等。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、帶保護電極和溫度補償的對壁式環狀電導傳感器、環形和半環形電導傳感器、六電極陣列電導傳感器和八電極陣列電導傳感器等。
[0004]目前，測量垂直上升管道截面整體平均信息的對壁環形電導傳感器和測量空間整體信息的陣列式電導傳感器已不能夠滿足測量局部流動結構精確測取相含率的需求。已有的測量局部信息的電導探針傳感器，由于其電極較小，只能測量一個點的流體信息(如局部速度和濃度)，輸出信號只有高低電平之分，包含的流動信息量少。單電容弦絲傳感器檢測范圍局限在測量電極附近極其微小的范圍之內，且插入式結構會對流場產生擾動，在非均勻、復雜流體的測量上具有局限性。
【發明內容】
[0005]本發明目的在于提供一種能夠在不擾動流場的前提下，盡可能多地捕捉垂直垂直上升管道內流過的非均勻、復雜兩相流的局部流動信息而非僅僅是點或者線上的流體局部信息的分布式電導傳感器。本發明提供的傳感器，可從局部流動信息研究兩相流的相間相互作用以及流型的形成、演化機制，并且此傳感器測量的數據能通過數據融合，在相含率測量方面有較好的效果。為實現上述目標，本發明的技術方案如下:
[0006]—種分布式電導傳感器的結構參數優化方法，所針對的四扇區分布式電導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電極，每對電極均包括一個固定在垂直上升管道較上部位的激勵電極E和一個固定在垂直上升管道較下部位的測量電極M，四對電極中的每個電極包括一段弧形環，且每個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壁面，四個激勵電極E位于垂直上升管道內的同一高度上，且彼此之間均勻間隔分布，呈非連續圓環狀，四個測量電極M位于垂直上升管道內、低于四個激勵電極E所在高度的同一高度上，且彼此之間也均勻間隔分布，呈非連續圓環狀，其中每對電極上下平行設置；每個電極還包括一段連接在所述弧形環上的柱形導體，伸出于垂直上升管道之外，用于信號的輸入與輸出；每個電極在垂直上升管道內的靈敏度區域為一個扇形；所述的結構參數優化方法，包括如下步驟:
[0007]第一步，設計四扇區分布式電導傳感器的優化模型:采用有限元分析方法，建立四扇區分布式電導傳感器模型，建模時，設定管道內徑0.02m,電極厚度0.002m,管道長度0.2m，電極高度H，電極張角Θ，激勵電極E與測量電極M間距D，水相電阻率Sw =1000 Ω.πι，電極電阻率Os= 1.7241Θ-8Ω.m，采用自由剖分方式進行網格劃分，施加載荷時采用恒流激勵，在激勵電極E上均施加0.1mA電流，測量電極M上均施加電流-0.1mA，將測量電極電壓值設置為0V;
[0008]第二步，定義四扇區分布式電導傳感器的優化指標:為使得四對電極在各自的區域內有相對高的靈敏度，同時四對電極之間電場干擾最小，利用ANSYS建模時，在所述優化模型中放入一個半徑Imm的小球，模擬氣泡/油滴運動，小球處于不同位置時，激勵電極的電壓也跟隨變化，通過激勵電極變化的電壓反映所述傳感器的靈敏度，由于四對電極在幾何結構上具有對稱性，同時給四對電極施加電流信號后，僅仿真考察其中一對電極的輸出電壓對小球的響應，即研究一對電極的靈敏度，小球每變換一個坐標，可計算得到在該坐標的靈敏度值，將小球的坐標遍歷管道截面所有位置，得到該對電極的靈敏度分布圖:
[0009]第三步，固定電極高度H為2mm，電極張角Θ依次從30°遍歷到85°，每次增加5° ,電極間距D依次從3mm遍歷到6mm,每次增加Imm,分別計算所述傳感器的扇區靈敏度權重ε，改變電極高度H為3mm，4mm后重復遍歷電極張角和電極間距，計算得到所述傳感器的扇區靈敏度權重ε，綜合根據扇區靈敏度權重ε和扇區靈敏度平均值這兩個指標來選擇傳感器結構參數，選取最佳電極高度，電極張角，電極間距。
[0010]其中，第二步的具體方法可以是:
[0011]定義S(i)為氣泡/油滴在第i個位置時電導傳感器的靈敏度，表達式為:
【權利要求】
1.一種分布式電導傳感器的結構參數優化方法,所針對的四扇區分布式電導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電極，每對電極均包括一個固定在垂直上升管道較上部位的激勵電極E和一個固定在垂直上升管道較下部位的測量電極M，四對電極中的每個電極包括一段弧形環，且每個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壁面，四個激勵電極E位于垂直上升管道內的同一高度上，且彼此之間均勻間隔分布，呈非連續圓環狀，四個測量電極M位于垂直上升管道內、低于四個激勵電極E所在高度的同一高度上，且彼此之間也均勻間隔分布，呈非連續圓環狀，其中每對電極上下平行設置；每個電極還包括一段連接在所述弧形環上的柱形導體，伸出于垂直上升管道之外，用于信號的輸入與輸出；每個電極在垂直上升管道內的靈敏度區域為一個扇形；所述的結構參數優化方法，包括如下步驟: 第一步，設計四扇區分布式電導傳感器的優化模型:采用有限元分析方法，建立四扇區分布式電導傳感器模型，建模時，設定管道內徑0.02m,電極厚度0.002m,管道長度0.2m,電極高度H，電極張角Θ，激勵電極E與測量電極M間距D，水相電阻率δν= 1000Ω.m，電極電阻率Qs=L 7241Θ-8Ω.πι，采用自由剖分方式進行網格劃分，施加載荷時采用恒流激勵,在激勵電極E上均施加0.1mA電流，測量電極M上均施加電流-0.1mA，將測量電極電壓值設置為OV ； 第二步，定義四扇區分布式電導傳感器的優化指標:為使得四對電極在各自的區域內有相對高的靈敏度，同時四對電極之間電場干擾最小，建模時，在所述優化模型中放入一個半徑Imm的小球，模擬氣泡/油滴運動，小球處于不同位置時，激勵電極的電壓也跟隨變化，通過激勵電極變化的電壓反映所述傳感器的靈敏度，由于四對電極在幾何結構上具有對稱性，同時給四對電極施加電流信號后，僅仿真考察其中一對電極的輸出電壓對小球的響應，即研究一對電極的靈敏度，小球每變換一個坐標，可計算得到在該坐標的靈敏度值，將小球的坐標遍歷管道截面所有位置，得到該對電極的靈敏度分布圖； 第三步，固定電極高度H為2mm，電極張角Θ依次從30°遍歷到85°，每次增加5°，電極間距D依次從3_遍歷到6mm,每次增加Imm,分別計算所述傳感器的扇區靈敏度權重ε，改變電極高度H為3_，4mm后重復遍歷電極張角和電極間距，計算得到所述傳感器的扇區靈敏度權重ε，綜合根據扇區靈敏度權重ε和扇區靈敏度平均值這兩個指標來選擇傳感器結構參數，選取最佳電極高度，電極張角，電極間距。
2.根據權利要求1所述的分布式電導傳感器的結構參數優化方法，其特征在于，第二步的方法如下，定義S(i)為氣泡/油滴在第i個位置時電導傳感器的靈敏度，表達式為:
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，優化后的四扇區分布式電導傳感器的最佳參數是，電極張角為45°，電極高度為4mm，電極間距為4mm。
【文檔編號】G06F19/00GK103776876SQ201410033337
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月23日 優先權日:2014年1月23日
【發明者】高忠科, 金寧德, 丁美雙 申請人:天津大學