[发明专利]一种测量两相流相含率的电容式传感器及其结构参数优化方法

说明书

本发明提供了一种测量两相流相含率的电容式传感器及其结构参数优化方法，针对环状气液两相流的流动特点，能够利用不同形状的电极结构实现含水率、含气率的准确测量，在测量过程中利用层析成像技术对管道内气液两相流流动状态进行实时在线的成像显示，有利于深入了解气液两相流流动的基本规律，便于分析相含率测量结果的准确性，所提供的传感器结构简单、成本低、可实现非接触实时在线测量等优点，同时基于该结构传感器的敏感场分布，给出了传感器结构参数优化的方法，具有诸多有益效果。

技术领域

本发明涉及气液两相流检测传感器技术领域，尤其涉及一种测量两相流相含率的电容式传感器及其结构参数优化方法。

背景技术

气液两相流广泛存在于石油、化工、能源、动力和制药等众多工业过程中，相比于单相流，由于两相流各相具有不同的物理、化学性质，相间存在界面效应和滑差速度，流动特性十分复杂，从而导致了两相流参数测量十分困难。相含率是表征气液两相流特性的重要参数之一，是计算两相流混合密度、分相流量以及两相介质流动状态的重要依据。其准确测量对工业过程控制、管理及可靠运行至关重要。

现有的气液两相流相含率测量方法主要包括：快关阀法、光学法、射线法、高速摄像法、微波法、电学法、过程层析成像法等。上述方法中，快关阀法成本低、准确可靠，但是在测量过程中会切断流体流动，不能实时、在线测量。基于可见光的光学法要求被测介质能透过可见光，由于光的发射和接收元件易受污染，致使其应用范围受到限制。射线法测量灵敏度较低，传感器成本高，对安全性要求较高。高速摄像法对流体流动界面进行高速动态拍摄，能够细致地反映界面波动的结构特征，但因对操作者要求较高，存在照明、聚焦等光学问题，使用范围受到限制。微波法通过向被测流体发射微波，测量被测流体对微波的反射、透射、散射等物理量实现相含率的测量，对测量电路及环境噪声要求高。电学法的测量原理是当管道内流体组分发生变化时，相应的电学参数也会变化，通过配置于管道内壁或者外壁的电极阵列测量电学信号，计算得到管道内两相流的相含率。随着高速数据采集与信息处理技术的发展，电学层析成像技术以无辐射、非侵入、成本低、响应速度快、可实现流体流动状态的可视化显示等优点广泛应用于多相流参数测量。电学传感器的检测场属于“软场”，灵敏度分布的不均匀性使测量精度不仅与分相浓度有关，而且受相流体分布及流型变化的影响。

由此可见，受制于气液两相流的复杂性及测量技术的局限性，对气液两相流相含率实现高精度且实时的在线测量尚存在一些难度，是本领域中一个亟待解决的技术问题。

发明内容

针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种测量两相流相含率的电容式传感器，包括：圆柱形管段，作为管路的一部分使所述传感器串接于所述管路中；

所述圆柱形管段的外壁上半部分间隔贴设一对环形电极，所述环形电极包括一环形激励电极和一环形测量电极，用于气液两相流含水率的测量；

所述圆柱形管段的外壁下半部分均匀间隔贴设8个矩形电极，所述矩形电极的长度方向与所述圆柱形管段的轴向平行，用于在测量气液两相流含气率的同时实现对管道流体流动状态的成像显示。

进一步地，沿所述环形电极轴向两侧的所述圆柱形管段外壁分别贴设有一环形屏蔽电极，所述环形激励电极与所述环形测量电极之间的所述圆柱形管段外壁上也贴设有一环形屏蔽电极，用于屏蔽电极间及外界对环形电极的干扰。

进一步地，沿所述矩形电极长度方向两侧以及每个所述矩形电极之间均设有屏蔽电极。

进一步地，所述传感器还设有外屏蔽层。

进一步地，所述环形激励/测量电极宽度W₁，环形屏蔽电极宽度W₂，环形激励/测量电极与环形屏蔽电极轴向间距W₃，基于满足电极归一化电容值不随液膜厚度h变化，但对不同含水率具有很好的阶梯性的原则确定。