专利名称：双阵列式电容传感器及其气固两相流检测方法
技术领域：
本发明涉及一种电容传感器及采用其检测传感器管道中气固两相流的方法，属于多相流检测技术领域，用于实现对气固两相流动过程进行诊断和流动特性测试。
背景技术：
用于气固两相流检测的方法很多，如层析成像法，高速摄像法，静电法等。其中，高速摄像法可以准确直观地获得流体的动态流动情况，但受到流体透明度的制约，只能应用于稀相流动中，应用范围有限；静电方法利用固体颗粒流动过程中感应的静电获得流体的流动参数，具有检测速度快和结构简单等优点，但在检测气固两相流的浓度时，需要针对输送系统做大量的标定工作。过程层析成像(PT)技术是随着信息和检测技术的进步迅速发展起来的新一代过程检测技术，而在气固流中以ECT(Electrical Capacitance Tomography,电容层析成像)技术应用最为广泛。电容层析成像技术是从80年代中期开始发展起来的一种多相流参数检测技术。 其特点是成本低廉、响应速度快、非侵入性、适用范围广、安全性好，在石油管道的气/油(油/水)流，气力输送的气/固流等方面具有广泛的应用。电容层析成像技术原理是通过电容传感器获得管道截面上介质的介电常数分布从而获得介质的分布图像。电容层析成像系统主要由ECT传感器、电容数据采集与控制电路和图像重建计算机三部分组成。ECT传感器将流体在管道内的各相分布信息转化为相应的电容数据。数据采集电路采集传感器输出的电容数据并传送到成像计算机中。成像计算机根据电容数据重建出相应的相分布图像并显示出来。从电容层析成像重建的图像中可以提取固相浓度，采用双阵列传感器则可从浓度序列中提取速度。但由于其自身理论尚不够完善，比如软场效应，图象重建中的非线性误差，使得成像精度不够高，限制了其应用。另外，电容层析成像图像重建算法复杂，难以做到实时成像。而电容层析成像图像像素高，若对重建图像的每个像素点提取速度，则计算量巨大，无法获得实时速度场。在电容层析成像中，由于阵列式电容传感器的灵敏场不均匀，给图像重建质量带来一定的影响，如边缘区域和中心区域成像效果差别大等，但却给用阵列式电容传感器测量局部浓度提供了实施可能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的缺陷和不足，在气固两相流检测中，解决电容层析成像技术在管道截面速度场提取上精度不高和无法满足实时测量的缺陷，并简化测量系统，减少计算量。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种双阵列式电容传感器，包括n个激励电极和n个检测电极，所述激励电极和检测电极相间排列，n为自然数，所述检测电极在轴向上被分为对称的两部分，且两部分之间存在间隔L0
进一步的，本发明的一种双阵列式电容传感器，所述间隔L由传感器所处实际测量环境中管道的内径以及管壁厚度、管道材料的介电常数决定。进一步的，本发明的一种双阵列式电容传感器，所述激励电极同时激励与其相邻的两对检测电极。本发明还提供一种基于双阵列式电容传感器的气固两相流检测方法，所述检测方法包括以下步骤
步骤A，在双阵列式电容传感器所处的管道中，当有气固两相流流经双阵列式电容传感器时，以气力输送粉状固体为测试对象，通过测量双阵列式电容传感器相邻电极间电容以获得双阵列式电容传感器内部固相局部浓度，从而重建管道内部双阵列式电容传感器两个截面的固相浓度分布；
步骤B，根据气固两相流流体中固相局部浓度的随机变化引起双阵列式电容传感器极板间电容量的随机变化，对双阵列式电容传感器两个截面的浓度采用互相关法作计算得到局部位置速度，进而重建管道内部速度场分布；
步骤C，根据步骤A测得的固相浓度分布和步骤B测得的速度场分布，对气固两相流的流动过程进行监测和对流型进行识别。进一步的，本发明的气固两相流检测方法，所述步骤A通过测量传感器相邻电极间电容以获得传感器内部局部浓度，是通过有限元分析方法得到双阵列式电容传感器的输出电容和固相局部浓度之间的关系，拟合出输出电容和固相局部浓度的关系函数，从而由测出的相邻电极电容计算出固相局部浓度。进一步的，本发明的气固两相流检测方法，步骤C所述对气固两相流的流动过程进行监测和对流型进行识别的具体方法为通过固相浓度分布和速度分布来监测气固两相流动过程，其中固相浓度分布量反映气固两相流的固气比，速度分布量反映气固两相流的动态流动状况，将浓度分布和速度分布结合，能够实现监测气固流动过程。本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果
I、减少测量电容的数量。本发明是利用传感器相邻电极之间灵敏度值最大原理，所以本发明只测量相邻电极之间的电容(以12电极为例，本发明方法需测量的电容数量为12个，而电容层析成像需要测量的电容数量为66个)，从而测量电容难度降低，与ECT相比，极大减少测量电容数量和次数。2、提高监测气固流动过程效率。本发明是利用传感器灵敏场不均匀的特性来获取局部浓度，重建浓度分布。避免了电容层析成像的复杂算法和重建算法带来的非线性误差。以浓度分布和速度分布两个参数为依据，对气固流动过程进行监测和诊断，极大提高其监测和诊断效率。
图I是双阵列式电容传感器电极展开图。图中标号1、3、5、7、9为激励电极，2a、2b……12a、12b为检测电极。图2是双阵列式电容传感器立体图。图中标号解释1_激励电极；2_检测电极；3-屏蔽罩。图3是双阵列式电容传感器电极截面图。
图中标号解释1、3、5、7、9、11分别代表激励电极；2、4、6、8、10、12分别代表检测电极，其中2a和2b, 4a和4b, 6a和6b, 8a和8b, IOa和10b, 12a和12b分别代表每个检测电极的上下两部分。pi-激励电极I和检测电极2之间的灵敏区域；p2_激励电极3和检测电极2之间的灵敏区域；p3-激励电极3和检测电极4之间的灵敏区域；p4-激励电极5和检测电极4之间的灵敏区域；p5-激励电极5和检测电极6之间的灵敏区域；p6-激励电极7和检测电极6之间的灵敏区域；p7-激励电极7和检测电极8之间的灵敏区域；p8-激励电极9和检测电极8之间的灵敏区域；p9-激励电极9和检测电极10之间的灵敏区域；pl0-激励电极11和检测电极10之间的灵敏区域；pll_激励电极11和检测电极12之间的灵敏区域；P12-激励电极I和检测电极12之间的灵敏区域。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明
本发明用于气固两相流检测，是电容层析成像技术的延伸，测量数据少且无需复杂运 算，检测速度快；避免ECT图象重建的非线性误差，检测准确可靠。以下以煤粉和空气混合物输送为测试对象，对本发明提供的气固两相流检测方法及功效详细说明，为了简单清楚地目的，下文恰当的省略了公知技术的描述以免那些不必要的细节影响对本技术方案的描述。相邻电极灵敏场在激励电极I和检测电极2间具有高灵敏度，而非相邻电极灵敏场都是具有两个峰值，且相邻电极灵敏区域的灵敏度幅值远大于非相邻电极电容，所以相邻电极灵敏场具有最佳的不均匀特性，利用双阵列式电容传感器相邻极板间灵敏场不均匀的特点，即传感器电极电容只对该特定区域敏感，输出电容只和该区域浓度的变化有关的特点，对于从相邻电极电容中提取局部浓度来说是最合适的选择，这也是本发明的出发点。综合以上分析，设计出一种新型的双阵列式电容传感器，其结构模型如图1、2、3所示(以12电极为例)。12个电极被平均分为两类激励电极和检测电极。其中激励电极和检测电极是间隔排列的，检测电极在轴向上被分为对称的两部分，且两部分之间存在
间隔L，如图I中所示的2a和2b，4a和4b，......12a和12b。由此可知，12电极电容传感
器具有12个相邻电极电容，所以可以得到12个灵敏区域(即图3中Pl至P12所在的黑点区域)，也即可得到12个点的浓度。间隔L的值不能太大，也不能太小，如果太大，则不能精确检测流体的实时变化，如果太小，则无法对流体的速度进行响应，也会容易忽略很多流体的变化情况。因此，L的值由传感器所处实际测量环境中管道的内径以及管壁厚度、管道材料的介电常数决定，本实施例中间隔L的值与检测电极2a和电极2b的长度相等。为了降低轴向边缘效应对于电容传感器的影响并简化电容检测电路，本发明中激励电极的电压测量方式采用一体式的结构，即一个激励电极同时激励与其相邻的两对检测电极。当煤粉和空气混合物流经本发明电容传感器所处的管道时，形成一个检测场。如图I所示，在该检测场中，第一步，首先，以电极I作为激励电极，测量激励电极I与其相邻的检测电极2a之间的电容、以及激励电极I与其相邻的检测电极2b之间的电容，即得到轴向不同位置下激励电极I与其相邻的检测电极2间的2个电容；同时，测量激励电极I与其相邻的检测电极12a之间的电容、以及激励电极I与其相邻的检测电极12b之间的电容，即得到轴向不同位置下激励电极I与其相邻的检测电极12间的2个电容。其次，以电极3作为激励电极，采用以上的方法得到激励电极3与其相邻的两对检测电极间的4个电容。以此类推，逐个激励其余的激励电极，依次分别得到各个激励电极与其相邻的两对检测电极之间的4个电容。第二步，利用有限元分析方法得到传感器输出电容和煤粉局部浓度之间的关系，拟合出传感器输出电容和煤粉局部浓度的关系函数，从而由第一步测出的电极电容计算出煤粉的局部浓度。第三步，利用在时段T中的某一时刻t，激励电极I与检测电极2a之间的电容测量信号X(t- T )、激励电极I与检测电极2b之间的电容测量信号y(t)作互相关计算，得到相关函数Rjt(T),其中T代表相关函数Rjt(T)的时间变量,互相关计算公式如下所示
I T
R70, (T) = Iim — f y (t) X (t- r)dt
0
又如图3所示，相关函数的峰值点Rx/ T m)所对应的时间变量即为检测电极轴向两部分之间的渡越时间T m,下标 表示所对应的检测电极，而双阵列式电容传感器轴向电极间的距离L已经确定，所以用相关法可测量煤粉在激励电极I所对应的灵敏区域Pl点的速度Vpl=L/以此类推，用同样的方法可测到煤粉在其他激励电极所对应的灵敏区域点的速度。根据以上步骤，可以获得煤粉和空气混合物中的煤粉的局部浓度分布和速度分布。通过煤粉的浓度分布和速度分布建立煤粉和空气混合相的流动模型，完成气固两相流的检测，能够及时有效地监测流动过程中的不稳定因素，防止堵塞。在不知流型气力输送过程中，也可以根据上述方法测出浓度量分布和速度量分布。浓度量反映气固流的固气比，速度量反映气固流的动态流动状况。将浓度分布和速度分布这两个参数相结合，则可以监测和诊断气固流动过程，并可以对流型进行辨识。
权利要求
1.一种双阵列式电容传感器，包括η个激励电极和η个检测电极，所述激励电极和检测电极相间排列，η为自然数，其特征在于所述检测电极在轴向上被分为对称的两部分，且两部分之间存在间隔L。
2.根据权利要求I所述的一种双阵列式电容传感器，其特征在于所述间隔L由传感器所处实际测量环境中管道的内径以及管壁厚度、管道材料的介电常数决定。
3.根据权利要求I所述的一种双阵列式电容传感器，其特征在于所述激励电极同时激励与其相邻的两对检测电极。
4.一种基于权利要求I所述的双阵列式电容传感器的气固两相流检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤 步骤Α，在双阵列式电容传感器所处的管道中，当有气固两相流流经双阵列式电容传感器时，以气力输送粉状固体为测试对象，通过测量双阵列式电容传感器相邻电极间电容以获得双阵列式电容传感器内部固相局部浓度，从而重建管道内部双阵列式电容传感器两个截面的固相浓度分布； 步骤B，根据气固两相流流体中固相局部浓度的随机变化引起双阵列式电容传感器极板间电容量的随机变化，对双阵列式电容传感器两个截面的浓度采用互相关法作计算得到局部位置速度，进而重建管道内部速度场分布； 步骤C，根据步骤A测得的固相浓度分布和步骤B测得的速度场分布，对气固两相流的流动过程进行监测和对流型进行识别。
5.根据权利要求4所述的气固两相流检测方法，其特征在于所述步骤A通过测量传感器相邻电极间电容以获得传感器内部局部浓度，是通过有限元分析方法得到双阵列式电容传感器的输出电容和固相局部浓度之间的关系，拟合出输出电容和固相局部浓度的关系函数，从而由测出的相邻电极电容计算出固相局部浓度。
6.权利要求4所述的气固两相流检测方法，其特征在于步骤C所述对气固两相流的流动过程进行监测和对流型进行识别的具体方法为通过固相浓度分布和速度分布来监测气固两相流动过程，其中固相浓度分布量反映气固两相流的固气比，速度分布量反映气固两相流的动态流动状况，将浓度分布和速度分布结合，则能够实现监测气固流动过程。
全文摘要
本发明公开了双阵列式电容传感器及其气固两相流检测方法，属于多相流检测领域。本发明是利用双阵列式电容传感器相邻极板灵敏度不均匀的特点，通过测量相邻极板电容以获得传感器内部局部浓度，从而重建管道内部两个截面的相浓度分布。根据流体中离散相局部浓度的随机变化引起极板间电容量的随机变化，采用互相关法快速重建管道内部速度场分布。从而根据浓度分布和速度分布对气固流的稳定性和流型等过程规律进行非接触式监测和研究。本发明方法是电容层析成像技术的延伸，测量数据少且无需复杂运算，检测速度快；避免ECT图象重建的非线性误差，检测准确可靠，为气固两相流流动特性研究提供了有力手段。
文档编号G01N27/22GK102768229SQ201210258938
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月25日 优先权日2012年7月25日
发明者张智, 徐弈辰, 施源, 李虎, 杨道业 申请人:南京工业大学