专利名称：气液两相流电容传感器边缘效应的解决方法
技术领域：
本发明涉及一种油田输油管道测量用的电容传感器，特别涉及一种气液两相流电容传感器边缘效应的解决方法。
背景技术：
在石油工业生产中，油井喷出或抽出的原油是一种多相流，其中包含原油、水、天然气及泥砂等，由于输送管道的流动条件不同，这种多相流可能产生环状流、紊流、芯状流等多种流型，它的计量问题是一个非常复杂的问题。而它的准确计量对于石油生产来说是极其重要的依据，例如，油水含量的测量是评价地下储油量、开采价值、采出程度及开采方案的制定都是最重要的技术指标。在此前的电容传感器研究中，把极板假想为无限长，忽略了边缘效应问题，使敏感场不均匀，受流型的影响，使敏感场内流体敏感空间体积难于确定，造成测量误差；在多相流检测中，特别是对相浓度的测量，由于电容传感器的电容值较小，在几Pf至几十Pf之间，所以对电容传感器所产生的电磁场均匀性要求较高，因此在流体方向(传感器轴向方向)及X、Y方向(传感器轴截面)的边缘效应不能忽略，否则将造成很大的测量误差，为解决电容传感器边缘效应问题，在电容传感器上加保护极板并优化确定其长度，是解决多相流电容传感器测量精度的关键之一。
发明内容
本发明的目的是针对现有多相流电容传感器的测量存在的技术问题，提供一种敏感度高、测量精度高，在电容传感器上加保护极板并优化确定其长度来解决多相流电容传感器边缘效应的方法。
本发明包括法兰盘、保护极板、电容极板、连接管道、极板管、屏蔽罩，所述连接管道的两端固定有法兰盘，极板管和屏蔽罩分别固定在两个法兰盘之间，电容极板设置在极板管中间的外圆上，电容极板和屏蔽罩分别接有引线，在极板管外圆上的两边设置有保护极板，保护极板长度L的最佳参数按2R1≤L≤2R2的原则确定，其中R2＝1.5R1，保护极板越长，边缘效应造成的影响越小，但传感器的体积也相应增大，孤形极板张角θ＝120°～140°，保护极板L和孤形极板张角θ是其主要参数，该最佳参数的数学方程式为 采用电磁场三维等参数有限元算法计算的步骤为(1)开始，(2)单元剖分，(3)介电常数设置，(4)合成刚度矩阵，(5)方程组求解，(6)电容集成；其中刚度矩阵合成的步骤为(1)取得单元编号，对于五面体单元，共有六个节点，设节点依次为I、J、K、L、M、N，则单元矩阵共有6×6＝36个元素，(2)取得该单元各节点编号，按I、J、K、L、M、N由小到大记录节点编号，(3)取得各节点总体坐标，(4)按顺序取点i＜j，(5)进行积分运算，(6)求解雅克比矩阵J，(7)求雅克比逆阵，(8)高斯分运算，(9)积分点运算完成，否则转到步骤(5)，(10)存储单元矩阵，(11)检查各节点是否处理完，否转到步骤(4)，(12)各单元是否处理完，否转到步骤(1)，(13)结束。
由于采用上述技术方案，本发明具有结构简单、成本低、寿命长、敏感度高，能精确测量流速、相浓度和滑动比等优点，适合于输油管道非侵入式气液两相流的测量。
图1是本发明结构示意图；图2是本发明有限元算法的流程图；图3是本发明刚度矩阵合成的流程图；图中1法兰盘、2保护极板、3电容极板、4保护极板、5法兰盘、6连接管道、7 极板管、8屏蔽罩、9电容极板引线、10屏蔽罩引线。
具体实施例方式如图所示，结合实施例进一步说明本发明的技术方案和电容传感器边缘效应的解决方法。一种气液两相流电容传感器边缘效应的解决方法，该传感器的连接管道6的两端分别固定有法兰盘1和法兰盘5，极板管7和镀锌板屏蔽罩8分别固定在法兰盘1和法兰盘5之间，电容极板3设置在极板管7中间的外圆上，其外圆两边分别设置有保护极板2和保护极板4，电容极板3接有电容极板引线9，屏蔽罩8接有屏蔽罩引线10。保护极板L和孤形极板张角θ是其主要参数，是采用电磁场三维等参数有限元算法优化确定的，其计算的步骤为(1)开始，K·Φ＝0 ①其中，K为n×n方阵，Φ为1×n列阵表示各节点的电位，n为剖分的总节点数，N为单元数。
Kije=∫01∫01∫-11ϵ(∂Ni∂x·∂Nj∂x+∂Ni∂y·∂Nj∂y+∂Ni∂z·∂Nj∂z)|J|dξdηdζ]]>②其中ε为绝缘层介电常数，N为单元数，Ni、Nj为与单元相关的节点函数J=∂N1∂ξ∂N2∂ξ∂N3∂ξ∂N4∂ξ∂N5∂ξ∂N6∂ξ∂N1∂η∂N2∂η∂N3∂η∂N4∂η∂N5∂η∂N6∂η∂N1∂ζ∂N2∂ζ∂N3∂ζ∂N4∂ζ∂N5∂ζ∂N6∂ζ·x1y1z1x2y2z2x3y3z3x4y4z4x5y5z5x6y6z6]]>③∂Ni∂x∂Ni∂y∂Ni∂y=J-1∂Ni∂ξ∂Ni∂η∂Ni∂ζ]]>④
(2)单元自动剖分，有限元法将三维区域剖分为在输入了电容传感器的各结构参数及剖分的层数、段数后，程序就自动进行节点定位、节点编号、单元编号，最后得到整个剖分结果。
(3)刚度矩阵合成，为求解方程①，首先合成刚度矩阵方程②，为了获得总刚度矩阵，首先需从每个单元入手，如图3所示，先求得单元刚度矩阵。刚度矩阵合成的步骤为(1)取得单元编号，对于五面体单元，共有六个节点，设节点依次为I、J、K、L、M、N，则单元矩阵共有6×6＝36个元素；(2)取得该单元各节点编号，按I、J、K、L、M、N由小到大记录节点编号；(3)取得各节点总体坐标；(4)按顺序取点i＜j；(5)进行积分运算；(6)求解雅克比矩阵J；(7)求雅克比逆阵；(8)高斯分运算；(9)积分点运算完成，否则转到步骤(5)；(10)存储单元矩阵；(11)检查各节点是否处理完，否转到步骤(4)；(12)各单元是否处理完，否转到步骤(1)；(13)结束。
(4)介电常数设置，包括屏蔽部分介电常数设置、绝缘管壁介电常数设置、管道内流体单元介电常数设置。
(5)方程组解法，是在合成刚度矩阵后，求解大型稀疏方程组⑤，选用了共轭斜量迭代法。
(6)电容集成是根据高斯定律，可求得电容一个极板上的电荷量，再根据方程⑥即可得到电容值。首先提取闭合高斯面，而后，在高斯面上进行对坐标的曲面积分，算出一极板上的电荷，也就得到了电容值。
反复应用有限元方程，并利用方程⑦，即可实验测得保护极板的最优长度。加保护极板的结果，将使敏感场内的电场发生变化，即轴向均匀性有大大改善，表现在电容值上，则电容值是保护极板长度的函数，电容值随着保护极板长度变化而变化，但是电容值最后将趋向一个定值，因为这时电力线曲度已达极限，再加长电容保护极板也改变不大。从这个观点出发，就可以从电场电力线的曲度和电容值的变化情况对边缘效应进行分析及对保护极板进行优化设计。
其中，E为保护极板长度的函数，E＝f(L)(L为保护极板长度)。
权利要求
1.气液两相流电容传感器边缘效应的解决方法，该电容传感器包括法兰盘、保护极板、电容极板、连接管道、极板管、屏蔽罩，所述连接管道的两端固定有连接法兰盘，极板管和屏蔽罩分别固定在两个连接法兰盘之间，电容极板设置在极板管中间的外圆上，电容极板和屏蔽罩分别接有引线，其特征是，在极板管外圆上的两边设置有保护极板，保护极板长度L的最佳参数按2R1≤L≤2R2的原则确定，其中R2＝1.5R1，孤形极板张角θ＝120°～140°，该最佳参数的数学方程式为 采用的电磁场三维等参数有限元算法计算的步骤为(1)开始；(2)单元剖分；(3)介电常数设置；(4)合成刚度矩阵；(5)方程组求解；(6)电容集成；
2.如权利要求1所述的电容传感器边缘效应的解决方法，其特征是，刚度矩阵合成的步骤为(1)取得单元编号，对于五面体单元，共有六个节点，设节点依次为I、J、K、L、M、N，则单元矩阵共有6×6＝36个元素；(2)取得该单元各节点编号，按I、J、K、L、M、N由小到大记录节点编号；(3)取得各节点总体坐标；(4)按顺序取点i＜j；(5)进行积分运算；(6)求解雅克比矩阵J；(7)求雅克比逆阵；(8)高斯分运算；(9)积分点运算完成，否则转到步骤(5)；(10)存储单元矩阵；(11)检查各节点是否处理完，否转到步骤(4)；(12)各单元是否处理完，否转到步骤(1)；(13)结束。
全文摘要
一种气液两相流电容传感器边缘效应的解决方法，其两相流电容传感器设置有保护极板，保护极板长度L的最佳参数按2R
文档编号G01N27/22GK1487288SQ0313392
公开日2004年4月7日 申请日期2003年9月8日 优先权日2003年9月8日
发明者杨康, 杨 康 申请人:沈阳工业学院