一种用于两相流检测的四扇区分布式电导传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于两相流检测的四扇区分布式电导传感器，包括垂直上升管道及四对电极，每对电极均包括一个固定在垂直上升管道较上部位的激励电极E和一个固定在垂直上升管道较下部位的测量电极M，四对电极中的每个电极包括一段弧形环，四个激励电极E位于垂直上升管道内的同一高度上，且彼此之间均匀间隔分布，四个测量电极M位于垂直上升管道内、低于四个激励电极E所在高度的同一高度上，且彼此之间也均匀间隔分布，其中每对电极上下平行设置。本发明提供的四扇区分布式电导传感器，可测取非均匀、复杂流体的局部流动信息，为揭示局部流动结构和研究两相流流型演化动力学机制提供重要信息源。
【专利说明】—种用于两相流检测的四扇区分布式电导传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种两相流检测传感器，特别是一种分布式电导传感器。
【背景技术】
[0002]两相流现象广泛存在于石油工程、化学工程、冶金工程、核工程、航空与航天工程等传统工业和新兴工业领域中。两相流是气、液、固三相中任意两相不相容物质的混合流动体系。由于两相流中各成份之间存在着密度、粘度等物理性质上的差异，在流量、压力、重力及管路形状等诸多因素的影响下，导致两相流参数测量十分困难。分相截面含率(相含率)是两相流工业应用系统中一个重要的参数，它的精确测量对于生产过程的计量、控制和运行可靠性都具有重要的意义。
[0003]两相流相含率测量技术主要包括超声法，光学法，射线法，应用阻抗技术的电容和电导法等。由于电导传感器具有原理清晰、结构简单、响应稳定等诸多优点，已广泛地应用于多相流参数测量中，在传感器研发早期，多采用平板电极测量液膜厚度，为了避免传感器对流型的扰动，嵌入管道内壁的环形电极传感器应运而生，例如环形电导传感器、带保护电极和温度补偿的对壁式环状电导传感器、环形和半环形电导传感器、六电极阵列电导传感器和八电极阵列电导传感器等。
[0004]目前，测量管道截面整体平均信息的对壁环形电导传感器和测量空间整体信息的阵列式电导传感器已不能够满足测量局部流动结构精确测取相含率的需求。已有的测量局部信息的电导探针传感器，由于其电极较小，只能测量一个点的流体信息(如局部速度和浓度)，输出信号只有高低电平之分，包含的流动信息量少。单电容弦丝传感器检测范围局限在测量电极附近极其微小的范围之内，且插入式结构会对流场产生扰动，在非均匀、复杂流体的测量上具有局限性。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于提供一种能够在不扰动流场的前提下，尽可能多地捕捉垂直上升管道内流过的非均匀、复杂两相流的局部流动信息而非仅仅是点或者线上的流体局部信息的分布式电导传感器。本发明提供的传感器，可从局部流动信息研究两相流的相间相互作用以及流型的形成、演化机制，并且此传感器测量的数据能通过数据融合，在相含率测量方面有较好的效果。为实现上述目标，本发明的技术方案如下:
[0006]一种用于两相流检测的四扇区分布式电导传感器，包括一段由绝缘体制成的垂直上升管道和固定在垂直上升管道上的四对电极，每对电极均包括一个固定在垂直上升管道较上部位的激励电极E和一个固定在垂直上升管道较下部位的测量电极M，四对电极中的每个电极包括一段弧形环，且每个电极的曲率与垂直上升管道的曲率一致，使得电极可平滑嵌入垂直上升管道的内壁面，四个激励电极E位于垂直上升管道内的同一高度上，且彼此之间均匀间隔分布，呈非连续圆环状，四个测量电极M位于垂直上升管道内、低于四个激励电极E所在高度的同一高度上，且彼此之间也均匀间隔分布，呈非连续圆环状，其中每对电极上下平行设置；每个电极还包括一段连接在所述弧形环上的柱形导体，伸出于垂直上升管道之外，用于信号的输入与输出；每个电极在垂直上升管道内的灵敏度区域为一个扇形。
[0007]作为优选实施方式，各个电极嵌入垂直上升管道内壁面，电极表面与垂直上升管道内壁面平齐；
[0008]每个电极的弧形环对应的圆心角为电极张角，取值范围为[30° ,85° ]，每个电极的弧形环的高度为电极高度，取值范围为[2mm，4mm]，每对电极中的激励电极E与测量电极M之间的间距为电极间距，取值范围为[3mm，6mm];所述用于两相流检测的四扇区分布式电导传感器的最佳参数是:电极张角为45°，电极高度为4mm，电极间距为4mm ;电极由钛合金制成，垂直上升管道由有机玻璃制成。
[0009]本发明的有益效果在于:(I)提供了一种用于两相流检测的四扇区分布式电导传感器，并给出传感器结构参数的取值范围及传感器的最佳结构；(2)四扇区分布式电导传感器可测取非均匀、复杂流体的局部流动信息，为揭示局部流动结构和研究两相流流型演化动力学机制提供重要信息源；(3)通过对此分布式电导传感器四扇区测量信号进行数据融合可获得很好的相含率测量效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明的四扇区分布式电导传感器结构图，Ca)为立体图，(b)为有电极的截面的截面图，(C)为正视图；
[0011]图2为本发明的四扇区分布式电导传感器有限元剖分结构图；
[0012]图3为本发明的四扇区分布式电导传感器总灵敏度和扇区灵敏度计算示意图；
[0013]图4为本发明的四扇区分布式电导传感器测量系统示意图；
[0014]图5为本发明的四扇区分布式电导传感器垂直气液两相流相含率测量版图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图及实施例对本发明的四扇区分布式电导传感器的结构及其结构参数优化方法加以说明。
[0016]如图1所示，四扇区分布式电导传感器，包括垂直上升管道和安装在垂直上升管道上的四对电极Ea、Ma, Eb、Mb, Ec, Mc和Ed、Md，每对电极均包括一个安装在垂直上升管道上端的激励电极E (Ea、Eb、Ec或Ed)和一个安装在垂直上升管道下端的测量电极M (Ma、Mb、Μ。或Md)，四对电极中的每个电极包括一段弧形环，对应的圆心角为Θ，且每个电极的曲率与垂直上升管道的曲率一致，使得电极可平滑嵌入垂直上升管道的内壁面，四个激励电极E位于垂直上升管道内的同一高度上，且彼此之间均匀间隔分布，呈非连续圆环状，四个测量电极M位于垂直上升管道内、低于四个激励电极E所在高度的同一高度上，且彼此之间也均匀间隔分布，呈非连续圆环状，其中每对电极上下平行设置；
[0017]每个电极还包括一段连接在所述弧形环上的柱形导体，用于信号的输入与输出，其长度可根据管道的厚度来确定，伸出管道外可连接导线即可；每个电极在管道内的灵敏度区域为一个扇形，每个电极呈T型，由钛合金制成。
[0018]垂直上升管道由有机玻璃制成，电极由环氧树脂AB胶粘合，嵌入管道内壁面，电极表面与管道内壁面平齐，其中每个电极的厚度为0.002m，每个电极的弧形环对应的圆心角为电极张角，取值范围为[30° ,85° ]，每个电极的弧形环的高度为电极高度，取值范围为[2mm，4mm]，每对电极中的激励电极E与测量电极M之间的间距为电极间距，取值范围为[3mm, 6mm]。
[0019]对四扇区分布式电导传感器进行优化时，首先构建四扇区电导传感器优化设计模型。
[0020]本发明采用有限元方法，利用仿真软件ANSYS建立四扇区电导传感器模型，如图2所示。建模时，设定管道内径D = 0.02m,电极厚度T = 0.002m,管道长度L = 0.2m,电极高度H，电极张角Θ，激励电极与测量电极间距D，水相电阻率δ w = 1000 Ω.m,电极电阻率Os=L 7241e-8 Ω.m。采用自由剖分方式进行网格划分，施加载荷时采用恒流激励，在激励电极Ea、Eb、Ec, Ed上施加0.1mA电流，测量电极MA、MB、Mc, Md上施加电流-0.1mA，将测量电极电压值设置为0V。
[0021]四扇区电导传感器的优化目标为:四对电极在各自的区域内有相对高的灵敏度，同时四对电极之间电场扰动最小。电极的几何参数对传感器电场强度分布有重要影响，为达到传感器的优化目标，在利用ANSYS建模时,在模型中放入一个半径Imm的小球,模拟气泡/油滴运动。小球处于不同位置时，激励电极的电压也跟随变化，因此可通过激励电极变化的电压反映电导传感器的灵敏度。由于四对电极在几何结构上具有对称性，因此同时给四对电极施加电流信号 后，只通过仿真考察其中一对电极的输出电压对小球的响应，即只研究一对电极的灵敏度。小球每变换一个坐标，可计算得到在该坐标的灵敏度值。将小球的坐标遍历管道截面所有位置，得到该对电极的灵敏度分布图。
[0022]定义S(i)为气泡/油滴在第i个位置时电导传感器的灵敏度，表达式为:
[0023]
【权利要求】
1.一种用于两相流检测的四扇区分布式电导传感器，包括一段由绝缘体制成的垂直上升管道和固定在垂直上升管道上的四对电极，每对电极均包括一个固定在垂直上升管道较上部位的激励电极E和一个固定在垂直上升管道较下部位的测量电极M，四对电极中的每个电极包括一段弧形环，且每个电极的曲率与垂直上升管道的曲率一致，使得电极可平滑嵌入垂直上升管道的内壁面，四个激励电极E位于垂直上升管道内的同一高度上，且彼此之间均匀间隔分布，呈非连续圆环状，四个测量电极M位于垂直上升管道内、低于四个激励电极E所在高度的同一高度上，且彼此之间也均匀间隔分布，呈非连续圆环状，其中每对电极上下平行设置；每个电极还包括一段连接在所述弧形环上的柱形导体，伸出于垂直上升管道之外，用于信号的输入与输出。每个电极在垂直上升管道内的灵敏度区域为一个扇形。
2.根据权利要求1所述的分布式电导传感器，其特征在于，各个电极嵌入垂直上升管道内壁面，电极表面与垂直上升管道内壁面平齐。
3.根据权利要求1所述的分布式电导传感器，其特征在于，每个电极的弧形环对应的圆心角为电极张角，取值范围为[30° ,85° ]，每个电极的弧形环的高度为电极高度，取值范围为[2mm，4mm]，每对电极中的激励电极E与测量电极M之间的间距为电极间距，取值范围为[3mm, 6mm]。
4.根据权利要求1所述的分布式电导传感器，其特征在于，所述四扇区分布式电导传感器的最佳参数是，电极张角为45°，电极高度为4mm，电极间距为4mm。
5.根据权利要求1所述的分布式电导传感器，其特征在于，电极由钛合金制成，垂直上升管道由有机玻璃制成。
【文档编号】G01N27/04GK103776875SQ201410033338
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月23日 优先权日:2014年1月23日
【发明者】高忠科, 金宁德, 胡沥丹 申请人:天津大学