[发明专利]双阵列式电容传感器及其气固两相流检测方法

说明书

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L。

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：