[发明专利]基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置及方法

权利要求书

1.一种基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置，其特征在于：包括区间电容极板及流体管道结构；

所述区间电容极板及流体管道结构包括绝缘管道、地电极、多个曲形极板；所述绝缘管道内设有多个连接金属支撑件的油流探头，所述金属支撑件通过绝缘管道内侧壁上的运动轨道带动油流探头滑动，所述运动轨道内设有复位弹簧；所述油流探头的侧面设有多个V形极板；所述地电极设置在绝缘管道外，与弹簧连接；所述的多个曲形极板包裹在绝缘管道外侧壁上，与多个V形极板一一对应，构成电容的正负极系统，所述的多个曲形极板共同连接于同一电压源，并利用分布式微型电流传感器获取各模块上流通的电容电流；

在绝缘管道外侧包覆有金属屏蔽罩，用于隔离外部信号对电容测量的影响，采用多点接地的方式设计出均匀等地平面；在绝缘管道两端设有可调节尺寸的法兰连接结构，用于安装在不同尺寸管道上；

还包括通信系统及电源系统，所述通信系统包括标准光纤接口、以太网接口及RS232/485接口、后端的连接线，利用中央处理器的DMA方式将存储单元中信息直接传输至通信端口，匹配站内IEC61850协议，实现装置与站内IDE设备、站内通信服务器之间信息上传、实时信息调用、远程控制；

所述电源系统包括外部电源供应系统、不间断电源系统、稳压系统、数模隔离系统，通过整流回路、逆变变频电路、稳压电路、滤波电路、多级分压电路实现±5V、±3V数、模电源电压、200Hz交流电压的稳定输出，搭建电压保护电路，避免大电压作用下装置造成损伤；并利用电池及稳压电路，满足外部电源质量差或故障条件下装置电能持续供应；通过较大的接地面及数模隔离电路，实现数字电源、模拟电源的隔离，避免信号之间的相互干扰，保证监测系统的信号完整性；

所述曲形极板与V形极板构成模块化电容，其电容大小表示为：

C_eq＝ε_eqK_eq (1)

K_eq＝K₀-K₁(|ΔL|)/L (3)

其中，C_eq为V形电容的等效电容值，V₁为气体体积，V₂为油流体积，V_s为电容内部总体积，ε_eq为等效介电常数，ε₁为气体介电常数，ε₂为绝缘油介电常数，K_eq为等效电容形状参量，K₀为无位移下基准电容形状参量，ΔL为电容的整体位移量，L为V形电容整体极板长度；

当气体进入不同的V形电容区间时，将影响V₁的大小，进一步导致区间电容的变化，即电容的变化反映为气体体积的含量，即单个区间内气体体积V_1,i表示为：

其中，ΔC_eq为电容值变化值，通过测量电容电流的方式进行运算，n为区间化电容子区间数量，V₁为总气体量；

从前-后电容的变化曲线判定出第i个区间内气体流过前-后装置间距所花费时间长度为T_1,i，根据长度折算关系，得出第i个区间内部气体流速为式子(6)：

v_air,i＝(L+L₁)/T_1,i (6)

其中，L₁为前-后电容结构之间的距离；

在无位移条件下V形极板与外部曲面极板的面积对称重合，电容有效面积为最大值S₀；当油流直接作用于电容结构前段圆弧端面时，将导致V形极板结构整体向后平移位移ΔL，即表现为电容极板有效面积发生变化，其有效面积变化与平移位移位置ΔL之间存在正比关系；油流前端V形结构整体向后平移ΔL，其大小与油流流速之间存在比例关系；而后端V形结构由于前端结构的阻碍作用，后端V形结构并未发生位移，其模块化电容变化只与流过区间内气体含量有关；通过互差法，获取相同位置前-后V形极板电容差值为ΔC_eq-1，2-i，导出平均电容变化值min(ΔC_eq)为进一步根据式(7)得出ΔL，其中油流流速根据式(8)得到：

v_oil＝a|ΔL| (8)

其中，v_oil为油流流速，a为位移-流速比例系数；

由于V形电容大小C_eq.i与电容电流I_i存在对应关系，根据式(9)得：

由于电源端电压U₀保持不变，运用多通道电流传感器获取各子模块的瞬时电流信号，以得到各子模块电容的瞬态变化值，并将该值作为评估内部气液两相流多参数的实测数据；

针对于外部振动扰动，由于电容模块设计及安装时具有对称性，两者在同一外部振动下将同时发生同向、同幅ΔL的位移，基于互差法的计算原理，同向-同幅振动所带来的位移量将被抵消掉，并不影响后面油速、气体流速的计算结果，即剔除了外部振动对于测量的干扰；针对于内部油流涌动干扰，考虑油流涌动所造成的油压变化具有周期的正-反方向上波动特性，利用装置获取正-反方向上油速v_oil-p、v_oil-op，通过周期识别的方式获取涌动周期T，将v_oil-op油速进行周期折算变化后，并通过正-反参量互差的方式剔除周期性油流涌动所带来的干扰，计算式如(10)：

v_oil＝v_oil-p-v_oil-op.e^-jT (10)。