CN110243876A - 用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器，其特点在于：第一法兰、第一保护电极、第一绝缘环、接收电极、第二绝缘环、第二保护电极及第二法兰沿轴向依次套接并固定于主管上，发射电极的一端位于主管外，发射电极的另一端***于主管内后沿主管的中心线布置，且发射电极穿过第一法兰、第一保护电极、第一绝缘环、接收电极、第二绝缘环、第二保护电极及第二法兰；两个同心电导传感器中的接收电极相连接，两个同心电导传感器的发射电极相连接，该传感器能够减少发射电极与接收电极之间电场在轴线及周向上的不均匀性，避免边缘效应对测量结果的影响。

Description

用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器
技术领域
本发明属于传感器领域，涉及一种用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器。
背景技术
为了应对日益频繁的调峰需求，超临界锅炉的水冷壁***经常在変负荷条件下运行，面临着气液两相流分配不均的问题。为了避免进入某支管内的液体流量过少，使该支管的管壁因为没有得到足够多流体的冷却而过热，需要实时动态监测水冷壁***含气率参数。而在以往的实验研究中，其测量方法或者不适用于动态过程中的测量，或者会附加额外的阻力，或者测量精度明显不足。因此，为了准确把控并联管内气液两相流的相分配规律，实验参数测量方法需要满足以下要求：响应速度快，测量延迟小，测量频率高；测量精度高，分辨率高；支管内含气率的检测方法对***内的正常流动过程几乎不附加额外的干扰。
由于空气和水的电导率存在很大差别，因此不同分相含率的气液两相流的电导率或阻抗差别很大。电导法将两相流作为导体，在待测流体两侧加入激励电极，向流体施加一定的电压或电流，即可测得极板间流体的电导或阻抗。管内两相流体的相含率与对应的电导值之间存在一一对应的关系，通过标定实验，建立不同工况下两相流体的相含率与对应电导值之间的对应关系。
在电导法测量中，目前应用较为广泛的研究方法主要包括双平行电导探针法、平板电极法、半圆环电极法、界面多电极法、纵向环型多电极法等，但是上述研究方法的电导结构仍然存在一定的不足，例如，双平行电导探针法只能测量具有明显相界面的流形下的两相流体；平板电极法、半圆环电极法、环状电极法由于边缘效应，靠近极板边缘的电场逐步扭曲，灵敏度逐渐下降，电场呈现较强的不均匀性，对于相分布不均的流型，测量结果的精度会显著降低；纵向环型多电极法难以实时测量瞬态过程中的两相流体的相含率。
据检索，发现以下与本申请相关的公开专利的文献，具体公开内容如下：
专利文献CN102426184A公开了一种电导率传感器，该传感器包括通过屏蔽电缆连接的电导率测量短节及传感器电子短节，其中：该电导率测量短节，用于根据激励信号在被测流体里建立电场，获得该电场在预定测量展距上的电位差信号；该传感器电子短节，用于产生该激励信号，将该激励信号施加到该电导率测量短节上，并根据该电位差信号获得该被测流体的电导率。
专利文献CN202008507U公开了一种电导率检测装置，该检测装置与主管相通，包括法兰、径向穿过法兰的检测管、分别设于检测管两端的电导率计和气缸，检测管上开有过流孔，气缸一端设有密封罩。当主管内有水流经过时会通过过流孔进入检测管内，电导率计即可实现对主管内水流进行电导率检测，当通过气缸驱动密封罩套置于电导率计上时，即可将电导率计与过流孔流入的水流隔开。
专利文献CN108397188A公开了一种用于垂直上升管中含水相多相流水相电导率测量的传感器，包括绝缘导流件、测量电极和位于绝缘导流件上方的上端导流件，在轴向切面图中，环形凹槽的形状为两个半圆形。所述上端导流件的主体为柱状，其底部开设有环形凹槽；测量电极固定在绝缘导流件的顶部。
上述专利均不能减小发射电极和接收电极之间的电场在轴向和周向上的不均匀性，不能避免边缘效应对测量结果的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器，该传感器能够减少发射电极与接收电极之间电场在轴向及周向上的不均匀性，避免边缘效应对测量结果的影响。
为达到上述目的，本发明所述的用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器包括主管及并联结构的双同心电导率传感器，其中，所述并联结构的双同心电导率传感器包括两个同心电导传感器，两个同心电导传感器沿轴向依次设置于主管上，其中，两个同心电导传感器均包括发射电极、第一保护电极、第一绝缘环、第一法兰、第二保护电极、第二绝缘环、第二法兰及接收电极，其中，第一法兰、第一保护电极、第一绝缘环、接收电极、第二绝缘环、第二保护电极及第二法兰沿轴向依次套接并固定于主管上，发射电极的一端位于主管外，发射电极的另一端***于主管内后沿主管的中心线布置，且发射电极穿过第一法兰、第一保护电极、第一绝缘环、接收电极、第二绝缘环、第二保护电极及第二法兰；
两个同心电导传感器中的接收电极相连接，两个同心电导传感器的发射电极相连接。
主管内径根据工程实际进行确定。
主管的两端均设置有第三法兰；
第一法兰、第二法兰及第三法兰与主管同轴连接且内径相同。
发射电极为丝状电极，发射电极的直径为1mm，发射电极的长度为100mm，发射电极的材质为紫铜。
接收电极为环状电极，且接收电极的内径与主管内径相同，接收电极的材质为紫铜。
第一保护电极及第二保护电极均为环状电极，第一保护电极的内径及第二保护电极的内径与主管内径相同，第一保护电极及第二保护电极的材质均为紫铜。
第一绝缘环的内径及第二绝缘环的内径与主管内径相同。
第一绝缘环及第二绝缘环的材质为有机玻璃。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器将发射电极与接收电极采用同心布置的方式，具体的，接收电极套接于主管上，发射电极的一端位于主管外，发射电极的另一端***于主管内后沿主管的中心线布置，以实现发射电极与接收电极的同心分布，从流道任一截面上看，发射电极与接收电极之间的电场均为点源电场，并且两侧紧挨第一保护电极及第二保护电极，从而屏蔽轴向两侧的不均匀电场信号，且发射电极与接收电极受到的轴向和周向上的边缘效应较小，仅在径向上存在一定的不均匀性，但相比于传统的半圆环环状电极传感器和环状电极传感器，径向的不均匀性较低，因此可有效地避免边缘效应对测量结果的影响，具有测量结果波动偏差小、稳定性高的特点。另外，本发明中的电导率检测装置包括两个并联的同心电导传感器，相比于单同心电导传感器的实验测量结果的波动偏差更低，稳定性更高；相比于串联的同心电导传感器对测量信号的敏感性更高，即对含气率的变化更敏感。
进一步，发射电极为丝状电极，且位于流道中心线上，接收电极为环状电极，其内径与主管内径相等，确保对管内两相流的正常流动不产生干扰，避免引入额外的测量误差。
附图说明
图1为本发明在主管上的安装示意图；
图2为本发明的径向剖视图；
图3为本发明工作时的等效电路示意图；
图4为本发明在标定实验工况下，电导阻抗值随体积含气率的变化曲线图。
其中，1为主管、2为并联结构的双同心电导率传感器、3为同心电导传感器、4为发射电极、5为第三法兰、61为第一保护电极、62为第二保护电极、71为第一绝缘环、72为第二绝缘环、8为接收电极、91为第一法兰、92为第二法兰。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器，其特征在于，包括主管1及并联结构的双同心电导率传感器2，所述并联结构的双同心电导率传感器2包括两个同心电导传感器3，两个同心电导传感器3沿轴向依次设置于主管1上，其中，两个同心电导传感器3均包括发射电极4、第一保护电极61、第一绝缘环71、第一法兰91、第二保护电极62、第二绝缘环72、第二法兰92及接收电极8，其中，第一法兰91、第一保护电极61、第一绝缘环71、接收电极8、第二绝缘环72、第二保护电极62及第二法兰92沿轴向依次套接并固定于主管1上，发射电极4的一端位于主管1外，发射电极4的另一端***于主管1内后沿主管1的中心线布置，且发射电极4穿过第一法兰91、第一保护电极61、第一绝缘环71、接收电极8、第二绝缘环72、第二保护电极62及第二法兰92；两个同心电导传感器3中的接收电极8电连接，两个同心电导传感器3的发射电极4电连接。
主管1的外径、第一法兰91的内径、第二法兰92的内径及第三法兰5的内径与主管1内径相同，优选为25mm，其中，主管1为透明有机玻璃管；发射电极4为丝状电极，发射电极4的直径为1mm，发射电极4的长度为100mm，发射电极4的材质为紫铜；第一保护电极61及第二保护电极62均为环状电极，第一保护电极61的内径及第二保护电极62的内径与主管1内径相同，第一保护电极61及第二保护电极62均的材质为紫铜。
第一绝缘环71的内径及第二绝缘环72的内径与主管1的内径相同，第一绝缘环71及第二绝缘环72的材质为有机玻璃；接收电极8为环状电极，且接收电极8的内径与主管1内径相同，接收电极8的材质为紫铜。
在工作时，选用9kHz的交流电信号作为传感器的激励信号输入给两个同心电导传感器3中的发射电极4，响应速度快，测量延迟小。
本发明的工作原理为：
参考图3，当流体通过主管1进入联结构的双同心电导率传感器2时，流经位于中心线上的丝状发射电极4，电流在被测流体内建立电场，环状的接收电极8感应到电位差，发射电极4与接收电极8、第一保护电极61及第二保护电极62分别组成电回路，在发射电极上施加正弦交流信号，通过测量回路中的电流大小，可以得到其回路总的电阻值，其等效电路图如图3所示，同心电导传感器3的激励电压Vexc施加在流体***上，而流体***可以拆解为包括流体的电阻R、两电极表面与流体接触时因极化现象产生的接触电阻RS1和RS2、两电极表面与流体接触形成的双电层电容C1和C2、电极间流体作为电介质所产生的电容CS所构成的串并联电路，其中，被测溶液的截面积S为：
当流道的结构确定时，长为l的流体段的电导率σ与流体电阻R的大小成反比。
图4给出了部分标定实验工况下，电导阻抗值随支管内体积含气率的变化结果，由图4可以看出，电导阻抗值随着体积含气率的增大逐渐单调上升，与此同时，不同液相流量下，电导值随体积含气率的变化趋势略有不同，经过标定实验就可以建立起本发明电导阻抗值与对应工况下含气率之间的关系。
以上所述内容仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器，其特征在于，包括主管(1)及并联结构的双同心电导率传感器(2)，其中，所述并联结构的双同心电导率传感器(2)包括两个同心电导传感器(3)，两个同心电导传感器(3)沿轴向依次设置于主管(1)上，其中，两个同心电导传感器(3)均包括发射电极(4)、第一保护电极(61)、第一绝缘环(71)、第一法兰(91)、第二保护电极(62)、第二绝缘环(72)、第二法兰(92)及接收电极(8)，其中，第一法兰(91)、第一保护电极(61)、第一绝缘环(71)、接收电极(8)、第二绝缘环(72)、第二保护电极(62)及第二法兰(92)沿轴向依次套接并固定于主管(1)上，发射电极(4)的一端位于主管(1)外，发射电极(4)的另一端***于主管(1)内后沿主管(1)的中心线布置，且发射电极(4)穿过第一法兰(91)、第一保护电极(61)、第一绝缘环(71)、接收电极(8)、第二绝缘环(72)、第二保护电极(62)及第二法兰(92)；
两个同心电导传感器(3)中的接收电极(8)相连接，两个同心电导传感器(3)的发射电极(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器，其特征在于，主管(1)内径根据工程实际进行确定。
3.根据权利要求1所述的用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器，其特征在于，主管(1)的两端均设置有第三法兰(5)。
4.根据权利要求3所述的用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器，其特征在于，第一法兰(91)、第二法兰(92)及第三法兰(5)与主管(1)同轴连接且内径相同。
5.根据权利要求1所述的用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器，其特征在于，发射电极(4)为丝状电极，发射电极(4)的直径为1mm，发射电极(4)的长度为100mm，发射电极(4)的材质为紫铜。
6.根据权利要求1所述的用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器，其特征在于，接收电极(8)为环状电极，且接收电极(8)的内径与主管(1)内径相同，接收电极(8)的材质为紫铜。
7.根据权利要求1所述的用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器，其特征在于，第一保护电极(61)及第二保护电极(62)均为环状电极，第一保护电极(61)的内径及第二保护电极(62)的内径与主管(1)内径相同，第一保护电极(61)及第二保护电极(62)的材质均为紫铜。
8.根据权利要求1所述的用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器，其特征在于，第一绝缘环(71)的内径及第二绝缘环(72)的内径与主管(1)内径相同。
9.根据权利要求8所述的用于气液两相流含气率瞬态测量的电导率传感器，其特征在于，第一绝缘环(71)及第二绝缘环(72)的材质为有机玻璃。
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