PDF《用于气液两相流流型识别的 ECT 传感器的优化设计》

第15 卷第6期2011 年6月电机与控制学报ELECTRIC MACHINES AND CONTROL Vol.

15 No.

6 June

2011 用于气液两相流流型识别的 ECT 传感器的优化设计 周云龙

1 , 衣得武

2 , 高云鹏

2 ( 1. 东北电力大学 能源与机械工程学院,吉林 吉林 132012;

2. 东北电力大学 自动化工程学院,吉林 吉林 132012) 摘要: 为提高电容层析成像系统图像重建的质量, 采用有限元方法, 建立电容层析成像系统敏感 阵列电极二维数学模型, 同时以

8 电极水气两相流电容层析成像为研究对象, 分析不同电极覆盖率 以及屏蔽电极与电极外表面距离对电容层析成像系统电容值及敏感区域的影响.结果表明, 电极 覆盖率在 80% 左右时, 电容传感器灵敏度均匀性得到提高, 屏蔽半径是管道内径的 1.

4 ~ 1.

8 倍时, 固有电容达到最大.依据仿真结果, 证明建立的有限元模型是正确的, 经优化设计后的传感器 使电容层析成像系统的图像重建质量得到提高. 关键词: 气液两相流;

电容层析成像;

优化设计;

有限元仿真;

图像重建 中图分类号: TP

216 文献标志码: A 文章编号: 1007- 449X( 2011) 06- 0062-

05 Optimal design of ECT sensor for gas- liquid two- phase flow pattern identification ZHOU Yun- long1 , YI De- wu2 , GAO Yun- peng2 ( 1. College of Energy Resource and Mechanical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China;

2. College of Automation Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China) Abstract: To improve the quality of image reconstruction,a mathematical model of 2- dimensional electri- cal capacitance tomography electrodes array is established,and the object of study is 8- electrode water- gas two- phase flows electrical capacitance tomography system. The influence of the covering ratio and guards radius on capacitance and sensitive area were analyzed by the finite element method. The results show the sensitivity uniformity of sensors are improved while the electrode covering ratio is around 80% , and inherent capacitance achieves maximum while guard electrode radius size is 1.

4 ~ 1.

8 times of pipe diameter. According to the simulation results,finite element model is right,and the result of image re- construction is improved effectively due to the sensor'

s optimal design. Key words: gas- liquid two- phase flow;

electrical capacitance tomography;

optimal design;

finite element simulation;

image reconstruction 收稿日期:

2010 -

12 -

29 基金项目: 国家自然科学基金( 50976018) 作者简介: 周云龙( 1960―) , 男, 教授, 博导, 研究方向锅炉水动力特性, 油-气-水多相流动特性和气液两相流流型识别研究;

衣得武( 1985―) , 男, 硕士研究生, 研究方向气液两相流流型识别研究;

高云鹏( 1986―) , 男, 硕士研究生, 研究方向气液两相流流型识别研究.

0 引言在动力工程、 石油化工、 核能利用等领域广泛存 在气液两相流动工况, 如冷凝器、 蒸发器及核反应堆 蒸汽发生器等管壳式换热设备 [1 -

2 ] .管束间的气液 两相流型对流体的流动特性和传热规律有着重要的 影响 [3 ] , 同时也影响流动参数的准确测量以及两相 流系统的运行特性, 因此气液两相流流型识别的研 究一直是两相流参数测量的一个重要研究方向, 同 时也为核工业等生产设备安全、 经济运行提供了有 力的技术支持. 电容 层析成像(electrical capacitance tomo- graphy,ECT) 技术是上世纪

80 年代末由英国曼彻 斯特大学理工学院提出的一种新的过程层析成像技 术[4 ] , 它是通过测量绝缘体表面周围电极之间的电 容值来计算物体内部介电常数的空间分布, 获取管 道截面相分布的微观信息的一种方法, 比较常用的 例子是应用于管道的气/液、 气/固两相流的检测. 这种技术可提供常规仪器无法探测的封闭管道及容 器中多相介质的浓度分布、 运动状态等可视化信息, 比之其他多相流检测技术电容层析成像具有成本低 廉、 非侵入性、 适用范围广、 安全性能好等优点 [5 -

6 ] . 但是 ECT 系统重建图像的质量受敏感场的 软场 特性影响, 而其敏感场又跟传感器的设计密切 相关, 因此很有必要对影响传感器的参数进行分析.

1 ECT 系统的工作原理及有限元模型 电容层析成像系统主要由电容传感器、 数据采 集系统和图像重建三部分组成, 如图

1 所示.它的 基本原理是利用管道内多相流体各分相介质具有不 同的介电常数, 通过均匀安装在绝缘管道外壁的电 容传感器测得各电极对的电容值.由于这些测量值 反映了管道内介电常数分布情况, 计算机利用这些 数据, 通过采用某种图像重建算法, 得到管截面上的 相分布图, 直观地获得管道内多相流体的相分布可 视化信息. 图1电容层析成像系统结构 Fig.

1 Structure of 8- electrode ECT system 从图

1 中可以看出, 电容传感器是系统的信息 来源, 影响着整个系统的性能.所以进行优化设计 很有必要.图2是电容传感器横截面图, 该传感器 主要由绝缘管道、 检测电极和屏蔽电极三部分构成. 绝缘管道一般采用有机玻璃, 即可以绝缘, 同时又便 于观察管道内流体状态;

检测电极由金属铜箔构成;

屏蔽电极主要由屏蔽罩和径向电极组成, 屏蔽罩用 来抑制外界电磁场的干扰.径向电极与屏蔽层相连 接且指向圆心, 用来降低相邻电极间的高固有电容 以扩大系统的动态范围. 图2电容传感器的横截面图 Fig.

2 Cross- section of ECT sensor 本系统采用低频激励小于 1MHz, 并且传感器 的轴向长度与管道外径之比大于 1. 5, 即可认为是 二维场 [7 -

8 ] , 也就说电极轴向的边缘效应可以忽略. 假设传感器空间自由电荷为 0, 则电容层析成像系 统的数学模型可用泊松方程表示为 ・[ ε( x, y) Φ( x, y) ]= 0. ( 1) 式中: Φ( x, y) 为二维的电势函数, ε( x, y) 为介电常 数分布函数. 当电极 i 是激励电极时, 相对应的边界条件为 Φ( x, y) | ( x, y) ∈Γi = u, Φ( x, y) | ( x, y) ∈Γj = 0, ( j = 1, 2, i≠j, …, 8) , Φ( x, y) | ( x, y) ∈Γs + Γm =

0 } . ( 2) 式中: Γi 为激励电极( i = 1, 2, …, 8) ,Γj 为检测电 极, Γs 为径向电极 Γj , Γm 为屏蔽罩的空间电位.依 据电磁场理论静电场中的电场强度 E( x, y) 数学表 达式为 E( x, y) = - Φ( x, y) . ( 3) 当电极 i 为源电极, 电极 j 为检测电极时, 由高 斯定律可知, 电极 j 上的感应电荷为 Qij = ∮ Γ j ε

0 ε( x, y) E( x, y) ・^ ndl = - ∮ Γ j ε

0 ε( x, y) Φ( x, y) ・^ ndl. ( 4) 式中: ε

0 为自由空间的介电常数;

Γj 为包围检测电 极j的封闭曲线;

n 为曲线 Γj 的单位法向量.当Qij 得知后, 电极 i 和电极 j 之间的电容如式( 5) , 式中 Uij 为电极 i 和电极 j 之间的电压 [9 ] . Cij = Qij Uij . ( 5) 对于

8 ........