PDF《用于气液两相流流型识别的 ECT 传感器的优化设计》

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 电极 ECT 传感器, 根据对称性, 只考虑