PDF《用于气液两相流流型识别的 ECT 传感器的优化设计》

28 个灵敏度中的

4 个, 灵敏度的分布称之为敏感 场, 其计算公式为 [10 ]

3 6 第6期周云龙等: 用于气液两相流流型识别的 ECT 传感器的优化设计 Sij ( k) = Cij ( k) - Cgas ij Cwater ij - Cgas ij ・ δ εwater - εgas . ( 6) 式中: Sij ( k) 表示当第 i 个电极为激励电极, 管道内第 k 个象素内充满离散相介质时, 在第 j 个电极上引起 的相对电容变化量;

Cij ( k) 表示第 k 个象素没充满离 散介质时, 电极 i 和电极 j 间的电容值;

Cgas ij 和Cwater ij 分 别为管道内充满空气和水时, 电极 i 和电极 j 间的电 容值;

εgas 和εwater 分别为空气和水的相对介电常数;

δ 为管道的横截面积与第 k 个单元的面积之比.

2 ECT 传感器优化目标的选取 确定 ECT 系统电极的优化指标为敏感场分布 的均匀性以及固有电容变化. ( 1) 灵敏度分布的均匀性 在电磁学成像系统中, 一般敏感场分布往往是 非均匀的, 靠近激励电极和管壁区域的敏感场的灵 敏度高, 在管壁中心区域灵敏度较低.研究中选取 n 个测试单元, 则n个测试单元的灵敏度均值和标 准差分别为 Savg i. j =

1 n ∑ n k =

1 Si, j ( k) , Sdev i. j =

1 n - 1∑ n k =

1 ( Si, j ( k) - Savg i. j ) )

2 1

2 } . ( 7) 其中, Si. j ( k) 表示第 k 个测试单元的灵敏度;

Sdev i. j 表 示灵敏度分布的均匀性.定义 Pi, j = Savg i. j /Sdev i. j . ( 8) Pi, j 值越小, 电极 i、 j 之间的敏感场分布越均匀.为 了综合考虑敏感场的灵敏度和均匀性, 定义指标 P = ∑ i =

1 ∑

5 j =

2 | Pi, j ( ) | /4. ( 9) P 值越小, 说明 ECT 传感器敏感场的整体均匀性 越好. ( 2) 固有电容变化范围 C /Cmax 一个电容测量电路对灵敏度的要求主要依靠固 有电容的变化, 因此, 这是非常有必要研究的指标. C 指管道内充满空气时相邻电容值, Cmax 充满高介 电常数介质时的相邻电容值, 一般要求 C /Cmax 越大 越好, 易于抗杂散电容转换电路的设计. 结合以上两个指标分析, 可以定义加权函数作 为参数优化设计的有约束条件的最优化目标函数为 p'

= f( p, C /Cmax ) . ( 10)

3 ECT 系统阵列电极的结构参数优 化设计 一方面测量灵敏度与传感器电极极板的面积 ( 即电极覆盖率) 有关, 通常电极覆盖率越大, 传感 器的测量灵敏度越高, 然而在传感器尺寸参数固定 情况下, 增加电极覆盖率意味减少传感器极板的数 量, 从而会影响到传感器的成像的分辨率;

另一方面 考虑传感器输出信号很小, 在传感器设计时对噪声 的考虑很有必要, 应加屏蔽电极以降低噪声的影响, 屏蔽层与传感器极板间距离应当合适选择.基于上 述考虑, 首先分析电极覆盖率与 ECT 传感器测量性 能之间的关系.然后在优化后的电极覆盖率的基础 上, 分析屏蔽电极与极板间距离对测量性能的影响. 以8电极传感器为例进行分析. 3.

1 传感器等势线分布 在ECT 传感器设计时常采用有限元仿真的方 法, 通过仿真可以方便地分析各种因素对传感器性 能的影响, 从而提高效率以及降低设计成本. 电极的电势分布情况直接影响着电极间电容的 大小, 从而影响敏感场的分布以及重构图像的质量. 因此, 首先选取了在电极覆盖率分别为 30% 、 60% 、 90% 三种情况下进行分析, 图3( a) 为仿真后得到的 三种情况下的等势线分布图.图3( b) 中给出了