封闭管道内散装固体物料流截面相浓度测量方法研究

　　1　引　　言

　　封闭管道内散装固体物料质量流量的测量是许多生产和运输过程中亟待解决而又未能很好解决的难题。目前采用的检测方法主要有:电容噪声法、微波多普勒法、射线测量法、相关流量测量法以及流动成像法[1]等,这些气固两相流流量的非接触式在线测量技术包括了流速和截面相浓度实时测量两个方面的技术,其中流速的测量技术已趋于成熟,但对于截面相浓度检测技术的研究仍显不足,普遍存在检测精度低、实时性不好等问题。这里设计了一种新型环形栅极式相浓度电容传感器及变送器,有效地减少了两相流型的变化及不同的相分布对测量产生的影响,提高了测量精度。

　　2　电容式相浓度传感器的检测原理

　　目前圆形封闭管道内散装固体物料截面相浓度的测量,普遍采用非接触式电容测量法。其原理是:通过电容传感器检测两相流体混合介电常数的变化对外加激励电场的调制信号,经转换标定后,获得气固两相流的相浓度。该方法具有结构简单、实时性好、灵敏度高等优点,但这种检测方法同时也存在一个棘手的问题:即对于相同的相浓度,由于固相介质分布位置的不同,会对应不同的电容测量值。为了有效地减少不同流型及相分布对测量值的影响,必须尽力营造均匀场。为考察不同的电极设计对营造均匀场的影响,需要对电容敏感场检测特性进行分析。

　　2.1　电容敏感场特性分析

　　根据有限元理论,假设圆形敏感场区域可以离散为M个单元,如图1所示。当改变其中一个单元由ε1→ε2,而其他单元保持不变,此时,定义单元相对灵敏度:

　　式中,Sε,j是第j个单元由ε1→ε2时所引起的单元相对电容改变量,Cε,j是第j个单元由ε1→ε2时的输出电容;C0是截面全为空气时的输出电容,βj是截面上第j个单元与整个截面积之比。采用统计学中标准差与变分参数的概念,定义相对灵敏度变分参数SVP:

　　式(3)从统计角度反映了整个截面上的平均检测灵敏度,式(4)反映了相对灵敏度在整个敏感截面的标准差,而SVP值综合反映了敏感区域电场分布的均匀性,因而可以作为电极优化设计的依据,并通过电磁场的数值计算或模拟试验测定。

　　2.2　电容传感器的设计

　　通过对各种电容电极的比较提出了一种新型电极设计方法:将具有一定间隙比的电极分成对称的两部分,并将其分别并联起来形成一个大的等效两极板电容,环形围绕于管壁外,其中电极间隙为δ,长度为L,宽度为W,极数为K,并形成环形栅极结构,如图2所示。

　　当栅极数K满足:K=2N　(N=1,2,3,…)正负栅极成均匀分布。