多相流電容傳感器專利技術(shù)綜述

柳萌

摘 要：本文對(duì)用于多相流檢測(cè)的電容傳感器領(lǐng)域的專利申請(qǐng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，闡述了用于多相流檢測(cè)的電容傳感器的專利申請(qǐng)發(fā)展歷程，并結(jié)合專利申請(qǐng)對(duì)該領(lǐng)域的技術(shù)手段進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：相流； 電容傳感器；靈敏度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.187

1 引言

多相流廣泛應(yīng)用于化工、冶金、電力、石油等各個(gè)領(lǐng)域，比如對(duì)各種顆粒狀、纖維狀、葉片狀等物料的輸送所采用的氣力輸送系統(tǒng)屬于氣固兩相流體系，石油領(lǐng)域中管道中的物料輸送多為油水兩相流體系[1-2]。管道內(nèi)各相的濃度和速度參數(shù)是非常重要的流動(dòng)參數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)定流動(dòng)參數(shù)對(duì)理解生產(chǎn)特性及優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)十分重要。

2 電容傳感器簡(jiǎn)介

電容傳感器檢測(cè)多相流的原理在于電容傳感器極板間的電容量隨著極板間流動(dòng)的多相流混合物的介電常數(shù)變化而變化。電容式傳感器具有受導(dǎo)電性影響小、測(cè)量靈敏度高、安裝方便及信號(hào)穩(wěn)定等特點(diǎn)，尤其是對(duì)油水兩相流相含率參數(shù)測(cè)量具有獨(dú)到優(yōu)勢(shì)[2]。

3 專利文獻(xiàn)分析

采用與電容傳感器相關(guān)的關(guān)鍵詞，配合分類號(hào)在中國(guó)專利文獻(xiàn)摘要數(shù)據(jù)庫(kù)（CNABS）和德溫特世界專利數(shù)據(jù)庫(kù)（DWPI）檢索相關(guān)專利，在DWPI中檢索到文獻(xiàn)34篇，在CNABS中檢索到文獻(xiàn)150篇，并對(duì)上述專利文獻(xiàn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

3.1 全球申請(qǐng)量的年度發(fā)展趨勢(shì)

由圖3-1可知，國(guó)外在該方面的研究早于國(guó)內(nèi)，申請(qǐng)量隨時(shí)間波動(dòng)幅度小，總體申請(qǐng)量也不大。我國(guó)關(guān)于該方面的專利雖然出現(xiàn)的較晚，但隨著時(shí)間的推移，申請(qǐng)量開(kāi)始逐年穩(wěn)定增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)的總體申請(qǐng)量遠(yuǎn)多于國(guó)外，該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展較為迅速。

3.2 主要申請(qǐng)人分布

國(guó)外的申請(qǐng)人主要集中在一些石油公司，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量排名靠前的絕大部分是國(guó)內(nèi)高校，其中，浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)和清華大學(xué)是熱門(mén)研究院校。此外，還有大慶油田有限責(zé)任公司，大慶油田管理局油田建設(shè)設(shè)計(jì)研究院等。

4 多相流檢測(cè)電容傳感器的發(fā)展

多相流測(cè)量一直是工業(yè)測(cè)量及實(shí)驗(yàn)室研究的重要課題，采用電容法測(cè)量成本低，可靠性高，因此備受重視。然而管道中兩相分布的狀態(tài)或流型會(huì)影響電容的輸出，造成測(cè)量誤差。如何減小電容傳感器的測(cè)量誤差，提高靈敏度，一直是國(guó)內(nèi)外人員的研究重點(diǎn)。

在電容傳感器的發(fā)展歷程中，為了解決其測(cè)量精度差的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員從電極形狀、電極尺寸、復(fù)合傳感器、測(cè)量電路等方面進(jìn)行了改進(jìn)，為精確的測(cè)定多相流流動(dòng)參數(shù)提供了基礎(chǔ)。

（1）采用旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)減小測(cè)量誤差。US5151660 A提出一種用于油氣水和油水多相流檢測(cè)的電容傳感器，該傳感器包括內(nèi)層，外層，中空孔，電極板嵌在外層和內(nèi)層之間，電極板的電極由三部分構(gòu)成，形成螺旋結(jié)構(gòu)，這種旋轉(zhuǎn)的電極所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)可以明顯減小由于相分布的不同給電容測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響。

（2）優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)減小測(cè)量誤差。早在1990年，研究人員就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在絕緣管道外圍安置兩個(gè)弧形電極構(gòu)成電容傳感器時(shí)，可通過(guò)適當(dāng)選擇絕緣管壁厚度及電極對(duì)管心的張角等參數(shù)得到在管道截面上幾乎處處均勻的敏感度分布。

CN1063361A提出了一種對(duì)流型變化不敏感的相濃度計(jì)。該濃度計(jì)采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)的多電極電容傳感器，通過(guò)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)尺寸，在載流管道橫截面上造成處處均勻的測(cè)量敏感場(chǎng)。在此前提下再實(shí)現(xiàn)敏感場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)測(cè)量，將均勻場(chǎng)與旋轉(zhuǎn)場(chǎng)測(cè)量方法各自的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，該專利具體采用R2/R1≈2.2，≈108°的電極結(jié)構(gòu)獲得了處處均勻的敏感場(chǎng)，其中角值約為108°是由于在10電極系統(tǒng)中每次選擇3個(gè)電極接在一起構(gòu)成一個(gè)被測(cè)電容極板。

（3）組合型傳感器減小測(cè)量誤差。超聲波法和電容傳感器均可以測(cè)量?jī)上嗔鞯膮?shù)，但是單獨(dú)采用時(shí)，測(cè)量的數(shù)據(jù)可信度低精度低，抗干擾性差，不能抑制雜散電容干擾。

CN2788192Y提出了一種超聲波和電容傳感器的兩相流濃度測(cè)量裝置，該裝置采用了上、下游被測(cè)電容傳感器和超聲波換能器的結(jié)合，利用了數(shù)據(jù)融合原理，提高測(cè)量的可信度和精度。

（4）設(shè)置高精度測(cè)量電路減小測(cè)量誤差。對(duì)于電容式傳感器，電容/電壓轉(zhuǎn)換電路是電容測(cè)量系統(tǒng)硬件的核心部件。小的電容值和電容變化量是很難測(cè)量的。

CN101324186A提出了一種油氣水三相流相含率測(cè)量裝置，其采用雙螺旋電容傳感器以及專門(mén)設(shè)計(jì)的高精度微弱電容測(cè)量電路實(shí)時(shí)在線對(duì)管道內(nèi)的相含率進(jìn)行測(cè)量。微弱電容測(cè)量電路，是針對(duì)油氣兩相流時(shí)雙螺旋電容傳感器電容很小，專門(mén)設(shè)計(jì)的高精度測(cè)量電路，采用該裝置可在線精確的測(cè)量多相流相參數(shù)。

5 小結(jié)

本文對(duì)用于多相流檢測(cè)的電容傳感器進(jìn)行了介紹，目前，雖然對(duì)高靈敏度電容傳感器的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，然而如何提高電容傳感器的靈敏度仍然是學(xué)者們努力的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]張文景.氣固兩相流流動(dòng)參數(shù)檢測(cè)方法研究[D].內(nèi)蒙古科技大學(xué)， 2011.

[2]喬云芬.新型氣固兩相流電容式傳感器研究[D].東北大學(xué)，2011.

[3]劉凱.油液在線監(jiān)測(cè)電容傳感器的研制及在線測(cè)試方法研究[D].沈陽(yáng)理工大學(xué)，2008.endprint