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1、第1卷第2期热科学与技术Vol.1,No.22002年12月JournalofThermalScienceandTechnologyDec.2002文章编号:167128097(2002)0220152203电容式气固两相流相浓度传感器的研究韩 丽, 归柯庭, 施明恒,徐治皋(东南大学动力系,江苏南京 210096)摘要:采用两对极板交错放置的电容器和具有误差补偿功能的高频振荡电路研制成一种新型的电容式两相流相浓度传感器。实验结果表明:该传感器具有较高的灵敏度和稳定性、较平坦的灵敏度场和较好的测量线性度,可以满足实际两相流相
2、浓度的测量要求。关键词:两相流;电容传感器;相浓度中图分类号:TP212文献标识码:A0 引 言电容法测量两相流相浓度在工业过程中具有良好的应用前景。相比较其它测量方法,电容法具有安全可靠,经济性好,非侵入式测量,易于安装,[1,2]响应快的特点。电容法测量两相流的工作原理为,将电容极板安装在流动管道外,当管道内流体组分发生变化时,相应的介电常数也会发生变化,图1电容极板系统图从而引起电容值的变化。通过测量极板间的电容Fig11Thecapacitanceelectrodesystem值,即可得到管道内的相浓度。具体应用时需
3、要注意以下两点:(1)电容极板的结构应具有高而均 假定电容极板的长径比很大,则可忽略电容匀的检测场灵敏度,使传感器的测量结果只与相极板长度方向电场的不均匀性,从而将检测场的浓度有关而与流型的变化无关;(2)由相浓度变分析放在二维空间上。图1的电容极板系统满足化引起的电容量变化十分微小,因此传感器测量拉普拉斯方程:(假设管道内无空间电荷分布)。$$电路必须具有较高的稳定性和灵敏度以及较强的õ(E0E(r)<(r))=0(1)抗杂散电容干扰的能力。式中:<(r)为检测空间电位分布函数,E(r)为介质$通过对电容极板结构的分析,
4、提出一种采用介电常数分布,为梯度算子。两对极板交错放置的电器和具有误差补偿功能的设B为在两块极板及屏蔽层上的边界电位分高频振荡测量电路。该电容传感器的检测场灵敏布,其表达形式为度分布较均匀,而且该测量电路具有低漂移,高灵B={(<(#s)=+V)∪(<(#d)=0)∪(<(#e)=敏度的特性。实验证明,由该优化极板结构和测量0)}(2)电路构成的传感器测量性能较普通传感器有明显式中:#e是屏蔽层的表面函数;#s、#d分别是源极的改善。板和检测极板上的表面函数;<(#s)、<(#d)分别1 电容极板系统及其模型为源极板和检测极
5、板上的电位分布;+V是加载在极板上的电压。本文研究的电容极板系统如图1所示,由一确定边界条件B后,可进一步求得单位检测块源极板和一块检测极板(接地)以及屏蔽层(避极板上的电容值CE免极板系统受外电磁干扰)组成。收稿日期:2001205211; 修回日期:2002207230.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50176009);国家重点基础研究发展规划项目(G20000263).作者简介:韩 丽(19772),女,博士生. 第2期 韩 丽等:电容式气固两相流相浓度传感器的研究153$ 图2中A、D相连,B、C相连。由图
6、中可以看kE(r)<(r,E(r);B)õdsj#d出,这种两对交错极板排列方式,两对极板错开CE=-E0(3)<(#s)-<(#d)90°,可以使高灵敏度区和低灵敏度区相互抵消,式中:<(r,E(r);B)是空间电位分布函数,它既依使检测区域四周的灵敏度变化剧烈变化的波峰值赖于空间介电常数分布E(r),又依赖于系统的边$和波谷值相互抵消,使灵敏度分布变得平坦。采用界条件B;它的梯度(<)是空间电位强度矢量;了交错连线方式,综合了前后两个电容值。而且,CE是极板系统单位长度的电容测量值。在工业现场,工况的变化是个连续过程,可
7、以认为当固体颗粒分布不均匀时,有可能在前一对极板2 电容极板的优化排列系统处于高灵敏度区,到下一对极板时就处于低为使相浓度测量不受流型及相分布的影响,灵敏度区。这样,将前后信号进行迭加,可以有效希望在任何位置上,相同面积的微小区域上相同克服流型对测量结果产生的影响。介电常数变化所引起的传感器输出量相等。即获得灵敏度均匀的检测场是传感器结构优化的主要3 测量电路目标。下面提出一种判断电容极板检测场灵敏度由于实际测量中固相浓度较低,其体积分数分布均匀性的标准。约为10-4数量级;故要求电容传感器的灵敏度非设检测区域内有M个单元,
8、当其中一个单元常高,才能满足测量要求。但采用常规测量电路的的介电常数由E=1变为E>1,其它单元仍保持电容传感器的灵敏度都偏低,难以满足测量要求。不变(E=1)时,定义参数SE,j如下:为此,作者采用具有误差补偿功效的高频振荡测(CE,j-C0)量电路,其原理框图如图3所示。SE,j=(j
