补偿介电常数的电容式气固两相流固相体积浓度测量法

摘要

一种补偿介电常数的电容式气固两相流固相体积浓度测量法，属于多相流检测领域。采用两个电容传感器对固相体积浓度进行测量，由第一电容传感器提供固相介电常数补偿数据，第二电容传感器利用第一电容传感器提供的固相介电常数补偿数据校正因介电常数变化引起的固相体积浓度测量误差，进而由第二电容传感器输出经补偿后的固相体积浓度。第一电容传感器和第二电容传感器在结构上相同或者不同。第一电容传感器和第二电容传感器内均设置有具有相同介电常数的固相介质。本发明在固相介电常数变化情况下，对固相介电常数变化进行补偿，减少或消除固相介电常数变化对固相体积浓度的测量引起的误差，进而在固相介电常数变化时提高固相体积浓度的测量精度。

说明书

技术领域

本发明属于多相流检测领域，特别涉及一种补偿介电常数的电容式气固两相流固相体积 浓度测量法。

背景技术

气固两相流技术在工业中得到了广泛的应用，如燃煤锅炉、炼铁高炉中的煤粉喷吹，轻 工，化工，粮食，食品，制药等工业中的气力输送等等。固相的体积浓度是气固两相流动中 的一个重要参数，关系到气固两相流的流动状态和传热、传质效果并从而关系到能源利用和 环境保护等。固相体积浓度的准确测量及实时监控对于稳定工业生产过程，提高产品的质量 与产量，节能，环保以及提高工业的整体自动化水平具有重要意义。

电容传感器在气固两相流测量中，因其具有非接触，非插入，结构简单，耗能低，安全， 无可动部件，寿命长，维护量低等优越性而被广泛采用，是目前国际上的主流测量方法。

电容传感器用于气固两相流浓度准确测量的一个重要前提是固相介质的介电常数恒定。 但是，由于多种无法控制的因素，如煤种，会引起固相介电常数的变化，甚至经常变化。这 是导致利用电容传感器测量固相浓度误差大，以至导致该法测量失败的一个主要原因。这也 是目前国际范围里利用电容传感器测量气固两相流固相浓度的一个共同存在的问题。

发明内容

针对气固两相流固相介电常数不恒定并从而导致测量结果误差大的缺陷，本发明的目的 是提供一种补偿介电常数的电容式气固两相固相体积浓度测量方法，以减小或消除因固相介 电常数变化而引起的固相体积浓度的测量误差，从而提高气固两相流固相体积浓度测量精度， 并进而提高气固两相流质量流量测量的精度。

本发明的技术方案是这样实现的：一种补偿介电常数的电容式气固两相流固相体积浓度 测量方法，过程如下：

采用两个电容传感器对固相体积浓度进行测量，由第一电容传感器提供固相介电常数补 偿数据，第二电容传感器利用第一电容传感器提供的固相介电常数补偿数据校正因介电常数 变化引起的固相体积浓度测量误差，进而由第二电容传感器输出经补偿后的固相体积浓度。

所述的第一电容传感器和第二电容传感器在结构上相同或者不同。

所述的第一电容传感器在固相介电常数补偿数据测量过程中具有固定的体积浓度。

所述的第一电容传感器和第二电容传感器内均设置有具有相同介电常数的固相介质。

确定在固定固相体积浓度下所述的第一电容传感器的电容输出值与等效介电常数之间的 关系以及第一电容传感器的电容输出值与固相介电常数之间的关系。

确定所述的第二电容传感器的电容输出值与等效介电常数之间的关系。

根据第一电容传感器的电容输出值与固相介电常数之间的关系，确定第一电容传感器的 固相介电常数补偿值。

所述第二电容传感器利用第一电容传感器确定的固相介电常数补偿值及第二电容传感器 的电容输出值与等效介电常数之间的关系，即可输出经过补偿后的等效介电常数值，进而可 输出经过补偿后的固相体积浓度。

本发明的有益效果：本发明可以实现对固相体积浓度测量中固相介质介电常数的变化进 行补偿，减小或消除固相介电常数变化带来的固相体积浓度测量误差。

附图说明

图1为本发明一种实施方式现有一对平行表面极板电容式气固两相流固相体积浓度测量 方法示意图；

图2为本发明一种实施方式补偿介电常数的电容式气固两相流固相体积浓度测量法流程 图；

图3为本发明一种实施方式一对平行表面极板电容传感器输出电容值序列与等效介电常 数序列拟合示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步详细的说明。

电容式固相体积浓度的测量原理为：气固两相流体的气相及固相具有不同的介电常数， 当流体通过电容极板间所形成的检测场时，由于固相体积浓度的变化会引起流体的等效介电 常数的改变，从而使传感器的电容输出值随之改变。因此，电容值的大小即可作为气固两相 流中固相体积浓度的度量。

测量固相体积浓度的电容传感器一般具有一对极板。以结构形式最为简单的一对平行的 表面极板为例，如图1所示，在流体所要流经的管道的外表面粘贴一对称平行的表面极板， 其中一个极板与激励电压源相接作为源电极，另一极板作为检测极板。测量时，当流体通过 管道外表面电极板所形成的检测场时，由于固相体积浓度的变化等价于极板间介电常数的变 化，从而引起电容值的变化，通过检测检测场的电容值的变化而推知检测场中固相体积浓度 的大小。

设气固两相流体的等效介电常数为ε_eff，固相及气相的介电常数分别为ε_S和ε_g，如果固 相均匀分布在气相中，则ε_eff由气固两相的体积比决定：

${ϵ}_{eff}=\frac{V_S}{V}{ϵ}_S+\frac{V_g}{V}{ϵ}_g---\left(1\right)$

式中，V_s及V_g分别为固相及气相各占的体积；V为电容传感器极板间检测场的总体积， 且V＝V_s+V_g；固相体积浓度表达为：

${\beta }_s=\frac{V_S}{V}---\left(2\right)$

当固相介电常数及气相介电常数为常数时，则可以得出：

${ϵ}_{eff}=\frac{V_S}{V}{ϵ}_S+\frac{V-V_s}{V}{ϵ}_g={ϵ}_g+({ϵ}_S-{ϵ}_g)\frac{V_S}{V}=f\left(\frac{V_S}{V}\right)=f\left({\beta }_S\right)---\left(3\right)$

由于电容传感器的输出受电容传感器及管道、屏蔽层结构参数及检测场内介电常数分布 影响，当电容传感器及管道、屏蔽层结构固定不变时，电容传感器的输出可以表示为：

C＝F(ε_eff)＝F(f(β_s))(4)

在确定测量环境下，传感器及管道、屏蔽层结构参数可以设定为常数。现有测量方法中， 假设固相介电常数及气相介电常数为常数的条件下，电容值传感器输出值C仅受检测场内固 相体积浓度影响。

综上所述，现有的电容传感器测量固相体积浓度方法中，当测量电容值发生变化时，C 值改变，则认为是固相体积浓度β发生了变化。

然而，在实际工业过程中，由于固相介质原材料配比以及固相的温度、湿度及粒度等方 面的影响，使固相介电常数值经常发生变化，甚至变化较为剧烈。采用现有的假定固相介质 的介电常数为固定值的固相体积浓度测量方法将引起较大的测量误差。

针对这一现象，提出一种具有固相介电常数补偿功能的电容式气固两相流固相体积浓度 测量法，即采用两个电容传感器来进行测量，由第一电容传感器提供固相介质介电常数补偿 数据，第二电容传感器利用第一电容传感器提供的固相介质介电常数补偿数据校正因固相介 质介电常数变化引起的固相体积浓度测量误差，进而由第二电容传感器输出经补偿后的固相 体积浓度。具有固相介质介电常数补偿功能的电容式气固两相流固相体积浓度测量法的流程 如图2所示。

对用于测量气固两相流体的两个电容传感器进行特性参数标定，分别确定第一电容传感 器的电容输出值与第一电容传感器等效介电常数之间以及第一电容传感器的电容输出值与固 相介质介电常数之间的关系、第二电容传感器的电容输出值与第二电容传感器等效介电常数 之间的关系，过程为：

对两个传感器的标定应满足：在电容传感器结构及管道结构等参数固定时，当电容传感 器内固相体积浓度确定，则电容传感器的输出仅与传感器内固相介质介电常数相关；当电容 传感器内固相介电常数确定，则电容传感器的输出仅与传感器内固相体积浓度相关。

由式(1)至式(4)可知，当电容传感器及管道、屏蔽层结构固定不变，且当固相介质介电常 数及气相介质介电常数为定值时，电容传感器的输出值C仅受检测场内固相体积浓度的影响。

而当固相介质体积浓度为定值时，由于气相介质介电常数为定值，则式(1)可变化为：

${ϵ}_{eff}=\frac{V_S}{V}{ϵ}_S+\frac{V_g}{V}{ϵ}_g=\frac{V_S}{V}{ϵ}_S+(1-\frac{V_S}{V}){ϵ}_g=g\left({ϵ}_S\right)---\left(5\right)$

因此，等效介电常数仅与固相介质介电常数相关，则可以进一步得到：

C＝F(ε_eff)＝F(g(ε_S))(6)

即当电容传感器及管道、屏蔽层结构固定不变，且当固相体积浓度为定值时，电容传感 器的输出值C仅受检测场内固相介质介电常数变化的影响。

由上述推论可知，传感器标定所需条件都可以满足。

第一电容传感器和第二电容传感器可以采用相同的结构，如均采用平行极板或螺旋极板 结构或组合极板结构；也可以是不同结构形式的电容传感器，如第一电容传感器采用平行极 板，而第二电容传感器采用螺旋极板结构或组合极板结构，又如第一电容传感器采用螺旋极 板结构，而第二电容传感器采用平行极板或组合极板结构，再如第一电容传感器采用组合极 板结构，而第二电容传感器采用螺旋极板结构或平行极板。为了具有最好的补偿效果，第二 电容传感器应具有最优的传感器结构参数及较小的传感器均匀性误差。

对第一电容传感器进行特性参数标定，在第一电容传感器结构及管道结构等参数固定时， 当第一电容传感器内固相体积浓度确定，则第一电容传感器的输出与第一电容传感器内固相 介电常数相关，确定第一传感器的输出值以及检测场内等效介电常数，步骤如下：

1)在第一电容传感器中分别加入已知体积浓度的，具有不同介电常数的固相介质，各种 固相介质的介电常数值已知，设气相介质相对介电常数为定值1；

2)分别计算步骤1)中已知体积浓度下加入的各种固相介质后的管道内的等效介电常数， 确定等效介电常数序列，各已知浓度下不同固相介质在管道内的等效介电常数计算公式为：

${ϵ}_{eff}=\frac{V_S}{V}{ϵ}_S+\frac{V_g}{V}{ϵ}_g---\left(7\right)$

式中，ε_eff为气固两相流体的等效介电常数，V_s及V_g分别为固相及气相在检测场内各占 的体积；V为电容传感器极板间检测场的总体积，且V＝V_s+V_g，ε_S为固相介电常数，ε_g为气 相介电常数；

3)记录加入各种固相介质后第一电容传感器输出的电容值；

4)将得到的等效介电常数序列与电容值信号序列进行数据拟合，得到输出电容与等效介 电常数的对应关系，经拟合后得到如下关系式：

c1＝k1·ε_eff+d1(8)

式中，c1为第一传感器输出的电容值，k1、d1为第一电容传感器的特性参数，上述特性 参数由电容传感器1的输出值序列及等效介电常数序列的拟合结果中得到；

采用与第一电容传感器相同的方法确定第二电容传感器的输出电容与等效介电常数，再 对输出电容与等效介电常数进行拟合，得到第二电容传感器的输出电容与其等效介电常数的 对应关系，公式如下：

c2＝k2·ε_eff+d2(9)

式中，c2为第二传感器输出的电容值，k2、d2为第二电容传感器的特性参数，上述特 性参数由第二电容传感器的输出值序列及等效介电常数序列的拟合结果中得到。

图3即为当传感器为内径60mm的平行表面极板传感器，固相介质体积浓度为14.2％时， 电容传感器的输出相对值与等效介电常数的拟合示意图，从图3可知，电容传感器的输出值 与等效介电常数间具有较好的线性，可以采用公式9所示的线性拟合表达式。电容传感器的 输出相对值为此电容传感器的实际输出值与此电容传感器在固相介质介电常数值为3.5且固 相体积浓度为1时的电容输出值的比值。

确定了两个电容传感器的输出电容值与介电常数的关系后，再将第一电容传感器及第二 电容传感器安装在同一系统中，即保证两个传感器中物质属性相同，保证第一电容传感器与 第二电容传感器中的固相介质性质相同，即固相介质介电常数值相同，进一步确定第一电容 传感器的介电常数补偿数据。

第一电容传感器安装位置应满足：保证补偿数据测量时流过第一电容传感器的固相介质 体积浓度必须是固定值的位置，其中固相介质体积浓度为1时具有最佳效果。第二电容传感 器应满足：具有较小的传感器检测场均匀性误差，以减少测量固相体积浓度时带来的测量误 差。

由式(3)可以得知，当固相介质体积浓度为1时，第一电容传感器中等效介电常数值即为 固相介质介电常数值，则式(8)变换为：

c1＝k1·ε_eff1+d1(10)

设第一电容传感器中固相体积浓度为定值β_s1，则第一电容传感器中的等效介电常数表达 式为：

ε_eff1＝ε_g+(ε_S-ε_g)·β_s1(11)

在此步骤中，考虑到电容传感器的检测场存在均匀性误差，且第一电容传感器检测场中 固相介质体积浓度是固定值，因此，当第一电容传感器中固相介质体积浓度为1时，一方面 检测场中固相体积浓度固定，另一方面检测场均匀性误差因素被更好地克服，可以达到最佳 效果。

当第一电容传感器中固相体积浓度为1，即处于满管状态时，根据式(1)可知，等效介电 常数即为固相介质介电常数，式(10)可以化为：

c1＝k1·ε_S+d1(12)

通过使用式(12)，在后续计算中可以进一步简化计算过程。

当固相介质的介电常数变化后，固相介质流过第一电容传感器及第二电容传感器时，第 一电容传感器和第二电容传感器的输出值序列分别记为c1(t)及c2(t)，则可以得到：

c1(t)＝k1·ε_eff1(t)+d1(13)

c2(t)＝k2·ε_eff2(t)+d2(14)

式中，等效介电常数可以表示为下式，其中设气相介质介电常数为1；

由式(13)可以变换得到：

${ϵ}_{eff}1\left(t\right)=\frac{c1\left(t\right)-d1}{k1}---\left(15\right)$

将式(11)代入式(15)得到：

${ϵ}_g+\left({ϵ}_S\right(t)-{ϵ}_g)·{\beta }_{s}1=\frac{c1\left(t\right)-d1}{k1}---\left(16\right)$

进一步变换得：

${ϵ}_S\left(t\right)=\frac{\frac{c1\left(t\right)-d1}{k1}-{ϵ}_g}{{\beta }_{s}1}+{ϵ}_g---\left(17\right)$

式(17)即为固相介质介电常数变化值表达式。

固相介质介电常数初始值为ε_S(0)，确定固相介质介电常数补偿量：在t时刻固相介质介 电常数补偿量为：

${\mathrm{\Delta ϵ}}_S={ϵ}_S\left(t\right)-{ϵ}_S\left(t_0\right)=(\frac{\frac{c1\left(t\right)-d1}{k1}-{ϵ}_g}{{\beta }_{s}1}+{ϵ}_g)-(\frac{\frac{c1(t_0-d1)}{k1}-{ϵ}_g}{{\beta }_{s}1}+{ϵ}_g)=\frac{c1\left(t\right)-c1\left(t_0\right)}{k1·{\beta }_{s}1}---\left(18\right)$

式中，k1可由标定得到，β_s1为定值，气相介电常数为定值，c1(t)及c1(0)都可以由电容 传感器输出值读出。

所述第二电容传感器利用第一电容传感器确定的介电常数补偿值及第二电容传感器的电 容输出值与介电常数之间的关系，即可输出经过补偿后的固相介质体积浓度。

将第二电容传感器的输出值中的固相介质介电常数项处加上此补偿值，实现减少或消除 固相介质介电常数变化对输出的影响：

c2(t)＝k2·(ε_g+(ε_S(t₀)+Δε_S-ε_g)·β_s2)+d2(19)

式中，β_s2(t)为电容传感器2中固相体积浓度。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练的技术人员应当理解，这 些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。 本发明的范围仅由所附权利要求书限定。