一种两相流浓度测量传感器的仿真研究

　　0　引言

　　在石油、冶金、化工及电力等许多生产领域的生产过程中,需要对多相流或者两相流的各种参数进行实时的测量,以达到流的各种参数进行实时的测量和对生产过程的控制,使得生产稳定,运行可靠。其中相浓度的在线测量就十分重要[1]。在诸多的相浓度测量方法中,电容法测量因为具有安全可靠、经济性好、非侵入式测量、简单及响应快等优点而具有广泛的应用前景。其基本的工作原理是:由于管道中多相流体各分相介质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,由于相浓度的变化会引起流体等效介电常数的改变,从而使传感器的电容测量值随之改变[2]。因此,电容值的大小即可作为两相流相浓度的量度。

　　1　Ansys的传感器建模

　　1·1　数学基础

　　本文所要分析的同轴电容传感器模型如图1 (a)所示,它是由位于传感器中心的源电极、夹层中的检测电极以及外部的屏蔽层电极组成。该传感器采用低频激励(<1Mhz),所以实验管道内部可视为“似稳场”,又由于传感器为三维立体结构,存在三维立体效应,所以其管道内部敏感区域电场可以用静电场的“Laplace”方程来描述:

　　1·2　同轴电容传感器系统的有限元模型

　　在具体的电容传感器测量应用中,存在以下两个问题:

　　(1)传感器结构设计应该具有均匀的检测场和较高的灵敏度,使得电容检测值大小只与浓度的变化有关而与流型的变化无关; (2)通常相浓度变化引起的电容值变化非常微小,因此对测量电路要求很高的稳定性和灵敏度以及较高的抗杂散电容的能力[3]。这两个问题的存在也正是使得电容传感器在实际两相流的测量中受到限制的原因。本文借助大型有限元分析软件Ansys分析同轴电容传感器的特性。

　　有限元法是一种高效能、通用的计算方法。它以变分理论为基础,其实质是场的变分问题的数值解法,广泛应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中。随着有限元理　　论的深入研究,各种通用的软件便应运而生。Ansys便是其中的佼佼者,它是集结构、热、流体、电磁及声学于一体的大型通用有限元分析软件[4]。它可以首先求出各个节点的自由度

　　值,即电标量势电压,然后利用求得的节点电压通过后处理模块得出电场的其他物理量,如:空间的电势、电场强度分布、电通量密度及电容等描述电场的参量。其分析步骤如下: (1)　创建有限元模型,定义材料属性; (2)分配材料属性,划分网格(节点及单元); (3)施加载荷,设定约束条件并求解; (4)结果以列表或图形显示。