双阵列电容传感器气固两相流多参数在线测量方法研究

气固两相流广泛存在于化工、发电、制药和食品等行业，研究并认识气固两相流的测试方法对于深层次揭示气固两相流动过程的内在规律和物理机理具有重要价值。本项申请提出了新型双阵列电容传感器，对传感器结构进行优化。以粉体气力输送为测试对象，利用传感器相邻极板灵敏度不均匀的特点，通过测量相邻极板电容以获得传感器内部局部浓度，从而重建管道内部两个截面的相浓度分布。根据流体中离散相局部浓度的随机变化引起极板间电容量的随机变化，采用互相关法快速重建管道内部速度场分布。由浓度分布和速度分布对气固流的稳定性和流型等过程规律进行非接触式监测和研究。该方法是电容层析成像技术的延伸，测量数据少且无需复杂运算，检测速度快；避免ECT图象重建的非线性误差，检测准确可靠，为气固两相流流动特性研究提供了有力手段。

针对电容层析成像技术的不足，提出了新型双阵列式电容传感器（Twin-array capacitance，简称TAC）。利用传感器相邻极板灵敏度不均匀的特点，通过测量相邻极板电容以获得传感器内部局部浓度，从而重建管道内部两个截面的相浓度分布。根据流体中离散相局部浓度的随机变化引起极板间电容量的随机变化，采用互相关法快速重建管道内部速度场分布。由浓度分布和速度分布对气固流的稳定性和流型等过程规律进行非接触式监测和研究。以相邻电极电容灵敏场的SVP为优化目标优化传感器结构参数（电极覆盖率、电极数、管壁介电常数等），使得电极对电容只依赖于灵敏区域的介质，而其他区域对其影响很小。使得电极电容仅与特定灵敏区域的介质介电常数有关，也即建立电极电容和灵敏区域的离散相浓度的关系。搭建重力输送气固两相流实验台，将不同电极数的双阵列式电容传感器系统和8电极双截面ECT系统应用于气固两相流的参数监测中，实现浓度、速度和质量流量等多参数的检测，并将双阵列电容传感器和双截面ECT的质量流量和重力传感器获得的质量流量作比较，以验证双阵列电容传感器和双截面ECT的检测效果。实验结果显示，虽然4电极双阵列电容传感器提供的数据（浓度、速度、流量等）数量小于6电极双阵列电容传感器，但4电极双阵列电容传感器在核心流和层流下的质量流量测量精度均明显高于6电极双阵列电容传感器，并且高于8电极双截面ECT系统的测量精度。由于4电极双阵列电容传感器测量数据量少，数据采集速度明显高于ECT系统，所以适合于高流速两相流的参数检测，弥补了ECT技术在两相流流动过程中速度测量上无法测量高速流体的缺陷。该方法是电容层析成像技术的延伸，大大减少测量电容的数量，省去复杂的图像重建，直接获得截面浓度分布和速度分布，有效提高检测频率。相邻电极电容值远大于其他电极电容，有效降低了对电容检测电路的要求，避免ECT图象重建的非线性误差，检测准确可靠，为气固两相流流动特性研究提供了有力手段。