测量水平油水层状流相含率的平行线电容传感器

第３６卷第２期

２０１２年４月测井技术

ＷＥＬＬ

ＬＯＧＧＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬｏＧＹＶ０１．３６

Ｎｏ．２

Ａｐｒ２０１２

文章编号：１００４—１３３８（２０１２）０２—０１８８一０４

测量水平油水层状流相含率的平行线电容传感器

黄旭，翟路生，金宁德

（天津大学电气与自动化工程学院，天津３０００７２）

摘要：提出了一种用于水平油水层状流相含率测量的平行线电容传感器。采用有限元分析方法（ＦＥＭ）考察了传

感器灵敏场分布，分析了传感器几何参数对灵敏场影响＃构建了传感器层状流下的有限元模型，计算得到了水平油

水层状流条件下的传感器静态响应特性；在设计传感器测量系统基础上进行了传感器水平油水层状流相含率测

量，结果表明，平行线电容传感器输出响应与有限元模型计算结果较好吻合，且对相含率具有较高的测量线性度及

灵敏度。

关键词：生产测井；水平油水层状流；相含率；平行线电容传感器；测量特性

中图分类号：０３５９文献标识码：Ａ

ＡＰａｒａｌｌｅｌ－ｗｉｒｅ

ＣａｐａｃｉｔａｎｃｅＰｒｏｂｅｆｏｒＭｅａｓｕｒｉｎｇＰｈａｓｅＶｏｌｌｉｍｅＦｒａｃｔｉｏｎｉｎ

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Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，‘ｌ＇ｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ．Ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｓ

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０引言

产液剖面测试由于油水相间导电性及介电特性

存在较大差异，电导或电容传感器应用于油水两相

流相含率测量受到关注，尤其是电容传感器在不受

连续相导电特性影响方面具有优势。

对两相流相含率非侵入式电容传感器，中外学

者对多种结构形式的电容传感器进行研究［１。５］。通

过对测量响应线性度和灵敏度的考察，就传感器结

构参数、保护电极与管壁厚度因素等对灵敏场的影响进行了研究；在两相流相含率侵入式电容传感器

研究中，对同轴过流式、网状（ｗｉｒｅ－ｍｅｓｈ）等形状的

电容传感器进行了研究［６。７］；ＦａｇｕｎｄｅｓＮｅｔｔｏ等采用

单弦丝电容传感器对水平气液两相流单个气泡形状

进行了实验和理论研究［８］；黄善仿等采用单弦丝电

容传感器对水平油水两相流层状流水层高度取得了

较好的测量效果［９］，单弦丝电容传感器需要在导电

的两相流流动条件中使用。

侵入式电容传感器与流体直接接触，其硬场效

应明显，可有效提高传感器测量灵敏度及响应速度。

基金项目：国家自然科学基金项目资助（５０９７４０９５，４１１７４１０９）

作者简介：黄旭，男，１９８３年生，硕士研究生，研究方向为检测技术与自动化装置。

万方数据第３６卷第２期黄旭，等；测量水平油水层状流相古率的平行线电容传感器・１８９・

受黄善仿等口３单弦丝电容传感器水平层状流相含率

测量方法启发，本文提出了一种用于水平油水两相

流层状流相含率测量的平行线（双弦丝）电容传感

器。该传感器不依赖于连续相的导电特性，且因侵

人式结构使其具有较高的测量灵敏度。研究中，首

先采用有限元分析方法考察了传感器灵敏场分布特

性及水平油水层状流下的传感器静态响应输出特

性，在综合考虑传感器线性度及灵敏度因素基础上

确定了传感器的最优几何结构。用该传感器进行了

水平油水层状流静态实验．其结果表明．平行线电容

传感器对水平油水层状流相含率具有较好的测量线

性度及灵敏度。

ｌ平行线电容传感器测量原理

１．１传感器几何结构与测量系统

如图１所示，平行线电容传感器由一对外表面

涂有特氟龙（ｔｅｆｌｏｎ）绝缘介质的平行金属电极构成，

且电极沿管道径向位置平行放置。图１中结构参数

Ｄ表示检测电极之间距离；Ｒ，为金属电极半径；ＴＴ

为特氟龙绝缘层厚度。

“移

圈Ｉ平行鳇电窨传最叠结构示薏围

平行线电容传感器测量系统如图２所示，其主

要包括高频激励模块（１ＭＨｚ正弦渡）、Ｃ／Ｖ转换模

块、信号调理模块（采用乘法解调方式）及数据采集

模块。根据图２中电容传感器测量电路的测量原

理，调理模块输出电压Ｕ。可表示为

ｄ２

Ｖ一；＝一Ｇ去≥ｃ＋Ｇ矿。ｆ（１）…

式中，Ｖ一为测量系统输出电压；Ａ为激励信号幅

值；Ｇ为Ｃ／Ｖ转换模块中参考电容；ｃ为待测流量

有效电容值；Ｇ为放大器增益；ｙ。ｒ为参考电压。从

式（１）可以看出，测量电压信号Ｖ帆。与有效电容值Ｃ

呈线性关系，且测量灵敏度为一ＧＡ２／ｅＣｒ。

１．２传感器内部电场与灵敏场分布

为了．考察平行线电容传感器内部电场分布情

况．首先利用有限元分析软件（ＡＮＳＹＳ）对传感器进圈２平行线电窖传矗器测量系统示意圈

行几何建模。传感器的三维有限元剖分模型见图

３．其中设定管道内径为２０ｍｍ、外径为３０ｍｍ、管

长度为３０胁，选用单元类型为三维１０节点四面

体单元．剖分单元共计３６４３２８个。

图３平行线电窖传感器三雏有限元剖分模型

（Ｄ＝５Ｉｎｒｎ［Ｒｌ；０．３ｍｍ｛１ｊ一００５ｒａｍ）

在激励电极及测量电极上分别施加１０Ｖ及

０Ｖ直流电压信号，经有限元分析计算得到了如图４

所示的传感器内部电势分布。由图４（ａ）可以看出＋

在管截面径向方向，电场在电极之间存在梯度分布；

由图４（ｂ）可知．在管截面轴向方向，越靠近电极处

电场梯度分布明显，其他流体区域电场分布趋于稳

定。通过对平行线电容传感器内部电场分析，平行

线电容传感器测量高灵敏度区域应主要分布在电极

附近。

为详细考察平行线电容传感器灵敏场分布特

性，采用二维有限元分析模型对灵敏场进行计算。

当二维空间内没有自由电荷分布时，传感器二维模

型电位分布满足的拉普拉斯方程为

Ｖ“ｅ。ｅ，（ｚ，＝）Ｖｇ（ｘ，ｚ）］一０（２）

式中，９（ｘ，ｚ）为二维场电位分布函数；￡。及￡，（工，ｚ）

分别为空气介电常数和场域（ｚ，ｚ）处的相对介电常

数．在各剖分单元内可认为是常数；Ｖ・和Ｖ分别为

散度和梯度算子。通过有限元分析软件．可计算得

到各个节点的电位值９（ｚ，ｚ）；同时，通过电位值又

可以得到节点的电场强度Ｅ

万方数据・１９０・测井技术２０１２年

０４３３３２５掰

７７８８１００

ｌａ）模型截面径向方向的电，＂｝布

ｌ｛Ｈ３，∞５％７７８８Ｉｆｌ０

曲髓型蜮Ｌ自轴Ｈ方向的ｒ嘴甜ｍ

图４电极附近处电势分布情况

Ｅ＝一Ｖｏ（３）

根据高斯定理，可选择一个包括电极的封闭路径（二

维中为曲线），在此路径上积分，即可求得一个电荷

值，该电荷值即为电极上的电荷量Ｑ。进而电极间

的电容量为

Ｃ－吕

（４）

式中，ｕ为电极间的电位差。

电容传感器检测区域内的任一子区域介电常数

变化都会引起电极间电容值的变化。该子区域引起

电容值变化的程度可用单元灵敏度描述，而整个检

测区域内单元灵敏度的分布形成灵敏场。为获取传

感器检测区域的灵敏度分布，采用在传感器检测区

域放置测试小球的办法获得测试位置处的灵敏度，

灵敏度计算公式可表示为

Ｓ（＾）一亓Ｃ（—ｋ（）－－－Ｃ两（ｅｏ）＾：１。２，３，…，Ｍ

（５）

式中，ｃ（Ｅ）及Ｃ（Ｅ。）分别表示介质介电常数为Ｅ及￡。

时的传感器电容值；Ｃ（奄）表示检测区域ｋ位置处放

置介电常数为ｅ的测试小球后传感器的电容值；Ｍ

为放置测试小球位置的总数。

根据传感器检测区域各位置处的灵敏度计算值

得到Ｄ一５ｍｍ、ＲＩ—Ｏ．３ｎｌｌＴ，＿、ＴＩ＝ｏ．０５ｍｍ时传感

器的灵敏度分布（见图５）。图５中，二维灵敏场内

灵敏度峰值出现在电极位置处，远离电极区域的灵图５传感器灵敏场分布图

（Ｄ＝５ｍｍ；Ｋｌ＝Ｏ．３ｍ／ｌｌ；』ｔ＝Ｏ．０５ｍｍ）

敏度值较低，且基本趋于０值。

采用ｘｉｄ”等提出的灵敏场均匀性误差参数

（ＳＶＰ）和传感器相对灵敏度均值（ｓ。）作为优化指

标，考察了传感器各结构参数对灵敏场的影响，期望

获得一个均匀性误差最小、相对灵敏度较高的传感

器尺寸。传感器几何尺寸取值情况见表１所示。

寰１传摩器几何尺寸参数取值

通过分析得知各结构参数对灵敏场的影响，检

测电极越大，均匀性误差（ＳＶＰ）越大，相对灵敏度

均值（Ｓ＾ｖ。）越小；金属电极半径增大，相对灵敏度均

值（ｓ。。）越小，均匀性误差（ＳＶＰ）影响很小；绝缘层

壁厚变大，相对灵敏度均值（ｓ。）越大，均匀性误差

（ＳＶＰ）影响很小。综合考虑，选用的传感器尺寸为

Ｄ一５ｍｍ；Ｒｌ＝Ｏ．３ｍｍ；Ｔ。＝Ｏ．０５ｍｍ。

２传感器静态测量特性

为考察平行线电容传感器对水平油水层状流静

态响应特性，建立了水平油水层状流下的有限元模

型，并计算了不同相含率（持水率）下的传感器电容

值。水平油水层状流有限元剖分模型见图６，其中

检测电极间距为５Ｆｉｌｍ，金属电极半径为０．３

Ｆｌｌｎｌ。

特氟龙厚度为０．０７帆，模型剖分单元类型为三维

１０节点四面体单元，剖分单元总数为６８５７７２．上部

红色流体代表油相，下部蓝色流体代表水相，模型对

应持水率为２０％。

对层状流传感器有限元计算结果归一化处理

ｃＮ一瞬

（６）

式中，Ｃ一为传感器计算电容归一化值；ｃｍ为油水按ｉ

ｉ

ｍ

ｎ

ｎ

¨■■■ｌ＿１１

嚣㈨＝㈣０

万方数据