专利名称：用于多相流持液率测量的具有液体电极的电容式传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于用于多相流持液率测量的传感器设备技术领域，具体涉及一种用于多 相流持液率测量的具有液体电极的电容式传感器。
背景技术：
持液率是指一种液体在多相流中所占据的体积份额，该多相流中至少有一相为导 电液体。目前用于多相流参数测量中的传感器设备中，电容式传感器最为常见，传统的电 容式传感器主要由两个固定的金属极板组成，被测多相流体作为电容器的电介质就置于两 个极板之间。由于多相流体中的各相具有不同的介电常数，因此其等效介电常数就取决于 各相的比例或相含量。在不同的相含量时具有不同的等效介电常数，表现出不同的电容 值，通过测量该电容值就可以计算出相应的相含量。这类传感器的最大缺点是，电容值过小 (皮法数量级)，在测量中难以保证零点漂移，并且抗杂散电容和外电场干扰的能力很差， 另外多相流的相分布形式也会影响传感器的输出。申请号为200610042792. 4的中国专利“多相管流中相含率和相界面的单丝电容 探针测量系统”提出了一种管内单丝电容探针。该探针利用水的导电性，以探针所接触的水 体作为电容器的一极来测量持水率和气水界面。在工作原理上属于变面积型电容传感器， 电容值比传统方法有了一定程度的增强。但该专利提出的单丝探针只适合于测量水为连 续相时的持水率。因为一旦水在管内成离散型分布，水与设置在管壁上的测量电路的地线 的电连接就立即被断开，不能形成电回路，会立即导致探针失效。实验还表明，水虽然具有 导电性，但并不等同于金属导体，因而随着管内水位的上升，在管壁上的测量电路的地线与 管道中央的水体之间的距离随之增大，水体本身的电阻值也随之增大，这种增大会严重影 响测量结果。另外由于在一个管道截面上只布置了一根很细的探针，这种设计一方面会造 成电容值偏小，另一方面，对于以一定的速度流动的两相流体来说，它与探针的接触时间太 短，测量电路很难反映出瞬时的流动情况，从而造成较大的测量误差。最后该探针的测量结 果实际上只能代表探针周围小范围内的持水率，不能直接代表整个管内的持水率。另外，申请号为200710301359. 2的中国专利申请“一种用于水平井含水率测量的 电容式传感器”提出了另一种变面积型电容传感器。该专利申请在结构上也是将测量电路 的地线设置在管壁上，因此也只能用于水为连续相时的工况，同样，随着水体尺寸的变化， 水体的电阻也会发生较大的变化，从而对测量结果造成较大的影响。同时由于该传感器的 有效电容电极面积等于水与内绝缘筒的接触面积，因而传感器实际所测量的面积就是该接 触面的面积，只是水体的侧面积，而不是横截面积。由几何原理可知，只有当油水两相之间 的分界面是严格的水平分层状态时，侧面积才与横截面积之间具有确定的对应关系，通过 测量侧面积才能唯一地确定水体的体积，也就是管内的持水率，否则由其确定的持水率与 实际值会有较大的差距，但实际的两相流很少是这种理想的水平分层流，即油水之间的分 界面很少是水平面的，大多是波浪形的，不但在轴向是波浪形，而且在横向也是波浪形，且波浪常常很大，因此该传感器的实际测量误差必定很大。另外该传感器的内绝缘筒是嵌套 在内金属筒上的，这会带来两个问题，一是内绝缘筒的厚度太厚，增大了电容器两极板之间 的距离，根据电容器的原理，这会降低传感器的电容值和灵敏度；二是内绝缘筒与内金属筒 之间的紧密性和整体性差，不可避免地会产生一些不确定的间隙，影响传感器的稳定性和
可靠性。最后，以上两种传感器还有一个共同的缺点是，所用绝缘材料都是有机物，难以承 受高温，无法用于高温高压多相流的测量场合。

发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于多相流持液 率测量的具有液体电极的电容式传感器，以多相流中的导电液体作为电容式传感器的阴 极，阳极则采用板型金属导体，大幅度提高了用于多相流持液率测量的电容式传感器的电 容值和灵敏度，从根本上解决了传感器的零点漂移和抗干扰问题，同时使传感器能适用于 各种流型的多相流测量，测量结果与流型和尺寸因素无关，并且还能够应用于高温高压场
I=I O为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是一种用于多相流持液率测量的具有液体电极的电容式传感器，包括一个以上的板 状金属板1，所述的每个金属板1带有绝缘材料涂层2，该绝缘材料涂层2的表面和被测的 多相流的导电液体3和不导电流体8相接触，在绝缘材料涂层2的表面临近处与金属板1 并排设置有和导电液体3相接触的一个以上的金属导体4，该金属导体4和多相流持液率测 量电路5的地线6相连接，而金属板1和多相流持液率测量电路5的正极7相连接，该金属 导体4为该电容式传感器的阴极连接体。所述的金属板1的绝缘材料涂层2的厚度为20微米-60微米。所述的金属板1为一个环绕中心轴线的金属材料旋转体。所述的金属导体4是金属导线或多孔金属板或金属网。该用于多相流持液率测量的具有液体电极的电容式传感器通过以多相流中的导 电液体3作为电容式传感器的阴极，阳极则采用带有绝缘材料涂层2的金属板1，大幅度提 高了用于多相流持液率测量的电容式传感器的电容值和灵敏度，从根本上解决了传感器的 零点漂移和抗干扰问题，同时使传感器能适用于各种流型的多相流测量，测量结果与流型 和尺寸因素无关，并且还能够应用于高温高压场合。


图1是本发明的一个金属板和多相流持液率测量电路相连接的结构示意图，图 1(a)表示的是本发明的部件连接示意图，图1(b)表示的是本发明的等效电路图。图2是本发明的工作状态示意图。图3是本发明的金属板结构为一环绕中心轴线的旋转体的金属体。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作更详细的说明。
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如图1所示，用于多相流持液率测量的具有液体电极的电容式传感器的一个金属 板1和多相流持液率测量电路5相连接的示意图，该板状金属板1带有绝缘材料涂层2，该 绝缘材料涂层2的表面和被测的多相流的导电液体3和不导电流体8相接触，在绝缘材料 涂层2的表面临近处设置有与金属板1并排的和导电液体3相接触的一个以上的金属导体 4，该金属导体4和多相流持液率测量电路5的地线6相连接，而金属板1和多相流持液率 测量电路5的正极7相连接，该金属导体4为该电容式传感器的阴极连接体，所述的金属板 1的绝缘材料涂层2的厚度为20微米-60微米。由不导电流体8分隔的四个和绝缘材料 涂层2的表面相接触的导电液体3的部分具有导电性，这样的四个和绝缘材料涂层2的表 面相接触的导电液体3的部分分别通过金属导体4即阴极连接体和多相流持液率测量电路 5的地线6相连接，该四个部分的导电液体3就分别构成了多相流持液率测量的电容式传 感器的四个电容的阴极，也即液体电极，而对应的和该四个电容的阴极分别接触的四个绝 缘材料涂层2部分分别构成了该电容式传感器的四个电容的电介质，对应的和该四个电介 质分别接触的四个金属板1的部分加上金属板1和多相流持液率测量电路5的正极7相连 接，这样的和该四个电介质分别接触的四个金属板1的部分构成了该电容式传感器的四个 电容的阳极，如此共同组成了四个并联的电容Cl C4，其电容值分别为 式中，ε为绝缘材料涂层的介电常数，d为有绝缘材料涂层的厚度，ai a4分别代 表四个导电液体3和绝缘材料涂层2的表面之间的接触面积。根据并联电路的性质，该用 于多相流持液率测量的带有液体电极的电容式传感器的总电容值C等于 式中a表示四个导电液体3和绝缘材料涂层2的表面相接触的总接触面积。式 (2)表明电容值与导电液体和阳极板表面绝缘层的接触面积a成正比，而a又与被测的导电 液体3的持液率成正比，这样就可以建立电容C与持液率的关系，从而通过测量电路的电容 结果得到持液率的大小。另外，多个金属板1所构成的电容值为其每个金属板1所构成的 电容值之和。本发明的工作原理是该用于多相流持液率测量的具有液体电极的电容式传感 器，先将其带有绝缘材料涂层2的每块金属板1的表面和其接触的管道9内的被测的多相 流的流动方向保持平行如图2所示，然后启动多相流持液率测量电路5对该带有液体电极 的电容式传感器的电容值进行测量，测量完毕后，根据电容值和被测的导电液体的持液率 相互的正比关系就可以得到被测的导电液体3的持液率。该用于多相流持液率测量的带有 液体电极的电容式传感器通过以多相流中的导电液体3作为电容式传感器的阴极，阳极则 采用带有绝缘材料涂层2的金属板1，大幅度提高了用于多相流持液率测量的电容式传感 器的电容值和灵敏度，从根本上解决了传感器的零点漂移和抗干扰问题，同时使传感器能 适用于各种流型的多相流测量，测量结果与流型和尺寸因素无关，并且还能够应用于高温 高压场合。另外当作为移动式传感器时，如图3所示的所述的金属板1为一个环绕中心轴 线的金属材料旋转体，能够避免传感器在进入管道时因方位不同而产生测量误差，提高测 量精度；以及所述的金属导体4是金属导线或多孔金属板或金属网，这样的结构面积小能 避免它与不导电流体8和金属板1之间也形成电容。
权利要求
一种用于多相流持液率测量的具有液体电极的电容式传感器，包括一个以上的板状金属板(1)，其特征在于所述的每个金属板(1)带有绝缘材料涂层(2)，该绝缘材料涂层(2)的表面和被测的多相流的导电液体(3)和不导电流体(8)相接触，在绝缘材料涂层(2)的表面临近处设置有与金属板(1)并排的和导电液体(3)相接触的一个以上的金属导体(4)，该金属导体(4)和多相流持液率测量电路(5)的地线(6)相连接，而金属板(1)和多相流持液率测量电路(5)的正极(7)相连接，该金属导体(4)为该电容式传感器的阴极连接体。
2.根据权利要求1所说的一种用于多相流持液率测量的带有液体电极的电容式传感 器，其特征在于所述的金属板(1)的绝缘材料涂层(2)的厚度为20微米-60微米。
3.根据权利要求1或2所说的一种用于多相流持液率测量的带有液体电极的电容式传 感器，其特征在于所述的金属板(1)为一个环绕中心轴线的金属材料旋转体。
4.根据权利要求1或权利要求2所说的一种用于多相流持液率测量的带有液体电极的 电容式传感器，其特征在于金属导体(4)是金属导线或多孔金属板或金属网。
全文摘要
一种用于多相流持液率测量的具有液体电极的电容式传感器，包括一个以上的带有绝缘材料涂层的表面的板状金属板，所述的每个金属板的和被测的多相流的导电液体相接触，同时通过金属导体组成的阴极连接体和测量电路连接，这样通过以多相流中的导电液体作为电容式传感器的阴极，阳极则为带有绝缘材料涂层的金属板，大幅度提高了用于多相流持液率测量的电容式传感器的电容值和灵敏度，从根本上解决了传感器的零点漂移和抗干扰问题，同时使传感器能适用于各种流型的多相流测量，测量结果与流型和尺寸因素无关，并且还能够应用于高温高压场合。
文档编号G01N27/22GK101915788SQ201010220880
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月7日 优先权日2010年7月7日
发明者刘鑫, 张兴凯, 武相, 王栋, 赵晓强 申请人:西安交通大学