多相流電容傳感器專利技術綜述

柳萌

摘 要：本文對用于多相流檢測的電容傳感器領域的專利申請進行了統計分析，闡述了用于多相流檢測的電容傳感器的專利申請發展歷程，并結合專利申請對該領域的技術手段進行了分析。

關鍵詞：相流； 電容傳感器；靈敏度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.187

1 引言

多相流廣泛應用于化工、冶金、電力、石油等各個領域，比如對各種顆粒狀、纖維狀、葉片狀等物料的輸送所采用的氣力輸送系統屬于氣固兩相流體系，石油領域中管道中的物料輸送多為油水兩相流體系[1-2]。管道內各相的濃度和速度參數是非常重要的流動參數，準確測定流動參數對理解生產特性及優化工藝設計十分重要。

2 電容傳感器簡介

電容傳感器檢測多相流的原理在于電容傳感器極板間的電容量隨著極板間流動的多相流混合物的介電常數變化而變化。電容式傳感器具有受導電性影響小、測量靈敏度高、安裝方便及信號穩定等特點，尤其是對油水兩相流相含率參數測量具有獨到優勢[2]。

3 專利文獻分析

采用與電容傳感器相關的關鍵詞，配合分類號在中國專利文獻摘要數據庫（CNABS）和德溫特世界專利數據庫（DWPI）檢索相關專利，在DWPI中檢索到文獻34篇，在CNABS中檢索到文獻150篇，并對上述專利文獻進行了統計分析。

3.1 全球申請量的年度發展趨勢

由圖3-1可知，國外在該方面的研究早于國內，申請量隨時間波動幅度小，總體申請量也不大。我國關于該方面的專利雖然出現的較晚，但隨著時間的推移，申請量開始逐年穩定增長，國內的總體申請量遠多于國外，該項技術在國內發展較為迅速。

3.2 主要申請人分布

國外的申請人主要集中在一些石油公司，國內在該領域專利申請量排名靠前的絕大部分是國內高校，其中，浙江大學、西安交通大學和清華大學是熱門研究院校。此外，還有大慶油田有限責任公司，大慶油田管理局油田建設設計研究院等。

4 多相流檢測電容傳感器的發展

多相流測量一直是工業測量及實驗室研究的重要課題，采用電容法測量成本低，可靠性高，因此備受重視。然而管道中兩相分布的狀態或流型會影響電容的輸出，造成測量誤差。如何減小電容傳感器的測量誤差，提高靈敏度，一直是國內外人員的研究重點。

在電容傳感器的發展歷程中，為了解決其測量精度差的問題，國內外研究人員從電極形狀、電極尺寸、復合傳感器、測量電路等方面進行了改進，為精確的測定多相流流動參數提供了基礎。

（1）采用旋轉電場減小測量誤差。US5151660 A提出一種用于油氣水和油水多相流檢測的電容傳感器，該傳感器包括內層，外層，中空孔，電極板嵌在外層和內層之間，電極板的電極由三部分構成，形成螺旋結構，這種旋轉的電極所產生的旋轉電場可以明顯減小由于相分布的不同給電容測量結果帶來的影響。

（2）優化電極結構減小測量誤差。早在1990年，研究人員就發現，當在絕緣管道外圍安置兩個弧形電極構成電容傳感器時，可通過適當選擇絕緣管壁厚度及電極對管心的張角等參數得到在管道截面上幾乎處處均勻的敏感度分布。

CN1063361A提出了一種對流型變化不敏感的相濃度計。該濃度計采用環狀結構的多電極電容傳感器，通過優化電極結構尺寸，在載流管道橫截面上造成處處均勻的測量敏感場。在此前提下再實現敏感場的旋轉測量，將均勻場與旋轉場測量方法各自的優點結合起來，該專利具體采用R2/R1≈2.2，≈108°的電極結構獲得了處處均勻的敏感場，其中角值約為108°是由于在10電極系統中每次選擇3個電極接在一起構成一個被測電容極板。

（3）組合型傳感器減小測量誤差。超聲波法和電容傳感器均可以測量兩相流的參數，但是單獨采用時，測量的數據可信度低精度低，抗干擾性差，不能抑制雜散電容干擾。

CN2788192Y提出了一種超聲波和電容傳感器的兩相流濃度測量裝置，該裝置采用了上、下游被測電容傳感器和超聲波換能器的結合，利用了數據融合原理，提高測量的可信度和精度。

（4）設置高精度測量電路減小測量誤差。對于電容式傳感器，電容/電壓轉換電路是電容測量系統硬件的核心部件。小的電容值和電容變化量是很難測量的。

CN101324186A提出了一種油氣水三相流相含率測量裝置，其采用雙螺旋電容傳感器以及專門設計的高精度微弱電容測量電路實時在線對管道內的相含率進行測量。微弱電容測量電路，是針對油氣兩相流時雙螺旋電容傳感器電容很小，專門設計的高精度測量電路，采用該裝置可在線精確的測量多相流相參數。

5 小結

本文對用于多相流檢測的電容傳感器進行了介紹，目前，雖然對高靈敏度電容傳感器的研究已經取得了一定進展，然而如何提高電容傳感器的靈敏度仍然是學者們努力的方向。

參考文獻：

[1]張文景.氣固兩相流流動參數檢測方法研究[D].內蒙古科技大學， 2011.

[2]喬云芬.新型氣固兩相流電容式傳感器研究[D].東北大學，2011.

[3]劉凱.油液在線監測電容傳感器的研制及在線測試方法研究[D].沈陽理工大學，2008.endprint