一种分布式电导传感器的结构参数优化方法

摘要

本发明针对一种分布式电导传感器，给出了结构参数优化方法：采用有限元分析方法，建立四扇区分布式电导传感器模型；定义四扇区分布式电导传感器的优化指标，在优化模型中放入一个半径1mm的小球，模拟气泡/油滴运动；固定电极高度H为2mm，电极张角θ依次从30°遍历到85°，电极间距D依次从3mm遍历到6mm，分别计算所述传感器的扇区灵敏度权重ε，改变电极高度H后重复遍历电极张角和电极间距，计算得到感器的扇区灵敏度权重ε，选取最佳电极高度，电极张角，电极间距。本发明针对所构建的四扇区分布式电导传感器模型，给出传感器结构参数的取值范围及传感器的最佳几何结构。

主权项

一种分布式电导传感器的结构参数优化方法，所针对的四扇区分布式电导传感器包括一段由绝缘体制成的垂直上升管道和固定在垂直上升管道上的四对电极，每对电极均包括一个固定在垂直上升管道较上部位的激励电极E和一个固定在垂直上升管道较下部位的测量电极M，四对电极中的每个电极包括一段弧形环，且每个电极的曲率与垂直上升管道的曲率一致，使得电极可平滑嵌入垂直上升管道的内壁面，四个激励电极E位于垂直上升管道内的同一高度上，且彼此之间均匀间隔分布，呈非连续圆环状，四个测量电极M位于垂直上升管道内、低于四个激励电极E所在高度的同一高度上，且彼此之间也均匀间隔分布，呈非连续圆环状，其中每对电极上下平行设置；每个电极还包括一段连接在所述弧形环上的柱形导体，伸出于垂直上升管道之外，用于信号的输入与输出；每个电极在垂直上升管道内的灵敏度区域为一个扇形；所述的结构参数优化方法，包括如下步骤：第一步，设计四扇区分布式电导传感器的优化模型：采用有限元分析方法，建立四扇区分布式电导传感器模型，建模时，设定管道内径0.02m，电极厚度0.002m，管道长度0.2m，电极高度H，电极张角θ，激励电极E与测量电极M间距D，水相电阻率δ_w＝1000Ω·m，电极电阻率σ_s＝1.7241e‑8Ω·m，采用自由剖分方式进行网格划分，施加载荷时采用恒流激励，在激励电极E上均施加0.1mA电流，测量电极M上均施加电流‑0.1mA，将测量电极电压值设置为0V；第二步，定义四扇区分布式电导传感器的优化指标：为使得四对电极在各自的区域内有相对高的灵敏度，同时四对电极之间电场干扰最小，建模时，在所述优化模型中放入一个半径1mm的小球，模拟气泡/油滴运动，小球处于不同位置时，激励电极的电压也跟随变化，通过激励电极变化的电压反映所述传感器的灵敏度，由于四对电极在几何结构上具有对称性，同时给四对电极施加电流信号后，仅仿真考察其中一对电极的输出电压对小球的响应，即研究一对电极的灵敏度，小球每变换一个坐标，可计算得到在该坐标的灵敏度值，将小球的坐标遍历管道截面所有位置，得到该对电极的灵敏度分布图；第三步，固定电极高度H为2mm，电极张角θ依次从30°遍历到85°，每次增加5°，电极间距D依次从3mm遍历到6mm，每次增加1mm，分别计算所述传感器的扇区灵敏度权重ε，改变电极高度H为3mm，4mm后重复遍历电极张角和电极间距，计算得到所述传感器的扇区灵敏度权重ε，综合根据扇区灵敏度权重ε和扇区灵敏度平均值这两个指标来选择传感器结构参数，选取最佳电极高度，电极张角，电极间距。