文档介绍：国家自然科学基金资助项目（资助号：50674070）
国家高技术研究发展计划项目(863) (资助号：2007AA06Z231)
水平油水两相流相含率电容传感器
优化及设计
Optimization and Design of Phase Holdup
Capacitance Probe Using in Horizontal
Oil Water Two-Phase Flow
学科专业：检测技术与自动化装置
研 究 生：王 涛
指导教师：金宁德 教授
天津大学电气与自动化工程学院
二零零九年五月
独创性声明
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签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日
摘 要
相含率是多相流测量过程中一个尤为重要的参数，它对生产过程的计量、控
制和可靠运行均具有重大意义。然而由于水平油水两相流的流动状态比较复杂，
使得相含率的测量成为难题。本课题研究工作以小管径水平油水两相流为测量对
象，以电容式相含率传感器为研究对象，主要对电容传感器的几何结构进行优化
与设计。
首先，在归纳总结国内外对于电容传感器研究现状的基础上，选择了两种最
具代表性的极板结构形式，即对壁与螺旋式两种电容结构进行优化设计。然后，
利用有限元法在静电场分析中的优势，通过计算机辅助设计，编制一套计算电容
传感器检测场灵敏度分布的有限元软件。在此基础之上，引入相对灵敏度、均匀
性、线性度等优化指标，对于对壁和螺旋式两种结构的传感器进行二维、三维的
优化仿真，得出了各几何结构参数对于各指标的影响方式；并通过其对于水平状
态下各种流型的响应得出了流型对于其结构参数的影响；最终得到了两种结构下
的最优几何结构参数。具体考虑到两种结构对于水平油水两相流流型的响应差
别，最终选择了线性度更好的螺旋式电容传感器为相含率测量的最优结构。
最后，在对电容检测电路设计时，采用了交流激励的测量方式，有效的消除
了电容极板之间和导线之间的杂散电容，并通过制作的螺旋式电容传感器和测量
电路进行了静态实验。结果表明，螺旋式电容传感器对于难以形成线性响应的层
状流也具有较好的线性度。
关键词：水平油水两相流，电容传感器，相含率，均匀度，线性度
ABSTRACT
The phase holdup is particularly important process parameters in multiphase flow
measurement due to its significance to the measure, control, and reliable operation of
the industrial process. Since the flow patterns of horizontal oil water two-ph