柳萌

摘 要：本文对用于多相流检测的电容传感器领域的专利申请进行了统计分析，阐述了用于多相流检测的电容传感器的专利申请发展历程，并结合专利申请对该领域的技术手段进行了分析。

关键词：相流； 电容传感器；灵敏度

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

1 引言

多相流广泛应用于化工、冶金、电力、石油等各个领域，比如对各种颗粒状、纤维状、叶片状等物料的输送所采用的气力输送系统属于气固两相流体系，石油领域中管道中的物料输送多为油水两相流体系[1-2]。管道内各相的浓度和速度参数是非常重要的流动参数，准确测定流动参数对理解生产特性及优化工艺设计十分重要。

2 电容传感器简介

电容传感器检测多相流的原理在于电容传感器极板间的电容量随着极板间流动的多相流混合物的介电常数变化而变化。电容式传感器具有受导电性影响小、测量灵敏度高、安装方便及信号稳定等特点，尤其是对油水两相流相含率参数测量具有独到优势[2]。

3 专利文献分析

采用与电容传感器相关的关键词，配合分类号在中国专利文献摘要数据库（CNABS）和德温特世界专利数据库（DWPI）检索相关专利，在DWPI中检索到文献34篇，在CNABS中检索到文献150篇，并对上述专利文献进行了统计分析。

3.1 全球申请量的年度发展趋势

由图3-1可知，国外在该方面的研究早于国内，申请量随时间波动幅度小，总体申请量也不大。我国关于该方面的专利虽然出现的较晚，但随着时间的推移，申请量开始逐年稳定增长，国内的总体申请量远多于国外，该项技术在国内发展较为迅速。

3.2 主要申请人分布

国外的申请人主要集中在一些石油公司，国内在该领域专利申请量排名靠前的绝大部分是国内高校，其中，浙江大学、西安交通大学和清华大学是热门研究院校。此外，还有大庆油田有限责任公司，大庆油田管理局油田建设设计研究院等。

4 多相流检测电容传感器的发展

多相流测量一直是工业测量及实验室研究的重要课题，采用电容法测量成本低，可靠性高，因此备受重视。然而管道中两相分布的状态或流型会影响电容的输出，造成测量误差。如何减小电容传感器的测量误差，提高灵敏度，一直是国内外人员的研究重点。

在電容传感器的发展历程中，为了解决其测量精度差的问题，国内外研究人员从电极形状、电极尺寸、复合传感器、测量电路等方面进行了改进，为精确的测定多相流流动参数提供了基础。

（1）采用旋转电场减小测量误差。US5151660 A提出一种用于油气水和油水多相流检测的电容传感器，该传感器包括内层，外层，中空孔，电极板嵌在外层和内层之间，电极板的电极由三部分构成，形成螺旋结构，这种旋转的电极所产生的旋转电场可以明显减小由于相分布的不同给电容测量结果带来的影响。

（2）优化电极结构减小测量误差。早在1990年，研究人员就发现，当在绝缘管道外围安置两个弧形电极构成电容传感器时，可通过适当选择绝缘管壁厚度及电极对管心的张角等参数得到在管道截面上几乎处处均匀的敏感度分布。

CN1063361A提出了一种对流型变化不敏感的相浓度计。该浓度计采用环状结构的多电极电容传感器，通过优化电极结构尺寸，在载流管道横截面上造成处处均匀的测量敏感场。在此前提下再实现敏感场的旋转测量，将均匀场与旋转场测量方法各自的优点结合起来，该专利具体采用R2/R1≈2.2，≈108°的电极结构获得了处处均匀的敏感场，其中角值约为108°是由于在10电极系统中每次选择3个电极接在一起构成一个被测电容极板。

（3）组合型传感器减小测量误差。超声波法和电容传感器均可以测量两相流的参数，但是单独采用时，测量的数据可信度低精度低，抗干扰性差，不能抑制杂散电容干扰。

CN2788192Y提出了一种超声波和电容传感器的两相流浓度测量装置，该装置采用了上、下游被测电容传感器和超声波换能器的结合，利用了数据融合原理，提高测量的可信度和精度。

（4）设置高精度测量电路减小测量误差。对于电容式传感器，电容/电压转换电路是电容测量系统硬件的核心部件。小的电容值和电容变化量是很难测量的。

CN101324186A提出了一种油气水三相流相含率测量装置，其采用双螺旋电容传感器以及专门设计的高精度微弱电容测量电路实时在线对管道内的相含率进行测量。微弱电容测量电路，是针对油气两相流时双螺旋电容传感器电容很小，专门设计的高精度测量电路，采用该装置可在线精确的测量多相流相参数。

5 小结

本文对用于多相流检测的电容传感器进行了介绍，目前，虽然对高灵敏度电容传感器的研究已经取得了一定进展，然而如何提高电容传感器的灵敏度仍然是学者们努力的方向。

参考文献：

[1]张文景.气固两相流流动参数检测方法研究[D].内蒙古科技大学， 2011.

[2]乔云芬.新型气固两相流电容式传感器研究[D].东北大学，2011.

[3]刘凯.油液在线监测电容传感器的研制及在线测试方法研究[D].沈阳理工大学，2008.endprint