多相流测量：ECT测量浓度与速度

电容层析成像（Electrical Capacitance Tomography，ECT）作为一种比较成熟的过程层析成像技术，具有广阔的工业应用前景。多相流领域，例如煤炭气化、原油精炼、管道输送等都需要实时监测流体动态过程并获得相关物理特性。由工业总线计算机、ECT系统板、传感器阵列管、屏蔽线缆组成的ECT系统具有实时成像、灵活布局传感器、非接触式测量的特点，可实现对低电导率的多相流流动的实时监测，可以更直观地观测管道内部流动状况。

ECT原理

在多相流中，各相流体介电常数不同。当各相组分分布或者浓度分布发生变化时，混合流体的等价介电常数也会发生变化，使得测量电极对间的电容值发生变化。在此基础上，利用相应的图像重建算法重建被测流场的节点分布图，即可得到各相组分分布或者浓度分布。这种根据电容测量结果计算介电常数的分布，进而测量多相流组分分布或者浓度分布的方法，称为电容层析成像方法（ECT）。

在测量段布置N个测量电极，每两个电极形成一个电极对，总共可组成M=N(N-1)/2个电极对，如图1所示。

图1 ECT系统传感器示意图

在测量每个电极对之间的电容后，通过电容与介电常数的关系、图像重建算法可以计算截面上的介电常数分布，进而获得多相流组分或浓度分布，如图2所示。

图2 ECT系统的图像重构

ECT系统能够获得测量截面上的浓度分布信息，其空间分辨率与传感器的电极数量有关。如图3所示，12个电极的传感器共构成66个电极对，则可形成64×64（约4000）个像素点，用于解析截面上的浓度分布。

理论上，传感器数量越多，空间分辨率越高，但图像重建过程中的计算量随着电极数的增加会大幅增加，因此综合考虑测量精度需求和图像重建的速度，目前一般采用8或16个电极的传感器。

图3 ECT传感器的分辨率

传感器

传感器是ECT系统测量过程的关键。一般情况下，制作传感器管段后将其集成到原有管段上即可，如图4。传感器管段内壁面一般由不导电的塑料管制成，与原有管段内径相同，确保流场不会被干扰。在塑料管外壁，均匀布置有电极，由线缆将电极与ECT系统板连接，通过系统板实现对电极的供电和电极对间电容的测量。

图4 某型号ECT系统板

传感器的制作非常灵活，可根据管段的结构与尺寸进行定制，满足管段直径在数十毫米至1m范围内的测量需求，如图5所示为部分传感器实物图。

图5 传感器实物图

ECT特点

采用ECT系统进行多相流的测量，主要有如下特点：

□ 非侵入式测量，仅需在原有管段基础上连接传感器管段即可完成测量，不影响被测流场内的介质分布和运动状态，确保结果真实；

□ 可获得测量段截面上的多相流浓度分布，而非单点测量，可用于多相流流型的判断；

□ 传感器制作比较灵活，可以匹配较大范围内的管段直径规格（10mm-1m）；

□ 传感器可适应较大范围内的温度和压力测量环境；

□ 快速结果处理与输出，可实现实时成像；

□ 通过布置两个连续的电极传感器，进行相关性分析，可以获取单向的速度。

ECT应用

ECT系统可应用于多相流过程可视化与测试，帮助用户实时了解管段内的多相流浓度分布并判断流型，对于多相流的研究具有重要意义。ECT系统测量已广泛应用于能源、化工、石油、冶金等领域，例如流化床、油气水多相体系、煤粉气力输送过程等都可采用ECT进行测量，如图6-9。

ECT应用

图6 流化床测量

ECT 应用

图7 油气水多相流实验测量

图8 超音速湿气分离器相含率测量

图9 两相流流型测量