CN101231300A - 基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量装置与方法。包括绝缘微型测量管道、两个电容传感器、电容电压转换电路、数据采集电路以及计算机。两个电容传感器获得两组反映气液两相流相含率分布信息的电容信号，经电容电压转化后通过数据采集电路传送至计算机内，利用互相关测速原理计算两组电容测量信号的互相关函数，根据互相关函数峰值位置确立信号的渡越时间，进一步得到管道内气液两相的流速信息。本发明为解决微型管道内非导电气液两相流速测量问题提供了一条有效的途径，相应的装置具有结构简单、非侵入对管道内气液两相流动无影响、成本低等优点，适用于毫米级微型管道中非导电气液两相流速的连续在线测量。

Description

基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量装置与方法

技术领域

本发明涉及计量技术领域，尤其涉及一种基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量装置与方法。

背景技术

两相流广泛存在于石油化学工业等领域之中，气液两相流作为一种典型的两相流动现象，在生产实际当中非常普遍。对气液两相流进行深入研究常常需要测量其流速、空隙率等参数。由于两相流动系统的复杂性，这些参数的连续在线检测往往十分困难。

微型系统内的两相流现象是当今的一个研究热点，受到越来越多的关注与重视，例如微型管道反应器在诸多工业领域中得到了广泛的研究应用，微型管道中两相流参数的检测也成为多相流参数检测领域的一个新方向。流速作为两相流现象的重要参数，对其进行连续在线检测具有很重要的实际意义。目前，对微型管道中两相流速的检测主要有两种方法：高速图像摄影法和光学法。这些方法尚处在实验室研究阶段，虽然有一定的可行性，依然不够成熟完善，难以在实际工业环境中得到应用。工业条件下微型管道中两相流速的检测目前还缺乏行之有效的方法，需要进一步研究。

电容法历史悠久，具有结构简单，成本低廉的特点，便于工业应用。电容法主要获得非导电介质的空隙率信息，已在常规尺度下成功运用，但对于毫米级微型管道环境，尤其是管径在5mm以下的微型管道中，鲜有文献报道。电容法与互相关测速原理相结合可以实现对气液两相流体速度的非侵入式在线测量，目前在微型管道气液两相流速测量中未见使用。

本发明针对当前微型管道内气液两相流速检测的发展现状，提出基于电容法和互相关测速原理的测量方案，设计出一套装置，包含电容传感器、电容电压转换电路、数据采集电路和计算机，可以实现对毫米级微型管道内非导电气液两相流体流速的连续在线测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种稳定、可靠的基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量装置与方法。

基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量装置包括管径为毫米级的绝缘微型测量管道，在管道的外围安装有两个结构相同的电容传感器，电容传感器与电容电压转换电路相连接，两个电容传感器分别与第一电容电压转换电路、第二电容电压转换电路相连接，转换电路通过数据采集电路与计算机相连接，电容传感器由两片对称的金属电极构成，分别为激励端和检测端，两电极互相对称并且紧贴绝缘微型测量管道的外壁安装，电极与导线相连接，整个测量管道外侧均匀包围金属屏蔽层。

所述的第一电容电压转换电路和第二电容电压转换电路结构相同，连接方式均为第一电子开关一端和第二开关一端经过电容传感器与第三电子开关的一端、第三电容的一端、第一运算放大器反向输入端相连接，第二开关另一端接地，电容传感器两端分别与第一电容一端、第二电容一端相连接，第一电容另一端和第二电容另一端接地，第一运算放大器输出端与第一电阻一端，第三电容另一端，第三开关另一端相连接，第一电阻另一端与第二电阻一端，第二运算放大器反向输入端相连接，第一运算放大器正向输入端和第二运算放大器正向输入端接地，第二运算放大器输出端与第二电阻另一端、第一采样保持器输入端，第二采样保持器输入端相连接，第一采样保持器输出端与第四电容一端、差分放大器反向输入端相连接，第二采样保持器输出端与第五电容一端、差分放大器正向输入端相连接，差分放大器输出端与第四电子开关一端相连接，第四电容和第五电容另一端均接地。

所述的数据采集电路为：数字信号处理器分别与A/D转换器、可编程增益放大器、仪表放大器、D/A转换器、复杂可编程逻辑器件、USB通讯模块相连接，D/A转换器依次与仪表放大器、可编程增益放大器、A/D转换器相连接，复杂可编程逻辑器件分别与D/A转换器、仪表放大器、可编程增益放大器、A/D转换器相连接，复杂可编程逻辑器件分别与D/A转换器、仪表放大器、可编程增益放大器、A/D转换器相连接。

基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量方法包括如下步骤：

1)两个结构相同的电容传感器安装在绝缘微型测量管道外壁上，该传感器产生两组反映气液两相流相含率分布信息的独立电容信号，由第一电容电压转换电路和第二电容电压转换电路测得，并由数据采集电路送入计算机；

2)先对两组电容信号进行归一化与去均值处理，对处理后的信号E_x1、E_x2进行互相关处理，互相关处理的公式如下：

$R_{E_{X1}{E}_{X2}}\left(j\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{x1}\left(n\right)E_{x2}(n+j),j=\mathrm{1,2,3}......,J$

其中：

N——用于互相关计算的采样点的个数

3)根据由步骤2)得到的互相关处理结果的函数峰值位置确立信号的渡越时间τ，公式如下：

τ＝KΔt，

其中：

K——互相关函数峰值对应的信号滞后点数

Δt——采样间隔

4)根据信号的渡越时间τ和两个电容传感器的中心间距L，确定微型管道内气液两相流体的速度v，公式如下：

$v=\frac{L}{\mathrm{\τ}}.$

所述的对两组电容信号进行归一化与去均值处理方法包括如下步骤：

1)对两组电容信号进行归一化处理，归一化处理的公式如下：

$C_{x1}^{\′}=\frac{C_{x1}-C_{01}}{C_{m1}-C_{01}}---\left(1\right)$

$C_{x2}^{\′}=\frac{C_{x2}-C_{02}}{C_{x2}-C_{02}}---\left(2\right)$

其中：

C₀₁——测量管道内全部为气体时第一组电容信号，

C₀₂——测量管道内全部为气体时第二组电容信号，

C_m1——测量管道内全部为液体时第一组电容信号，

C_m2——测量管道内全部为液体时第二组电容信号，

C_x1′——第一组电容信号归一化的结果，

C_x2′——第二组电容信号归一化的结果，

2)对由步骤1)得到的信号C_x1′，信号C_x2′进行去均值处理，去均值处理的公式如下：

$E_{x1}=C_{x1}^{\′}-\stackrel{\‾}{C_{x1}^{\′}}---\left(3\right)$

$E_{x2}=C_{x2}^{\′}-\stackrel{\‾}{C_{x2}^{\′}}---\left(4\right)$

其中：

——第一组归一化后信号的均值，

——第二组归一化后信号的均值，

E_x1——经过去均值处理后的第一组信号，

E_x2——经过去均值处理后的第二组信号。

本发明可用于对毫米级微型管道内非导电气液两相流速进行在线测量，相应的装置具有结构简单、非侵入对管道内气液两相流动无影响、成本低等优点，适用于微型管道中非导电气液两相流速的连续在线测量。

附图说明

图1是基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量装置的结构示意图；

图2是本发明的电容传感器沿管线方向的剖面图；

图3是本发明的电容传感器沿管截面方向的剖面图；

图4是本发明的数据采集电路方框图；

图5是本发明的电容电压转换电路图。

具体实施方式

如图1所示，基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量装置包括管径为毫米级的绝缘微型测量管道，在管道的外围安装有两个结构相同的电容传感器，两个电容传感器分别与第一电容电压转换电路、第二电容电压转换电路相连接，电容电压转换电路通过数据采集电路与计算机相连接，电容传感器由两片对称的金属电极构成，分别为激励端1和检测端2，两电极互相对称并且紧贴绝缘微型测量管道的外壁3安装，电极与导线4相连接，整个测量管道外侧均匀包围金属屏蔽层5。

两个电容传感器获得两组反映气液两相流相含率分布信息的电容信号，经电容电压转化后通过数据采集电路传送至计算机内，由计算机内的数据处理系统进行存储和分析处理。

如图2所示，在绝缘微型测量管道的外壁上依次安装两个具有相同结构的电容传感器，间隔距离为l。该传感器由两片宽度为W的金属电极构成。安装好电容传感器的测量管道外壁被金属屏蔽层包围。

如图3所示，电容传感器的两片金属电极对称分布于测量管道外壁，电极所对应的张角用α表示，从电极引出的导线穿过屏蔽层，与电容电压转换电路相连接。

如图4所示，数据采集电路为：数字信号处理器分别与A/D转换器、可编程增益放大器、仪表放大器、D/A转换器、复杂可编程逻辑器件、USB通讯模块相连接，D/A转换器依次与仪表放大器、可编程增益放大器、A/D转换器相连接，复杂可编程逻辑器件分别与D/A转换器、仪表放大器、可编程增益放大器、A/D转换器相连接。

各原件型号分别采用：数字信号处理器ADSP-2188N，复杂可编程逻辑器件XC9572XL，可编程增益放大器AD526，仪表放大器INA128，A/D转换器AD7472BR，D/A转换器TL5619。

采样控制以数字信号处理器为核心，以复杂可编程逻辑器件进行辅助控制，系统工作时，计算机把命令发送给数字信号处理器，然后数字信号处理器通过复杂可编程逻辑器件来锁存控制信号；USB通讯模块采用高度集成的USB接口芯片，USB接口芯片智能引擎会自动发送数据到计算机，这个发送过程和数字信号处理器的其它操作是并行的，采集到的数据信号发送至计算机后，在计算机上实现对信号的分析和处理。

如图5所示，第一电容电压转换电路和第二电容电压转换电路结构相同，连接方式均为第一电子开关S₁一端和第二开关S₂一端经过一个电容传感器C_x与第三电子开关S₃的一端、第三电容C₃的一端、第一运算放大器A₁反向输入端相连接，第二开关S₂另一端接地，电容传感器C_x两端分别与第一电容C₁一端、第二电容C2一端相连接，第一电容C₁另一端和第二电容C₂另一端接地，第一运算放大器A₁输出端与第一电阻R₁一端，第三电容C₃另一端，第三开关S₃另一端相连接，第一电阻R₁另一端与第二电阻R₂一端，第二运算放大器A₂反向输入端相连接，第一运算放大器A₁正向输入端和第二运算放大器A₂正向输入端接地，第二运算放大器A₂输出端与第二电阻R₂另一端、第一采样保持器U₁输入端，第二采样保持器U₂输入端相连接，第一采样保持器U₁输出端与第四电容C₄一端、差分放大器A₃反向输入端相连接，第二采样保持器U₂输出端与第五电容C₅一端、差分放大器A₃正向输入端相连接，差分放大器A₃输出端与第四电子开关S₄一端相连接，第四电容C₄和第五电容C₅另一端均接地。

电子开关的通断控制对电容传感器激励端进行激励，电容传感器的检测端受到感应，产生感应电荷，对第三电容C₃充电，第二运算放大器的输出电压经过采样保持器采样并被保持，仪表放大器输出两个采样保持器保持电压的差值，此差值作为电容电压转换电路的结果，可反映传感器上的电容信号。电容电压转换电路的工作顺序为：(1)S₃断开，电子开关断开时会有电荷注入C₃，引起V₁处电压升高；(2)两个采样保持器同时进行采样，采样一段时间后，第一采样保持器U₁保持；(3)S₂断开S₁合上，电容传感器受激励，在其检测端产生感应电荷，感应电荷对C₃充电，引起V₁进一步升高，根据电压叠加原理，此时V₁是由电子开关断开产生的电荷和激励产生的电荷对C₃共同充电引起的；(4)第二采样保持器U₂进行采样并保持V₃；(5)仪表放大器输出两个采样保持器保持电压的差值，它是激励产生的感应电荷对C₃充电引起的电压变化，即电容电压转换的结果。

基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量方法，包括如下步骤：

1)两个结构相同的电容传感器C_x安装在绝缘微型测量管道外壁上，该传感器产生两组反映气液两相流相含率分布信息的独立电容信号，由电容电压转换电路测得，并由数据采集电路送入计算机；

2)先对两组电容信号进行归一化与去均值处理，对处理后的信号E_x1、E_x2进行互相关处理，互相关处理的公式如下：

$R_{E_{x1}{E}_{x2}}\left(j\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{x1}\left(n\right)E_{x2}(n+j),j=\mathrm{1,2,3}.......,J$

其中：

N——用于互相关计算的采样点的个数

3)根据由步骤2)得到的互相关处理结果的函数峰值位置确立信号的渡越时间τ，公式如下：

τ＝KΔt，

其中：

K——互相关函数峰值对应的信号滞后点数

Δt——采样间隔

4)根据信号的渡越时间τ和两个电容传感器C_x的中心间距L，确定微型管道内气液两相流体的速度v，公式如下：

$v=\frac{L}{\mathrm{\τ}}.$

所述的对两组电容信号进行归一化与去均值处理方法包括如下步骤：

1)对两组电容信号进行归一化处理，归一化处理的公式如下：

$C_{x1}^{\′}=\frac{C_{x1}-C_{01}}{C_{m1}-C_{01}}---\left(1\right)$

$C_{x2}^{\′}=\frac{C_{x2}-C_{02}}{C_{m2}-C_{02}}---\left(2\right)$

其中：

C₀₁——测量管道内全部为气体时第一组电容信号，

C₀₂——测量管道内全部为气体时第二组电容信号，

C_m1——测量管道内全部为液体时第一组电容信号，

C_m2——测量管道内全部为液体时第二组电容信号，

C_x1′——第一组电容信号归一化的结果，

C_x2′——第二组电容信号归一化的结果，

2)对由步骤1)得到的信号C_x1′，信号C_x2′进行去均值处理，去均值处理的公式如下：

$E_{x1}=C_{x1}^{\′}-\stackrel{\‾}{C_{x1}^{\′}}---\left(3\right)$

$E_{x2}=C_{x2}^{\′}-\stackrel{\‾}{C_{x2}^{\′}}---\left(4\right)$

其中：

——第一组归一化后信号的均值，

——第二组归一化后信号的均值，

E_x1——经过去均值处理后的第一组信号，

E_x2——经过去均值处理后的第二组信号。

现已针对非导电介质空气与甘油形成的气液两相流在内径为1.56mm，2.65mm，3.96mm的水平玻璃管道上进行了试验，利用本发明中所提及的装置与方法，已对流体速度范围约为0～0.1m/s的情况进行测试，取得了良好的效果。

Claims (5)

1.一种基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量装置，其特征在于：包括管径为毫米级的绝缘微型测量管道，在管道的外围安装有两个结构相同的电容传感器，两个电容传感器分别与第一电容电压转换电路、第二电容电压转换电路相连接，转换电路通过数据采集电路与计算机相连接，电容传感器由两片对称的金属电极构成，分别为激励端(1)和检测端(2)，两电极互相对称并且紧贴绝缘微型测量管道的外壁(3)安装，电极与导线(4)相连接，整个测量管道外侧均匀包围金属屏蔽层(5)。

2.根据权利要求1所述的一种基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量装置，其特征在于：所述的第一电容电压转换电路和第二电容电压转换电路结构相同，连接方式均为第一电子开关(S₁)一端和第二开关(S₂)一端经过一个电容传感器(C_x)与第三电子开关(S₃)的一端、第三电容(C₃)的一端、第一运算放大器(A₁)反向输入端相连接，第二开关(S₂)另一端接地，电容传感器(C_x)两端分别与第一电容(C₁)一端、第二电容(C2)一端相连接，第一电容(C₁)另一端和第二电容(C₂)另一端接地，第一运算放大器(A₁)输出端与第一电阻(R₁)一端，第三电容(C₃)另一端，第三开关(S₃)另一端相连接，第一电阻(R₁)另一端与第二电阻(R₂)一端，第二运算放大器(A₂)反向输入端相连接，第一运算放大器(A₁)正向输入端和第二运算放大器(A₂)正向输入端接地，第二运算放大器(A₂)输出端与第二电阻(R₂)另一端、第一采样保持器(U₁)输入端，第二采样保持器(U₂)输入端相连接，第一采样保持器(U₁)输出端与第四电容(C₄)一端、差分放大器(A₃)反向输入端相连接，第二采样保持器(U₂)输出端与第五电容(C₅)一端、差分放大器(A₃)正向输入端相连接，差分放大器(A₃)输出端与第四电子开关(S₄)一端相连接，第四电容(C₄)和第五电容(C₅)另一端均接地。

3.根据权利要求1所述的一种基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量装置，其特征在于所述的数据采集电路为：数字信号处理器分别与A/D转换器、可编程增益放大器、仪表放大器、D/A转换器、复杂可编程逻辑器件、USB通讯模块相连接，D/A转换器依次与仪表放大器、可编程增益放大器、A/D转换器相连接，复杂可编程逻辑器件分别与D/A转换器、仪表放大器、可编程增益放大器、A/D转换器相连接。

4.一种使用如权利要求1所述装置的基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1)两个结构相同的电容传感器(C_x)安装在绝缘微型测量管道外壁上，该传感器产生两组反映气液两相流相含率分布信息的独立电容信号，由第一电容电压转换电路和第二电容电压转换电路测得，并由数据采集电路送入计算机；

2)先对两组电容信号进行归一化与去均值处理，对处理后的信号E_x1、E_x2进行互相关处理，互相关处理的公式如下：

$R_{E_{X1}{E}_{X2}}\left(j\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{x1}\left(n\right)E_{x2}(n+j),j=\mathrm{1,2,3}......,J$

其中：

N——用于互相关计算的采样点的个数

3)根据由步骤2)得到的互相关处理结果的函数峰值位置确立信号的渡越时间τ，公式如下：

τ＝KΔt，

其中：

K——互相关函数峰值对应的信号滞后点数

Δt——采样间隔

4)根据信号的渡越时间τ和两个电容传感器(C_x)的中心间距L，确定微型管道内气液两相流体的速度v，公式如下：

$v=\frac{L}{\mathrm{\τ}}.$

5.所述的一种基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量方法，其中对两组电容信号进行归一化与去均值处理方法包括如下步骤：

1)对两组电容信号进行归一化处理，归一化处理的公式如下：

$C_{x1}^{\′}=\frac{C_{x1}-C_{01}}{C_{m1}-C_{01}}---\left(1\right)$

$C_{x2}^{\′}=\frac{C_{x2}-C_{02}}{C_{m2}-C_{02}}---\left(2\right)$

其中：

C₀₁——测量管道内全部为气体时第一组电容信号，

C₀₂——测量管道内全部为气体时第二组电容信号，

C_m1——测量管道内全部为液体时第一组电容信号，

C_m2——测量管道内全部为液体时第二组电容信号，

C_x1′——第一组电容信号归一化的结果，

C_x2′——第二组电容信号归一化的结果，

2)对由步骤1)得到的信号C_x1′，信号C_x2′进行去均值处理，去均值处理的公式如下：

$E_{x1}=C_{x1}^{\′}--\stackrel{\‾}{C_{x1}^{\′}}--\left(3\right)$

$E_{x2}=C_{x2}^{\′}-\stackrel{\‾}{C_{x2}^{\′}}---\left(4\right)$

其中：

——第一组归一化后信号的均值，

——第二组归一化后信号的均值，

E_x1——经过去均值处理后的第一组信号，

E_x2——经过去均值处理后的第二组信号。

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