CN103822676A - 双锥流量计辅以相关超声波流量计的气液两相流测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双锥流量计辅以相关超声波流量计的气液两相流测量装置。双锥流量计安装在测量管道一端，由两对超声波换能器组成的相关超声波流量计安装在测量管道另一端，双锥流量计的测量管道与进口管道连接，相关超声波流量计的测量管道与出口管道连接；双锥流量计的测量管道壁上的两个取压孔与双锥流量计信号处理电路连接，两对超声波换能器与相关超声波流量计信号处理电路连接。流体的流动过程中会伴有流动噪声，相关超声波流量计就是对这种噪声予以检测，提取出所期望的流速信息的有用噪声，从而准确测得流体的流速，弥补差压式流量计在两相流体积流量测量精度上的不足，提高气相体积含率的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种气液两相流测量装置，尤其是涉及采用一种双锥流量计辅以相关超声波流量计的气液两相流测量装置。
背景技术
双锥流量计是一种新型是差压式流量计，它是在V锥流量计的结构基础上提出的一种新型节流装置。双锥流量计改变了传统节流件将流体迅速收缩到管道轴线附近的设计理念，而是利用V形的前部尖锥角将流体慢慢节流收缩到管道内壁。这一改变使得双锥流量计较其他传统的差压式流量计而言具有许多独特的优点：压损小、抗扰动能力强、直管段要求短等。双锥流量计相比于其前身V锥流量计，在锥体结构上进行了改进，通过一段圆柱体连接一个同角度的锥体，形成了一个双锥，使流通面积经过一段距离稳定后再逐渐扩大。该结构对尾部的流体有一定的导流，可以起到防止流动分离，减少漩涡等的作用，可进一步减小压损。
根据现有文献大量的研究，差压、体积流量及气相含率瞬时值满足一定的函数关系，即：ΔP/Qv 2＝kμ+b，式中ΔP为所测得的差压，Qv为体积流量，μ为气相体积含率，若可以准确测得差压ΔP和体积流量Qv，就可以准确求得气相体积含率。
相关流速测量技术是以随机过程的相关理论和信息理论为基础发展起来的一种流动参数检测技术。随着相关流速测量技术的完善与发展，越来越显示出它在解决困难流体的参数测量，特别是两相（气/液、气/固和液/固）流体以及多相流体的参数测量问题上所具有的巨大潜力，并已被证明是解决两相管流检测问题的一个强有力的技术工具。
与其它两相流体流动参数测量技术相比较，相关流速测量技术有着许多突出的优点：它可直接利用被测流体内部存在的随机流动噪声现象产生对传感器的调制作用来提取有用的流动噪声信号，无须在流体中投入示踪物；其超声波换能器部分可作成夹钳式结构，无可动部件，对被测流体不会产生阻碍作用等等。
流体的流动过程中一定会伴有流动噪声，相关超声波流量计就是对这种噪声予以检测，并通过适当的处理，提取出所期望的流速信息的有用噪声，从而准确测得流体的流速，弥补差压式流量计在两相流体积流量测量精度上的不足，提高气相体积含率的测量精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种双锥流量计辅以相关超声波流量计的气液两相流测量装置，提高两相流体积流量及气相体积含率的测量精度。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括双锥流量计，相关超声波流量计，相关超声波流量计信号处理电路和双锥流量计信号处理电路；双锥流量计安装在测量管道一端，由一对上游超声波换能器和一对下游超声波换能器组成的相关超声波流量计安装在测量管道另一端，安装有双锥流量计的测量管道一端通过法兰与进口管道连接，安装有相关超声波流量计的测量管道的一端通过另一法兰与出口管道连接。
双锥流量计信号处理电路：包括差压传感器、滤波放大电路、MSP430单片机和输出显示电路；测量管道壁上的第一取压孔和第二取压孔分别与差压传感器的两个取压管道连接后，差压传感器的输出信号经滤波放大电路、MSP430单片机与液晶显示电路连接。
相关超声波流量计信号处理电路：有两路结构相同的滤波放大电路，滤波放大电路的一端分别与上游超声波换能器和下游超声波换能器的接收端连接，滤波放大电路的另一端分别通过各自的AD转换电路后与S3C2410单片机连接，S3C2410单片机通过I/O口与MSP430单片机连接。
所述双锥流量计，包括第一取压孔、第二取压孔、第三取压孔和双锥节流件；第一取压孔位于上游流体收缩前处；第二取压孔位于节流件喉部正中间最小流通面积处；第三取压孔位于下游流体恢复时处；双锥节流件由前后两个同为45°锥角的锥体和中间带有支撑件的圆柱体组成。
所述双锥流量计信号滤波放大电路，包括放大器和RC滤波电路；仪用放大器AD620的2、3两脚与差压传感器的输出相接；仪用放大器AD620的第6管脚与RC滤波电路相接；RC滤波电路由一个电阻和电容组成。
所述MSP430单片机，采用msp430f5438，为德州仪器公司生产的430系列16位超低功耗微控制器；输出显示电路采用12864点阵带汉字液晶模块。
所述相关超声波流量计信号放大滤波电路，包括限幅放大电路、滤波电路和放大电路；限幅放大电路：以同相放大器LF357芯片和反相放大器LM318芯片为核心，上游超声波换能器或者下游超声波换能器的接收端所接收到的信号经一对稳压二极管IN4004进行限幅保护与LF357芯片的第2管脚相接，LF357芯片的第6管脚经电容和电阻与LM318芯片的第2管脚相接；滤波电路：由两个LM318芯片组成，实现带通滤波；放大电路：以仪用放大器AD620为核心，AD620的3脚与滤波电路输出端相接，1、8脚与一个电位器相接，6脚与AD转换电路相接。
所述相关超声波流量计AD转换电路，以模数转换器TLV5510为核心，TLV5510芯片的第19管脚与AD620芯片的第6管脚相接，TLV5510芯片的第3-10脚依次分别与芯片IDT7206的6-3、27-24脚相接，TLV5510芯片的9-12、16-19脚分别与单片机S3C2410相接。
所述S3C2410单片机，是SAMSUNG公司推出的16/32位RISC处理器，该处理器采用的是ARM920T内核，最高工作频率可达266MH。
本发明具有的有益效果是：
1）双锥流量计是一种新型是差压式流量计，较其他传统的差压式流量计而言具有压损小、抗扰动能力强、直管段要求短等独特优点。后锥体可对尾部的流体有一定的导流，可以起到防止流动分离，减少漩涡等的作用，可进一步减小压损。但差压式流量计在两相流体积流量的测量上的精度始终不高。同时，流体的流动过程中一定会伴有流动噪声，相关超声波流量计对这种噪声予以检测，并通过适当的处理，提取出所期望的流速信息的有用噪声，从而准确测得流体的流速，弥补差压式流量计在两相流体积流量测量精度上的不足，从而提高装置对气相体积含率的测量精度。
2）本装置结构简单，安装方便，实现成本低。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是直径比为0.9的双锥流量计装配图。
图3是双锥流量计信号放大滤波电路原理图。
图4是相关超声波流量计信号限幅放大电路原理图。
图5是相关超声波流量计信号滤波电路原理图。
图6是相关超声波流量计信号放大电路原理图。
图7是相关超声波流量计A/D转换电路原理图。
图8是相关超声波流量计两路随机信号的噪声波形示意图。
图9是图8信号处理后的相关函数示意图。
图中：1、法兰，2、第一取压孔，3、管壁，4、第二取压孔，5、双锥节流件，6、第三取压孔，7、上游超声波换能器，8、下游超声波换能器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明包括：双锥流量计，相关超声波流量计，相关超声波流量计信号处理电路和双锥流量计信号处理电路；双锥流量计安装在测量管道一端，由一对上游超声波换能器7和一对下游超声波换能器8组成的相关超声波流量计安装在测量管道另一端，安装有双锥流量计的测量管道一端通过法兰1与进口管道连接，安装有相关超声波流量计的测量管道的一端通过另一法兰与出口管道连接。
双锥流量计信号处理电路：包括差压传感器、滤波放大电路、MSP430单片机和输出显示电路；测量管道壁3上的第一取压孔2和第二取压孔4分别与差压传感器的两个取压管道连接后，差压传感器的输出信号经滤波放大电路、MSP430单片机与液晶显示电路连接；MSP430单片机，采用msp430f5438，为德州仪器公司生产的430系列16位超低功耗微控制器；输出显示电路采用12864点阵带汉字液晶模块。
相关超声波流量计信号处理电路：有两路结构相同的滤波放大电路，滤波放大电路的一端分别与上游超声波换能器7和下游超声波换能器8的接收端连接，滤波放大电路的另一端分别通过各自的AD转换电路后与S3C2410单片机连接，S3C2410单片机通过I/O口与MSP430单片机连接。S3C2410单片机，是SAMSUNG公司推出的16/32位RISC处理器，该处理器采用的是ARM920T内核，最高工作频率可达266MH。
上、下游超声波换能器同时向被测流体发送一定幅度的能量束，上游超声波换能器的接收端检测到引起调制作用的随机信号x(t)，下游超声波换能器的接收端检测到引起调制作用的随机信号y(t)。通过相关理论可计算出这两个信号的互相关函数，该函数峰值位置所对应的时间τ0就是随机信号在该系统中的传递时间（即流体的流动时间）。
如图1、图2所示，所述双锥流量计，包括第一取压孔2、第二取压孔4、第三取压孔6和双锥节流件5；第一取压孔2位于上游流体收缩前处(即在直径比为0.9时，距节流件喉部正中间上游75mm处；直径比为0.8时，距节流件喉部正中间上游70mm处；直径比为0.7时，距节流件喉部正中间上游65mm处，以此类推)，第二取压孔4位于节流件喉部正中间最小流通面积处，第三取压孔6位于下游流体恢复时处(即在直径比为0.9时，距节流件喉部正中间下游75mm处；直径比为0.8时，距节流件喉部正中间下游70mm处；直径比为0.7时，距节流件喉部正中间下游65mm处，以此类推)；双锥节流件5由前后两个同为45°锥角的锥体和中间带有支撑件的圆柱体组成。定义双锥节流件喉部圆柱体横截面的直径为d，测量管道内径为D，d/D为直径比。
双锥流量计是在V锥流量计的结构基础上提出的一种新型节流装置，它从根本上改变了传统节流件将流体迅速收缩到管道轴线附近的设计理念，而是利用前部尖锥角将流体慢慢节流收缩到管道内壁。这一改变使得双锥流量计较其他传统的差压式流量计而言具有许多独特的优点：压损小、抗扰动能力强、直管段要求短等。双锥的前锥角起V锥的作用，圆柱体与测量管壁形成一段流动相对稳定的环形喉部，后锥角这对尾部的流体有一定的导流作用，防止流动分离，减少漩涡，从而有效地降低压力损失。
双锥流量计作为一种差压式流量计，满足差压式流量计的气液两相流气相含率的计算模型公式，即：ΔP/Qv 2＝kμ+b，式中ΔP为所测得的差压，Qv为体积流量，μ为气相体积含率，
C为流体的流出系数,为流体的可膨胀系数,ρg为气体密度，ρl为液体密度，A为双锥流量计最小流通面积，β为双锥流量计的等效直径比，即
n为支撑件横截面厚度，l为支撑件长度。双锥流量计和相关超声波流量计分别与其各自信号处理电路连接。相关超声波流量计可直接利用被测流体内部存在的随机流动噪声现象产生对传感器的调制作用来提取有用的流动噪声信号，无须在流体中投入示踪物，超声波换能器部分可作成夹钳式结构，无可动部件，对被测流体不会产生阻碍作用。相关超声波流量计可较准确地测得流速和体积流量，进而对双锥流量计所测得的流速和体积流量进行校准，提高双锥流量计对气相体积含率的测量精度。
如图3所示，所述双锥流量计信号滤波放大电路，包括放大器和RC滤波电路；仪用放大器AD620的2、3两脚与差压传感器的输出相接；仪用放大器AD620的第6管脚与RC滤波电路相接；RC滤波电路由一个电阻和电容组成。
如图4所示，所述相关超声波流量计限幅放大电路以同相放大器LF357和反相放大器LM318为核心，上游超声波换能器7或者下游超声波换能器8的接收端所接收到的信号经一对稳压二极管IN4004进行限幅保护与LF357芯片的第2管脚相接，LF357芯片的第6管脚经电容和电阻与LM318芯片的第2管脚相接。电路中采用的LF357芯片是一种典型双极型场效应管的高速运算放大器，其转换速率高达50V/μs，电压增益106dB，输入阻抗高达1012Ω；同时它还具有输入偏流小，允许损耗小等特点。而构成反相放大器的LM318则是一种典型的高精度高速运算放大器，其主要特点是频带宽，可达15MHz，转换速率高达50V/μs，允许损耗小(500mW)。运算放大器放大倍数-1～-60可调。
如图5所示，所述相关超声波流量计信号滤波电路，经过初次限幅放大，有用信号和其他干扰信号都得到了相同的放大，因此要通过滤波电路将干扰信号滤除。电路采用两级由LM318芯片构成的带通滤波器对信号进行两级滤波放大，由此屏蔽干扰成分且放大有效信号成分。
如图6所示，所述相关超声波流量计信号放大电路，放大电路以仪用放大器AD620为核心，AD620芯片的3脚与滤波电路输出端相接，1、8脚与一个电位器相接，6脚与AD转换电路相接。
如图7所示，所述相关超声波流量计A/D转换电路，以模数转换器TLV5510为核心，TLV5510芯片的第19管脚与AD620芯片的第6管脚相接，TLV5510芯片的第3-10脚依次分别与芯片IDT7206的6-3、27-24脚相接，TLV5510芯片的9-12、16-19脚分别与单片机S3C2410相接。考虑到数字信号处理中，保证信号的波形尽可能的完整，信号采样应达到足够的分辨率；同时考虑到信号处理的时间限制、数据量的大小和A/D芯片的价格等要素，并结合S3C2410单片机的信息处理能力，设计采样率初定为10MSPS，选用低功耗8位模数转换器TLV5510，以10MSPS对接收信号进行量化。对于40kHZ的超声接收信号,每个周期的量化点数为：10M/40k=250。考虑到数据转换速率和产生数据量可能对系统造成的影响，系统将转换后数据经16384×9bit的FIFO IDT7206L35缓冲，后再交给单片机S3C2410，以降低对主控制芯片的实时性要求。采用16K存储单元的FIFO，一次至少可以暂存64个周期的数据，能够满足系统要求。为防止因A/D转换器转换速率与单片机S3C2410的读外部数据速率存在差异可能造成的数据丢失或混叠，保证转换后数据传输的正确性，此部分需要A/D转换时钟和FIFO写时钟严格同步。为实现将数据精确的从A/D时钟域同步到主控制器S3C2410的时钟域，满足TLV5510芯片转换的数据实时接收的需要，并实现完整且及时的读取已转换数据。设计将IDT7206芯片的写
控制端与TLV5510芯片转换时钟CLK采用同频时钟，并利用IDT7206芯片丰富的状态标识，在一次数据转换结束后以中断方式通知主控制器S3C2410进行读取数据，实现IDT7206芯片到单片机S3C2410的数据传输同步。考虑到TLV5510芯片输入输出存在约4个时钟周期的延迟，所以在从FIFO中读取转换数据时应舍去前4个无效数据，以实现精确定位采集数据的开始和结束点。
如图8所示，为相关超声波流量计两路随机噪声信号的波形示意图。x(t)为上游的接收换能器检测到引起调制作用的随机信号，y(t)为下游的接收换能器检测到引起调制作用的随机信号。
如图9所示，为图8信号处理后的相关函数示意图。根据随机理论可知，互相关函数是两随机过程相关性的描述，对上、下游信号作互相关运算实际上就是在不同的延时值下比较两信号波形的相似程度，从而求出渡越时间。定义τ0为流体从上游换能器流动到下游换能器的时间，即渡越时间。x(t)和y(t)的互相关函数Rxy(τ)可由式
表示，T为随机过程的周期且T趋向于无穷大。由测量原理可知，x(t)=y(t+τ0)，将此表达式带入Rxy(τ)表达式，可得
由自相关函数的性质可知：当τ=0时Rxx(τ)取得最大值，故当τ=τ0时Rxy(τ)取得最大值。即x(t)和y(t)的互相关函数值峰值所对应的τ值就是流体流经上游换能器到下游换能器的渡越时间。
Claims (7)
1.一种双锥流量计辅以相关超声波流量计的气液两相流测量装置，其特征在于：包括双锥流量计，相关超声波流量计，相关超声波流量计信号处理电路和双锥流量计信号处理电路；双锥流量计安装在测量管道一端，由一对上游超声波换能器(7)和一对下游超声波换能器(8)组成的相关超声波流量计安装在测量管道另一端，安装有双锥流量计的测量管道一端通过法兰（1）与进口管道连接，安装有相关超声波流量计的测量管道的一端通过另一法兰与出口管道连接；
双锥流量计信号处理电路：包括差压传感器、滤波放大电路、MSP430单片机和输出显示电路；测量管道壁（3）上的第一取压孔（2）和第二取压孔（4）分别与差压传感器的两个取压管道连接后，差压传感器的输出信号经滤波放大电路、MSP430单片机与液晶显示电路连接；
相关超声波流量计信号处理电路：有两路结构相同的滤波放大电路，滤波放大电路的一端分别与上游超声波换能器(7)和下游超声波换能器(8)的接收端连接，滤波放大电路的另一端分别通过各自的AD转换电路后与S3C2410单片机连接，S3C2410单片机通过I/O口与MSP430单片机连接。
2.根据权利要求1所述的一种双锥流量计辅以相关超声波流量计的气液两相流测量装置，其特征在于：所述双锥流量计，包括第一取压孔（2）、第二取压孔（4）、第三取压孔（6）和双锥节流件（5）；第一取压孔（2）位于上游流体收缩前处；第二取压孔（4）位于节流件喉部正中间最小流通面积处；第三取压孔（6）位于下游流体恢复处；双锥节流件（5）由前后两个同为45°锥角的锥体和中间带有支撑件的圆柱体组成。
3.根据权利要求1所述的一种双锥流量计辅以相关超声波流量计的气液两相流测量装置，其特征在于：所述双锥流量计信号滤波放大电路，包括放大器和RC滤波电路；仪用放大器AD620的2、3两脚与差压传感器的输出相接；仪用放大器AD620的第6管脚与RC滤波电路相接；RC滤波电路由一个电阻和电容组成。
4.根据权利要求1所述的一种双锥流量计辅以相关超声波流量计的气液两相流测量装置，其特征在于：所述MSP430单片机，采用msp430f5438，为德州仪器公司生产的430系列16位超低功耗微控制器；输出显示电路采用12864点阵带汉字液晶模块。
5.根据权利要求1所述的一种双锥流量计辅以相关超声波流量计的气液两相流测量装置，其特征在于：所述相关超声波流量计信号放大滤波电路，包括限幅放大电路、滤波电路和放大电路；限幅放大电路：以同相放大器LF357和反相放大器LM318为核心，上游超声波换能器(7)或者下游超声波换能器(8)的接收端所接收到的信号经一对稳压二极管IN4004进行限幅保护与LF357芯片的第2管脚相接，LF357芯片的第6管脚经电容和电阻与LM318芯片的第2管脚相接；滤波电路：由两个LM318芯片组成，实现带通滤波；放大电路：以仪用放大器AD620为核心，AD620的3脚与滤波电路输出端相接，1、8脚与一个电位器相接，6脚与AD转换电路相接。
6.根据权利要求1所述的一种双锥流量计辅以相关超声波流量计的气液两相流测量装置，其特征在于：所述相关超声波流量计AD转换电路，以模数转换器TLV5510为核心，TLV5510的第19管脚与AD620的第6管脚相接，TLV5510的第3-10脚依次分别与芯片IDT7206的6-3、27-24脚相接，TLV5510的9-12、16-19脚分别与单片机S3C2410相接。
7.根据权利要求1所述的一种双锥流量计辅以相关超声波流量计的气液两相流测量装置，其特征在于：所述S3C2410单片机，是SAMSUNG公司推出的16/32位RISC处理器，该处理器采用的是ARM920T内核，最高工作频率可达266MH。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140528 |