CN104819996A - 基于扫频复阻抗测量的油水两相流含水率计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于扫频复阻抗测量的油水两相流含水率计及其测量方法，含水率计包括传感器和控制器，控制器包括壳体内装有的两个结构相同的复阻抗测量模块一、复阻抗测量模块二及处理器模块、键盘和液晶显示器，传感器上分别装有四个电极，电极A、电极B分别连接复阻抗测量模块一的输入、输出，电极C、电极D分别连接复阻抗测量模块二的输入、输出，处理器模块的IIC接口一与复阻抗测量模块一相连，处理器模块的IIC接口二与复阻抗测量模块二相连，处理器模块的串口输出及控制接口与计算机相连，处理器模块的输出分别连接键盘和液晶显示器。本发明采用AD5933测量油水两相流的复阻抗，适用于油水两相流测量，结构简单、精确度高。

Description

基于扫频复阻抗测量的油水两相流含水率计及其测量方法

技术领域

本发明属于多相流智能仪表技术领域，涉及一种基于扫频复阻抗测量的油水两相流含水率计及其测量方法，可用于油水两相流的流速和相含率测量。

背景技术

工业生产和运输中以两相流最为普遍，如在火力发电的煤粉输送、粮食加工的气力输送中存在的气固两相流；在锅炉系统、原油和天然气传输、核反应堆的蒸气发生器管束及化工传热传质设备的反应过程中存在的气液两相流；在海洋石油工业的泥沙抽取和造纸工业的纸浆流动过程中存在的液固两相流；在冶金及化工萃取过程中存在的液液两相流等。其中油水两相流的含水率测量一直以来是大家研究的一个目标。目前大多数采用电导测量的方法，从实际情况来看，电导测量的稳定性差，易受各种环境情况影响。

发明内容

本发明所要解决的问题在于，克服现有技术的不足，提供一种基于扫频复阻抗测量的油水两相流含水率计及其测量方法，采用AD5933作为扫频测量部件测量油水两相流的复阻抗，可以更全面的对流体进行测量，提高测量的稳定性，减少对测量环境的依赖。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

依据本发明提供的一种基于扫频复阻抗测量的油水两相流含水率计，包括传感器和控制器，所述的控制器包括壳体内装有的两个结构相同的复阻抗测量模块一、复阻抗测量模块二及处理器模块、键盘、液晶显示器，传感器上分别装有电极A 、电极B 、电极C 、电极D ,电极A连接复阻抗测量模块一的输入，电极B连接复阻抗测量模块一的输出，电极C连接复阻抗测量模块二的输入，电极D连接复阻抗测量模块二的输出；处理器模块的IIC接口一与复阻抗测量模块一相连，处理器模块的IIC接口二与复阻抗测量模块二相连，处理器模块的串口输出及控制接口与计算机相连，处理器模块的输出分别连接键盘和液晶显示器。

一种基于扫频复阻抗测量的油水两相流含水率计的测量方法，它包括以下步骤：

（1）设定复阻抗测量模块一扫频的频率点和、步长和测量周期数；

（2）读取复阻抗测量模块一的测量结果，关闭复阻抗测量模块一输出；

（3）设定复阻抗测量模块二扫频的频率点和、步长和测量周期数；

（4）读取复阻抗测量模块二的测量结果，关闭复阻抗测量模块二输出；

（5）根据两次测量的结果计算流速和相含率；

（6）将结果显示到液晶屏并通过串口输出；

（7）重复步骤1-6。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案进一步实现：

    前述的两个结构相同的复阻抗测量模块一、复阻抗测量模块二中的复阻抗测量模块一包括AD5933 U3、精密电源ADR435 U1、有源晶振U5、电源滤波电容C1、电源滤波电容C2、电源滤波电容C3、电源滤波电容C7、电源滤波电容C9、校准电容Ccal1、反馈电阻R2、传感器接头P1、传感器接头P2和传感器接头P3，供电电源与精密电源ADR435 U1相连，精密电源ADR435 U1的输出与电源滤波电容C1、电源滤波电容C2、电源滤波电容C3并联,然后连接到AD5933 U3的电源端；反馈电阻R2的一端连接传感器接头P3的2号脚，反馈电阻R2的另一端连接U3的4号脚；校准电容Ccal1的一端连接传感器接头P3的1号脚，校准电容Ccal1的另一端连接传感器接头P2的2号脚；有源晶振U5的3号脚输出连接到AD5933 U3的8号脚，电源滤波电容C9的一端连接有源晶振U5的电源4号脚，电源滤波电容C9的另一端连接到电源负极；传感器接头P1、电源滤波电容C7为预留的测试接口，电源滤波电容C7的一端连接到AD5933 U3的5号脚，电源滤波电容C7的另一端连接到AD5933 U3的6号脚；传感器接头P1的1号脚连接到电源，传感器接头P1的2号脚连接到电源负极，传感器接头P1的3号脚连接到AD5933 U3的16号脚，传感器接头P1的4号脚连接到AD5933 U3的15号脚；传感器接头P1与CPU模块相连，传感器接头P2、传感器接头P3分别连接到传感器的电极A、电极B，另一个复阻抗测量模块二的传感器接头P2、传感器接头P3分别连接到传感器的电极C和电极 D。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果：

    由于本发明采用测量复阻抗参数的方法，设计原理上具有先进性和实用性，测量的电参数比传统的电导测量更丰富，体现了流体中传导电流和位移电流的变化（即阻抗和相位角变化），在一定程度上降低了由水矿化度造成的测量误差，采用精密电源作为传感器测量模块供电可以有效的提高测量的精度，计算结果具有较高的灵敏度和精度，精度可达2%。采用集成的复阻抗测量模块减小了传统测量系统采用分立元件设计造成的误差和噪声。利用内置的数字处理器计算复阻抗使测量速度更快。采用复阻抗作为含水率计算的依据比单一的电导测量或是电容测量更能精确地反映含水率。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

    附图说明

    图1为本发明的外部结构示意图；

    图2为本发明的工作原理框图；

    图3为本发明的复阻抗测量模块电路图；

    图4为本发明的显示模块电路图；

    图5为本发明的处理器模块电路图；

    图6为本发明的电源及键盘模块电路图。

    其中：1、电极A，2、电极B，3、电极C,4、电极D,5、传感器，6、控制器，7、键盘，8、液晶显示器，9、壳体。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

如图1～6所示的一种基于复阻抗测量的油水两相流含水率计，包括传感器5和控制器6，所述的控制器包括壳体9和壳体内装有的两个结构相同的复阻抗测量模块一、复阻抗测量模块二及处理器模块、键盘7和液晶显示器8，传感器上分别装有电极A 1、电极B 2、电极C 3、电极D 4,电极A连接复阻抗测量模块一的输入，电极B连接复阻抗测量模块一的输出，电极C连接复阻抗测量模块二的输入，电极D连接复阻抗测量模块二的输出；处理器模块的IIC接口一与复阻抗测量模块一相连，处理器模块的IIC接口二与复阻抗测量模块二相连，处理器模块的串口输出及控制接口与计算机相连，处理器模块的输出分别连接键盘和液晶显示器。

    所述的两个结构相同的复阻抗测量模块一、复阻抗测量模块二中的复阻抗测量模块一包括AD5933 U3、精密电源ADR435 U1、有源晶振U5、电源滤波电容C1、电源滤波电容C2、电源滤波电容C3、电源滤波电容C7、电源滤波电容C9、校准电容Ccal1、反馈电阻R2、传感器接头P1、传感器接头P2和传感器接头P3，供电电源与精密电源ADR435 U1相连，精密电源ADR435 U1的输出与电源滤波电容C1、电源滤波电容C2、电源滤波电容C3并联,然后连接到AD5933 U3的电源端；反馈电阻R2的一端连接传感器接头P3的2号脚，反馈电阻R2的另一端连接U3的4号脚；校准电容Ccal1的一端连接传感器接头P3的1号脚，校准电容Ccal1的另一端连接传感器接头P2的2号脚；有源晶振U5的3号脚输出连接到AD5933 U3的8号脚，电源滤波电容C9的一端连接有源晶振U5的电源4号脚，电源滤波电容C9的另一端连接到电源负极；传感器接头P1、电源滤波电容C7为预留的测试接口，电源滤波电容C7的一端连接到AD5933 U3的5号脚，电源滤波电容C7的另一端连接到AD5933 U3的6号脚；传感器接头P1的1号脚连接到电源，传感器接头P1的2号脚连接到电源负极，传感器接头P1的3号脚连接到AD5933 U3的16号脚，传感器接头P1的4号脚连接到AD5933 U3的15号脚；传感器接头P1与CPU模块相连，传感器接头P2、传感器接头P3分别连接到传感器的电极A、电极B，另一个复阻抗测量模块二的传感器接头P2、传感器接头P3分别连接到传感器的电极C和电极 D。

基于扫频复阻抗测量的油水两相流含水率计的测量方法，它包括以下步

骤：

（1）设定复阻抗测量模块一扫频的频率点和、步长和测量周期数；

（2）读取复阻抗测量模块一的测量结果，关闭复阻抗测量模块一输出；

（3）设定复阻抗测量模块二扫频的频率点和、步长和测量周期数；

（4）读取复阻抗测量模块二的测量结果，关闭复阻抗测量模块二输出；

（5）根据两次测量的结果计算流速和相含率；

（6）将结果显示到液晶屏并通过串口输出；

（7）重复步骤1-6。

工作原理：

  本发明的含水率计启动时先将测量频率点等数据写入AD5933，然后AD5933会按顺序产生相应的正弦激励信号，正弦激励信号加在激励电极上。接收电极B距激励电极A距离为20mm。AD5933根据接收到的信号与发射的信号进行计算获得当前流体的复阻抗。每2ms完成一次测量。处理器模块内部保存500个数据点， 数据的处理结果与处理器模块内部保存的已处理数据进行比对计算出当前的含水率并加以显示，测量数据可以实时的通过串口发送到计算机。

  本发明的含水率计以极快的切换频率分时测量两组电极数据，电极C与电极D间距30mm。通过直接相关算法可计算出流速。图2中电极A、电极B为一组电极 ，电极C、电极D为一组电极。

本发明采用两片1MSPS、12位网络分析仪芯片AD5933，AD5933用以实现复阻抗测量，处理器模块采用stm32f103vbt6处理器，stm32f103vbt6处理器通过IIC接口读取AD5933中测量的数据，并根据实验室已经做过的数据表折算出当前管道中的实时油水比例。采用AD5933扫频测量复阻抗信息， 在20k 、50k、80k三个频率点测量出三组数据。在实验室中使用能够精确定量的蠕动泵产生指定含水率的两相流，两相流的管道为有机玻璃管，其外径30mm，内径20mm；数据表中包含含水率70%-98%的复阻抗测量数据及波动特征，此数据表保存在stm32f103vbt6处理器中，在实际的测量中，根据实际测量的复阻抗数据和波动特征与此表的比对来计算出当前的实际含水率。

Claims (3)

1.一种基于扫频复阻抗测量的油水两相流含水率计，包括传感器和控制器，其特征在于：所述的控制器包括壳体内装有的两个结构相同的复阻抗测量模块一、复阻抗测量模块二及处理器模块、键盘、液晶显示器，传感器上分别装有电极A 、电极B 、电极C 、电极D ,电极A连接复阻抗测量模块一的输入，电极B连接复阻抗测量模块一的输出，电极C连接复阻抗测量模块二的输入，电极D连接复阻抗测量模块二的输出；处理器模块的IIC接口一与复阻抗测量模块一相连，处理器模块的IIC接口二与复阻抗测量模块二相连，处理器模块的串口输出及控制接口与计算机相连，处理器模块的输出分别连接键盘和液晶显示器。

2.根据权利要求1所述的基于扫频复阻抗测量的油水两相流含水率计，其特征在于：所述的两个结构相同的复阻抗测量模块一、复阻抗测量模块二中的复阻抗测量模块一包括AD5933 U3、精密电源ADR435 U1、有源晶振U5、电源滤波电容C1、电源滤波电容C2、电源滤波电容C3、电源滤波电容C7、电源滤波电容C9、校准电容Ccal1、反馈电阻R2、传感器接头P1、传感器接头P2和传感器接头P3，供电电源与精密电源ADR435 U1相连，精密电源ADR435 U1的输出与电源滤波电容C1、电源滤波电容C2、电源滤波电容C3并联,然后连接到AD5933 U3的电源端；反馈电阻R2的一端连接传感器接头P3的2号脚，反馈电阻R2的另一端连接U3的4号脚；校准电容Ccal1的一端连接传感器接头P3的1号脚，校准电容Ccal1的另一端连接传感器接头P2的2号脚；有源晶振U5的3号脚输出连接到AD5933 U3的8号脚，电源滤波电容C9的一端连接有源晶振U5的电源4号脚，电源滤波电容C9的另一端连接到电源负极；传感器接头P1、电源滤波电容C7为预留的测试接口，电源滤波电容C7的一端连接到AD5933 U3的5号脚，电源滤波电容C7的另一端连接到AD5933 U3的6号脚；传感器接头P1的1号脚连接到电源，传感器接头P1的2号脚连接到电源负极，传感器接头P1的3号脚连接到AD5933 U3的16号脚，传感器接头P1的4号脚连接到AD5933 U3的15号脚；传感器接头P1与CPU模块相连，传感器接头P2、传感器接头P3分别连接到传感器的电极A、电极B，另一个复阻抗测量模块二的传感器接头P2、传感器接头P3分别连接到传感器的电极C和电极 D。

3.一种用于权利要求1所述的基于扫频复阻抗测量的油水两相流含水率计的测量方法，其特征在于：它包括以下步骤：

（1）设定复阻抗测量模块一扫频的频率点和、步长和测量周期数；

（2）读取复阻抗测量模块一的测量结果，关闭复阻抗测量模块一输出；

（3）设定复阻抗测量模块二扫频的频率点和、步长和测量周期数；

（4）读取复阻抗测量模块二的测量结果，关闭复阻抗测量模块二输出；

（5）根据两次测量的结果计算流速和相含率；

（6）将结果显示到液晶屏并通过串口输出；

（7）重复步骤1-6。