CN105021658A - 基于ni数据采集卡的两相流网格传感器测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于NI数据采集卡的两相流网格传感器测量方法，所采用的测量装置包括置于待测量管路内的电导式网格传感器，多路模拟开关、调理电路、NI数据采集卡、单片机、上位机，该电导式网格传感器包括两层分别位于两个相互平行的平面上的不锈钢金属导线，层内的金属导线相互平行且等间距排布，层间的金属导线相互垂直，构成网格结构，激励电极依次轮流接地，使得NI数据采集卡工作在外部触发模式下，采集得到各个电压信号分别反映相应的交错点处的流体信息。本发明具有测量灵敏度高的优点。

Description

基于NI数据采集卡的两相流网格传感器测量方法

所属技术领域

本发明涉及一种基于NI数据采集卡的两相流网格传感器测量方法

背景技术

两相流现象广泛地存在于石油工程、化学工程、冶金工程、核工程、航空与航天工程等传统工业和新兴工业领域中。气液两相流是指气相与液相不相容物质的混合流动体系。由于气液两相流中各成份之间存在着密度、粘度等物理性质上的差异，在流量、压力、重力及管路形状等诸多因素的影响下，导致气液两相流流动状态实时监测较为困难。

随着计算机技术的不断发展，过程层析成像技术已在两相流流动状态动态监测方面取得较大进展，但是常见的ERT、ECT测量硬件系统及其成像算法都较为复杂。1987年，出现与过程层析成像技术明显不同的两相流Wire-Mesh(以下简称网格传感器)传感系统(Johnson ID.Method and apparatus for measuringwater in crude Oil.United States Patent,No 4,644,263,17February,1987)，利用插入管道内的双层平行电极构成网格传感器，可对管道内两相流流动状态实时成像、动态监测，然而，Wire-Mesh硬件系统中的数据采集速度、精度直接制约管内流体的成像质量。目前，National Instruments(NI)公司的数据采集卡已被广泛地应用于各种工业生产过程，其在数据采集过程表现出明显优势，同时，与之配套的上位机软件LabView可实现采集数据的实时显示和处理。据此可见，基于NI数据采集卡的两相流网格传感器测量系统设计在提高传感器成像速度和精度方面潜力明显。

本发明提出一种基于NI数据采集卡的两相流网格传感器测量系统设计方法。下位机以AVR单片机ATmega16为核心，实现网格传感器的循环激励控制、信号调理、NI数据采集卡外部触发采集控制；NI数据采集卡在单片机控制下，按预定时序对8路电压信号同时采集；上位机以LabView软件为核心，实现采集数据的实时显示及管内流体的实时成像。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于NI数据采集卡的两相流网格传感器测量方法。本发明通过单片机控制NI数据采集卡的工作过程，可充分发挥NI数据采集卡在数据采集方面的优势，同时利用上位机实现管道内流体的实时准确成像。本发明的技术方案如下：

一种基于NI数据采集卡的两相流网格传感器测量方法，所采用的测量装置包括置于待测量管路内的电导式网格传感器，多路模拟开关、调理电路、NI数据采集卡、单片机、上位机，其特征在于，

该电导式网格传感器包括两层分别位于两个相互平行的平面上的不锈钢金属导线，层内的金属导线相互平行且等间距排布，层间的金属导线相互垂直，构成网格结构，从而在三维空间内形成多个交错点，即流体的待测位置；第一层金属导线通过多路模拟开关与单片机相连，为激励电极；第二层金属导线通过调理电路与NI数据采集卡连接，为测量电极，当管道内存在导电和不导电两种流动介质时，管道内流体流动结构动态监测过程，分以下步骤进行：

第一步：在单片机控制下，激励电极依次轮流接地，使得NI数据采集卡工作在外部触发模式下，

第二步：单片机控制某个激励电极与地断开，后与+5V激励信号连接，当其与+5V激励信号连接后，触发NI数据采集卡工作，各个测量电极上电压信号被采集卡同时采集，采集得到各个电压信号分别反映相应的交错点处的流体信息，当交错点处流体导电时，采集电压较高；当交错点处流体不导电时，采集电压较低。

第三步：上述数据采集过程完成后，该电极与+5V激励信号断开，并接地。

第四步：单片机控制下一个激励电极与地断开，重复步骤二和三，直至得到反映各个交错点处流体信息的各个电压信号。

第五步：上位机根据各个交错点的流体信息，绘制管道内流体图像。

其中，所采用的NI数据采集卡为PXI4472；上位机以LabView软件为核心，实现采集数据的实时显示及管内流体的实时成像。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)本发明中涉及的网格传感器采用上下两层平行金属导线构成，可与流体直接接触，对上下两层金属导线交错点处流体的测量灵敏度高。

(2)下位机以AVR单片机ATmega16为核心，实现网格传感器的激励电极的循环激励控制，控制时序清晰，控制过程快捷有效。

(3)NI数据采集卡工作在外部触发模式下时，可受单片机下位机ATmega16控制，完成N采样(N为每次触发后预设的各通道采样点数)，数采迅速用时短，数据准确有效。

(4)与NI数据采集卡配套的LabView软件，可对N采样数据实时显示，迅速实现管内被测量流体的成像过程。

附图说明

图1是电导式网格传感器的结构示意图：(a)安装在管道上的电导式网格传感器的正视图；(b)安装在管道上的电导式网格传感器的侧视图。

图2是基于NI数据采集卡的两相流网格传感器测量系统框图。

图3是8个激励电极按编号顺序(从A到H的顺序)轮流接地的单片机控制时序图。

图4是激励电极A完成一次激励操作的控制时序，包括A电极与地断开、A电极接+5V、A电极与+5V断开、A电极接地四步操作。

图5是管道内充满静止纯水时，电导网格传感器64个交错点位置的测量电压平均值。

图6是管道内充满静止纯水时，电导网格传感器64个交错点位置的测量电压平均值的分布图。

图7垂直上升气液两相流段塞流情况下，某时刻上位机所示的流体成像结果。

图中标号说明：

1 圆形的有机玻璃管道；

2 构成网格传感器的金属电极；

3 8个激励电极，按顺序用A到H大写英文字母表示；

4 8个测量电极，按顺序用a到h小写英文字母表示。

5 单片机PC7引脚输出的高电平脉冲，此脉冲作为NI数据采集卡的信号采集外部触发信号。

6 垂直上升气液两相流段塞流中的气塞(即由空气构成的塞状结构，不导电)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

(1)设计一个电导式网格传感器，其结构如图1所示。该电导式网格传感器有两层不锈钢金属导线组成(2)：第一层金属导线数目为8，分别用A，B，C，D，E，F，G和H八个大写英文字母表示(3)，这八个金属导线平行且等间距排布，为激励电极；第二层金属导线数目为8，分别用a，b，c，d，e，f，g和h八个小写英文字母表示(4)，这八个金属导线也平行且等间距排布，为测量电极；两层金属导线相互垂直，插入有机玻璃管道(1)内部，构成图1(b)所示的网格结构；两层金属电极在三维空间内形成64个交错点(实际上两层电极并不相交，这里的交错点指图1(b)中所示的64个空间位置，即流体的待测位置)。

两层金属导线均由不锈钢材料制成，金属导线直径为0.5mm，每层金属导线中任意两根导线的中心距均为2.2mm,两层金属导线的距离为1mm，圆形有机玻璃管道内径为20mm，外径为30mm。

(2)第一层金属导线与模拟开关芯片的相关引脚连接，为激励电极；第二层电极与调理电路及NI数据采集卡连接，为测量电极，如图2所示。当管道内存在导电和不导电两种流动介质时，管道内流体流动结构动态监测过程，分以下七个步骤进行：

第一步：在AVR单片机ATmega16控制下，激励电极按英文字母顺序从A到H轮流接地。

第二步：单片机控制激励电极A与地断开，后与+5V激励信号连接(见图2)，当其与+5V激励信号连接后，单片机PC7引脚输出高电平脉冲信号，触发NI数据采集卡工作(要求采集卡具有外部重触发功能，此实施实例选用数据采集卡型号为PXI4472)，八个测量电极a，b，c，d，e，f，g，h上的电压信号被采集卡同时采集，采集得到的八个电压信号分别反映八个金属导线交错点处的流体信息，当交错点处流体导电时，采集电压较高；当交错点处流体不导电时，采集电压较低。

第三步：上述数据采集过程完成后，激励电极A与+5V激励信号断开，并接地。

第四步：单片机控制下一个激励电极(激励电极B)与地断开，后与+5V激励信号连接，PC7引脚再次输出高电平脉冲信号，触发NI数据采集卡工作，得到另外八个电极交错位置的电压信号。

第五步：按大写英文字母顺序，重复第四步操作，直至激励电极H与+5V激励信号连接，并且采集得到八个测量电极信号为止。

第六步：上位机LabView软件此时得到8×8＝64个交错点的流体信息，即可绘制管道内流体图像。

第七步：不断重复第二步到第六步操作，上位机软件可实时绘制管道内流体流动图像，达到动态监测目的。

(3)(2)中涉及的第一步操作的实现过程由图3所示单片机控制时序完成，PD7，PC1，PC0，PC6表示单片机引脚，分别与多路模拟开关芯片MT8816的RESET，ST，CS及DATA引脚连接，单片机引脚PA0-7分别与多路模拟开关芯片的AX0，AX1，AX2，AX3，AY0，AY1，AY2引脚连接。单片机通过PA口向多路模拟开关芯片写入开关地址。

(4)(2)中涉及的第二步和第三步操作的实现过程由图4所示单片机控制时序完成，包括A电极与地断开、A电极接+5V、A电极与+5V断开、A电极接地四个操作。其中，当A电极接+5V操作完成后，单片机PC7引脚输出高电平脉冲信号，此信号作为NI数据采集卡的信号采集外部触发信号。

(5)利用(2)中涉及的七个步骤实施，可测得静态纯水状态下，网格传感器64个交错点位置的平均电压信号(为N采样数据点的平均值)，如图5所示。其中，管道内的空间位置与测量电压平均值用数字编号一一对应；N采样的采样点数为5(即N＝5),采样频率为20K。

(6)当管道内充满静止纯水时，电导网格传感器64个交错点位置的测量电压不相同，如图6所示，每个交错点处的电压可记为其中i＝A,B,C,D,E,F,G,H，j＝a,b,c,d,e,f,g,h。

在垂直管道内同时注入空气和自来水，空气和自来水在管道内垂直向上流动。当空气体积流量为1.5方/天、自来水体积流量为1.6方/天时，管道内气水两相流呈段塞流动状态，即气相以塞状出现在管道内，与自来水一起向上运动。

利用本发明涉及的基于NI数据采集卡的两相流网格传感器测量系统，采集得到某时刻管道内64个不同位置的平均电压值，记为利用下式可得到管道内的空气和自来水的浓度分布α_ij(如图7所示)：

${\mathrm{\α}}_{ij}=\frac{V_{ij}^w-V_{ij}^{w-g}}{V_{ij}^w}---\left(1\right)$

可见，当管道内充满纯水时，α_ij＝0；当管道内某处存在不导电空气时，则α_ij＝1。

Claims (3)

1.一种基于NI数据采集卡的两相流网格传感器测量方法，所采用的测量装置包括置于待测量管路内的电导式网格传感器，多路模拟开关、调理电路、NI数据采集卡、单片机、上位机，其特征在于，

该电导式网格传感器包括两层分别位于两个相互平行的平面上的不锈钢金属导线，层内的金属导线相互平行且等间距排布，层间的金属导线相互垂直，构成网格结构，从而在三维空间内形成多个交错点，即流体的待测位置；第一层金属导线通过多路模拟开关与单片机相连，为激励电极；第二层金属导线通过调理电路与NI数据采集卡连接，为测量电极，当管道内存在导电和不导电两种流动介质时，管道内流体流动结构动态监测过程，分以下步骤进行：

第一步：在单片机控制下，激励电极依次轮流接地，使得NI数据采集卡工作在外部触发模式下，

第二步：单片机控制某个激励电极与地断开，后与+5V激励信号连接，当其与+5V激励信号连接后，触发NI数据采集卡工作，各个测量电极上电压信号被采集卡同时采集，采集得到各个电压信号分别反映相应的交错点处的流体信息，当交错点处流体导电时，采集电压较高；当交错点处流体不导电时，采集电压较低；

第三步：上述数据采集过程完成后，该电极与+5V激励信号断开，并接地；

第四步：单片机控制下一个激励电极与地断开，重复步骤二和三，直至得到反映各个交错点处流体信息的各个电压信号；

第五步：上位机根据各个交错点的流体信息，绘制管道内流体图像。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所采用的NI数据采集卡为PXI4472。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，上位机以LabView软件为核心，实现采集数据的实时显示及管内流体的实时成像。