CN105301365A - 非接触式流体电阻抗测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式流体电阻抗测量装置及方法。传感器由金属屏蔽罩、激励电极、检测电极和绝缘管道组成。交流激励源通过激励电极提供正弦激励信号并且同时为相敏解调模块提供同相参考信号和正交参考信号。激励电极与检测电极外部安装一个金属屏蔽罩。利用电感模块产生的感抗消除电极与导电流体通过绝缘管道形成耦合电容容抗的影响，使检测电路的总阻抗等于管道内流体的等效阻抗，然后利用相敏解调方法分别获取流体电阻抗的实部信息和虚部信息。本发明为非接触流体电阻抗测量提供了一种可行途径，能够同时获得流体电阻抗信号中的实部与虚部信息，同时具有传感器结构简单、安装方便、非侵入、避免电化学腐蚀、对管道内流体流动无影响等优点。

Description

非接触式流体电阻抗测量装置及方法

技术领域

本发明涉及流体电阻抗测量技术，尤其涉及一种非接触式流体电阻抗测量装置及方法。

背景技术

流体在工业生产以及日常生活中广泛存在，如冶金、化工工程、生物医药、环境保护和污水处理等，对流体各特性参数的测量具有重要意义。电阻抗是电路中电阻、电感、电容对交流电的阻碍作用的统称，用来衡量交流电在电路中流动时所受到的阻碍作用的大小，通过对电阻抗的测量，不仅可以了解流体的导电能力，还可以得到流体的其他特性参数，如单相导电流体的浓度、组分、化学反应速率以及多相流体的相含率等。由于电阻抗测量系统具有结构简单、成本低、实时性好和便于工业实际应用等优势，基于电阻抗信号的流体参数测量已经成为表征流体特性的重要手段。

遗憾的是，由于技术发展水平限制，现有的流体电阻抗测量方法还存在一些缺陷。一方面，其测量原理是基于接触式电阻抗测量，相应传感器的测量电极与被测流体直接接触，易发生电极极化与电化学腐蚀等问题。另一方面，现有的电阻抗测量技术是以获取流体等效电导为目的，即仅获取流体电阻抗信号中的实部信号，而没有充分利用其虚部信号。电阻抗虚部信号的缺失，将导致流体提取特征的不完整。相应传感器或者系统测量性能受到制约。

本发明针对现有的流体电阻抗测量的现状，提出了一种非接触式流体电阻抗测量装置及方法。在管道内为单相导电流体的情况下获得电感模块产生的感抗与耦合电容产生的容抗相互抵消时的频率。设置此频率为激励频率，则电路总阻抗即为管道内导电流体的等效阻抗，即可利用相敏解调的方法获取流体的电阻抗信息(包括电阻抗实部信息和电阻抗虚部信息)。既避免了传统接触式电阻抗测量存在的电极玷污、电化学腐蚀等问题，又获得了流体电阻抗的实部信息与虚部信息，使反应流体流动特征的信息更加充分、完备。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单且可行的非接触流体电阻抗测量装置和方法。具体技术方案如下：

一种非接触式流体电阻抗测量装置，包括交流激励源、电阻抗测量传感器、电感模块、相敏解调模块、数据采集模块、计算机；交流激励源与电感模块的一端相连接，电感模块的另一端与电阻抗测量传感器的激励信号输入端相连，电阻抗测量传感器的检测信号输出端与相敏解调模块的一端相连，相敏解调模块、数据采集模块、计算机顺次相连。

作为所述的电阻抗测量传感器的一种优选结构，具体组成及连接方式如下：

电阻抗测量传感器由金属屏蔽罩、激励电极、检测电极和绝缘管道组成，两电极片尺寸相同，为径向凹形电极，于绝缘管道外壁呈对称分布，激励电极由穿过金属屏蔽罩的导线引出激励信号输入端与电感模块相连，检测电极由穿过金属屏蔽罩的导线引出检测信号输出端并与相敏解调模块相连，金属屏蔽罩接地。

作为所述的电阻抗测量传感器的另一种优选结构，具体组成及连接方式如下：

电阻抗测量传感器由金属屏蔽罩、激励电极、检测电极和绝缘管道组成，激励电极和检测电极为尺寸相同的环形金属电极片，沿流体流动方向贴于绝缘管道外壁；激励电极由穿过金属屏蔽罩的导线引出激励信号输入端与电感模块相连，检测电极由穿过金属屏蔽罩的导线引出检测信号输出端与相敏解调模块相连，金属屏蔽罩接地。

本发明还提供一种使用如所述装置的流体电阻抗测量方法，具体步骤如下：

1)对于绝缘管道内的导电流体，施加交流激励信号，该状态下激励电极与绝缘管道内的导电流体通过管壁形成耦合电容C_x1，绝缘管道内两个电极间的导电流体等效成电阻抗Z₀，检测电极与绝缘管道内的导电流体通过管壁形成耦合电容C_x2，使三者构成串联交流测量通路；

2)以导电流体的等效电阻抗Z₀为待检测的值，耦合电容C_x1和C_x2为干扰测量的背景信号，若调节激励信号的频率使电感模块产生的感抗抵消耦合电容产生的容抗，则可以实现对流体电阻抗的测量Z₀。因此由检测电路的等效阻抗Z的计算公式推导得到能够实现电感模块产生的感抗与耦合电容产生的容抗相互抵消的激励频率f₀的公式为此条件下，检测电路的等效阻抗即为绝缘管道内导电流体的等效阻抗，即Z＝Z₀；

3)设置激励信号的频率为f₀，相敏解调模块通过检测电极获得包含流体电阻抗信息的电流i₀，经过电流电压转换、放大、滤波处理后，利用交流激励源提供的同相参考信号和正交参考信号进行相敏解调，即可得到两组分别反映流体电阻抗实部和虚部的输出电压信号，再换算得到流体电阻抗，具体换算方法参见申请人前期申请号为201310007288.0的专利。

本发明与现有技术相比具有有益效果：

1)传感器电极结构简单，分布紧凑，不与流体直接接触，避免了电极玷污、电化学腐蚀与电化学极化等问题；

2)金属屏蔽罩放置于激励电极与检测电极周围，用于屏蔽外部电磁干扰，可有效提高装置稳定性和分辨率；

3)利用电感模块产生的感抗消除作为背景信号的耦合电容对流体电阻抗测量的影响，提高了传感器测量的信噪比，增加了可应用的管径尺寸范围；

4)使用相敏解调方法进行电阻抗测量，可同时获取包含流体流动特性的完整电阻抗信息(电阻抗实部信息和电阻抗虚部信息)。

附图说明

图1是一种非接触式流体电阻抗测量装置的结构示意图；

图2是电阻抗测量传感器的第一种结构；

图3是电阻抗测量传感器的第二种结构；

图4是传感器等效电路模型示意图；

图5是本发明电阻抗检测装置等效电路图。

图中：交流激励源1，金属屏蔽罩2，激励电极3，检测电极4，绝缘管道5，电感模块6，相敏解调模块7，数据采集模块8，计算机9，电阻抗测量传感器10。

具体实施方式

如图1所示，一种非接触式流体电阻抗测量装置，包括交流激励源1、电阻抗测量传感器10、电感模块6、相敏解调模块7、数据采集模块8、计算机9；交流激励源1与电感模块6的一端相连接，电感模块6的另一端与电阻抗测量传感器10的激励信号输入端相连，电阻抗测量传感器10的检测信号输出端与相敏解调模块7的一端相连，相敏解调模块7、数据采集模块8、计算机9顺次相连。

如图2所示，作为所述的电阻抗测量传感器10的一种优选结构，具体组成及连接方式如下：

电阻抗测量传感器10由金属屏蔽罩2、激励电极3、检测电极4和绝缘管道5组成，两电极片尺寸相同，为径向凹形电极，于绝缘管道5外壁呈对称分布，激励电极3由穿过金属屏蔽罩2的导线引出激励信号输入端与电感模块6相连，检测电极4由穿过金属屏蔽罩2的导线引出检测信号输出端并与相敏解调模块7相连，金属屏蔽罩2接地。

如图3所示，作为所述的电阻抗测量传感器10的另一种优选结构，具体组成及连接方式如下：

电阻抗测量传感器10由金属屏蔽罩2、激励电极3、检测电极4和绝缘管道5组成，激励电极3和检测电极4为尺寸相同的环形金属电极片，沿流体流动方向贴于绝缘管道5外壁，且激励电极3和检测电极4之间距离大于激励电极3宽度；激励电极3由穿过金属屏蔽罩2的导线引出激励信号输入端与电感模块6相连，检测电极4由穿过金属屏蔽罩2的导线引出检测信号输出端与相敏解调模块7相连，金属屏蔽罩2接地。

利用该装置和方法测量流体电阻抗的流程为：在管道内为单相导电流体的情况下获得交流激励源1输出交流电压信号的频率，交流电压信号通过电感模块6加在激励电极3上，在检测电极4得到的电流信号由相敏解调模块7进行处理，通过数据采集模块8将输出的电压信号传输到计算机9上并显示。

如图4所示，当绝缘管道内为导电流体时，在交流激励信号作用下，传感器等效电路模型为，激励电极与绝缘管道内的导电流体通过管壁形成耦合电容C_x1，绝缘管道内两个电极间的导电流体可以等效成电阻抗Z₀，检测电极与绝缘管道内的导电流体通过的管壁形成耦合电容C_x2，三者构成串联交流测量通路。

如图5所示，流体电阻抗测量装置的电阻抗检测等效电路为：交流激励源1的一端与电感L的一端相连，电感L的另一端与激励电极3和绝缘管道5内的导电流体所形成的第一耦合电容C_x1的一端相连，第一耦合电容C_x1的另一端与激励电极3和检测电极4之间的导电流体的等效电阻抗Z₀的一端连接，等效电阻抗Z₀的另一端与检测电极4和绝缘管道5内的导电流体所形成的第二耦合电容C_x2的一端连接，第二耦合电容C_x2的另一端将反映流体等效电阻抗的电流信号输出到相敏解调模块。

流体电阻抗测量方法的步骤如下：

1)对于绝缘管道内的导电流体，其检测电路的等效阻抗为其中，f为交流激励源的激励电压u_i的频率，Z₀为激励电极和检测电极之间的导电流体的等效电阻抗，L为电感模块的电感值，C_x1为激励电极和管道中导电流体经过绝缘管道所形成的耦合电容，C_x2为检测电极和管道中导电流体所形成的耦合电容。其中导电流体的等效电阻抗为待检测的值，耦合电容C_x1和C_x2为干扰测量的背景信号，当激励信号的频率为电感模块产生的感抗与耦合电容产生的容抗相互抵消，检测电路的等效阻抗即为绝缘管道内导电流体的等效阻抗，Z＝Z₀；

2)已有研究表明，在绝缘管道内充满单相导电流体且激励频率较低(小于1MHz)的情况下，两电极间流体等效电阻抗的容性成分作用可以忽略，即电阻抗可等效为一电阻。因此，在实际测量时，将管道内充满单相导电流体，调节激励信号的频率检测电路处于谐振状态，即可得到满足电感模块产生的感抗与耦合电容产生的容抗相互抵消时激励信号的频率f₀，

3)当管道内为其他流体，例如气液两相流，设置激励信号的频率为f₀，此时导电流体的等效阻抗为检测电路的总阻抗。之后，相敏解调模块通过检测电极获得包含流体电阻抗信息的电流i₀，经过电流电压转换等一系列处理后利用交流激励源提供的同相参考信号和正交参考信号进行相敏解调，即可得到两组分别反映流体电阻抗实部和虚部的输出电压信号。

Claims (4)

1.一种非接触式流体电阻抗测量装置，其特征在于包括交流激励源(1)、电阻抗测量传感器(10)、电感模块(6)、相敏解调模块(7)、数据采集模块(8)、计算机(9)；交流激励源(1)与电感模块(6)的一端相连接，电感模块(6)的另一端与电阻抗测量传感器(10)的激励信号输入端相连，电阻抗测量传感器(10)的检测信号输出端与相敏解调模块(7)的一端相连，相敏解调模块(7)、数据采集模块(8)、计算机(9)顺次相连。

2.根据权利要求1所述的非接触式流体电阻抗测量装置，其特征在于所述的电阻抗测量传感器(10)的结构为：

电阻抗测量传感器(10)由金属屏蔽罩(2)、激励电极(3)、检测电极(4)和绝缘管道(5)组成，两电极片尺寸相同，为径向凹形电极，于绝缘管道(5)外壁呈对称分布，激励电极(3)由穿过金属屏蔽罩(2)的导线引出激励信号输入端与电感模块(6)相连，检测电极(4)由穿过金属屏蔽罩(2)的导线引出检测信号输出端并与相敏解调模块(7)相连，金属屏蔽罩(2)接地。

3.根据权利要求1所述的非接触式流体电阻抗测量装置，其特征在于所述的电阻抗测量传感器(10)的结构为：

电阻抗测量传感器(10)由金属屏蔽罩(2)、激励电极(3)、检测电极(4)和绝缘管道(5)组成，激励电极(3)和检测电极(4)为尺寸相同的环形金属电极片，沿流体流动方向贴于绝缘管道(5)外壁；激励电极(3)由穿过金属屏蔽罩(2)的导线引出激励信号输入端与电感模块(6)相连，检测电极(4)由穿过金属屏蔽罩(2)的导线引出检测信号输出端与相敏解调模块(7)相连，金属屏蔽罩(2)接地。

4.一种使用如权利要求1所述装置的流体电阻抗测量方法，其特征在于具体步骤如下：

1)对于绝缘管道(5)内的导电流体，施加交流激励信号，该状态下激励电极(3)与绝缘管道(5)内的导电流体通过管壁形成耦合电容C_x1，绝缘管道(5)内两个电极间的导电流体等效成电阻抗Z₀，检测电极(4)与绝缘管道(5)内的导电流体通过管壁形成耦合电容C_x2，使三者构成串联交流测量通路；

2)以导电流体的等效电阻抗Z₀为待检测的值，耦合电容C_x1和C_x2为干扰测量的背景信号，由检测电路的等效阻抗Z的计算公式推导得到能够实现电感模块产生的感抗与耦合电容产生的容抗相互抵消的激励频率为此条件下，检测电路的等效阻抗即为绝缘管道(5)内导电流体的等效阻抗，即Z＝Z₀；

3)设置激励信号的频率为f₀，相敏解调模块(7)通过检测电极(4)获得包含流体电阻抗信息的电流i₀，经过电流电压转换、放大、滤波处理后，利用交流激励源(1)提供的同相参考信号和正交参考信号进行相敏解调，即可得到两组分别反映流体电阻抗实部和虚部的输出电压信号，再换算得到流体电阻抗。