CN106053544B - 感应式工业型管道内复电导率在线检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种感应式工业型管道内复电导率在线检测装置和方法。它包括正弦交流激励源、复电导率测量传感器、信号处理模块、数据采集模块以及计算机，复电导率测量传感器通过法兰与工业管道对接。本发明不用激励检测电极，而是采用电磁感应的方法，避免了激励检测系统与管壁及管道内流体的直接接触；复电导率测量传感器通过短路线短接方式，使得测量对象限定于复电导率测量传感器绝缘管段内；采用数字相敏解调技术实现数字滤波并能够方便地在线同时求得流体复电导率的模及辐角。本发明具有测量精度高、测量范围大、应用范围广、模型简单、非接触等优点，为复杂的工业现场管道内流体复电导率在线测量提供了一种借鉴方法。

Description

感应式工业型管道内复电导率在线检测装置和方法
技术领域
本发明涉及流体电导率测量技术，尤其涉及一种感应式工业型管道内流体复电导率在线检测装置和方法。
背景技术
在石油勘探、冶金、化工工程、生物医药、环境保护、食品加工和污水处理等领域的开发和生产过程中，对流体各特性参数的测量具有重要意义，其中电导率的在线测量对分析管道内流体特性参数有着重要的作用。
现有的流体电导率测量方法在实际应用中还有诸多局限性：
一方面，传统的电导率测量多为接触式或浸入式测量，而工业管道常常有高温、振动、易发生电化学腐蚀的特点，传感器接触管壁或浸入流体，一方面会导致传感器或管壁容易损坏，另一方面传感器侵入液体会扰动液体的流动，而且传感器容易被液体污染或腐蚀，使得测量误差变大。
另一方面，现有的一些非接触在线电导率测量技术常常受限于管道的绝缘性及其整个管路的接地情况，而工业管道往往比较复杂，存在着材料、结构、以及接地等情况的多样性和不确定性，使得测量对象及其模型比较模糊，加上复杂的现场环境，使得当前的非接触电导率仪器在实际的工业应用中还难以实现。
此外，为了便于测量，传统流体的电导率测量方法一般将待测流体视为纯阻性成分，而流体尤其是多相流实际上是呈现复阻抗特性或是复电导率特性，同时，传感器本身在测量时也会使信号发生一定的相移，如果要求获得准确完整的流体电学信息，则需同时对激励信号和检测信号波形的幅值和相位进行比较，进而可通过数学模型求得流体复电导率的模及辐角。
随着测量技术的发展，电导率测量方式由接触式逐渐向非接触式转变，测量的手段逐渐多样化，复电导率测量已经成为检测介质特性的重要手段。随着新型高导磁材料的不断出现与成熟，使得感应式电导率测量技术也有了更广泛的应用前景，为工业管道内电导率法非接触在线检测提供了一种新方法。
本发明针对现有的流体电导率测量技术的现状，设计了一种感应式工业型管道内复电导率在线测量装置。
一方面，针对工业现场管道常有高温、振动、易发生电化学腐蚀、电磁干扰等特点，本发明不用激励检测电极，而是采用电磁感应的方法，避免了激励检测系统与管壁及管道内流体的直接接触，同时，复电导率测量传感器外部安装一个金属屏蔽罩，用于屏蔽外部电磁干扰。
另一方面，针对工业管道管路复杂，绝缘性及接地性不确定的特点，复电导率测量传感器通过法兰与工业管道对接，通过短路线短接方式，使得测量对象限定于复电导率测量传感器绝缘管段内，从而使测量对象更加明确，测量模型更为简化。
此外，针对流体尤其是多相流存在的复阻抗特性以及传感器测量过程中产生的相移，本发明利用数字相敏解调技术可同时计算包含有流体复电导率信息的信号幅值和相位，进而通过模型推算管道内流体复电导率的模及辐角，能够方便的得到流体完整复电导率信息；数字相敏解调技术同时作为一种数字滤波技术，较模拟滤波法更适用于复杂环境的微弱信号检测。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种感应式工业型管道内复电导率在线检测装置和方法。
本发明的技术方案如下：
一种感应式工业型管道内复电导率在线检测装置包括正弦交流激励源、复电导率测量传感器、信号处理模块、数据采集模块、计算机；所述的复电导率测量传感器包括：第一金属管段、第二金属管段、绝缘管段、环形变压器和环形电流互感器，复电导率测量传感器通过第一金属管段的第一法兰与第一待测管道的法兰连接，复电导率测量传感器通过第二金属管段的第二法兰与第二待测管道的法兰连接，绝缘管段安装在第一金属管段和第二金属管段之间，所述的复电导率测量传感器的环形变压器和环形电流互感器结构组成相同，由高磁导率的环形磁芯及绕在磁芯上的线圈构成，环形变压器和环形电流互感器沿轴向分布完全悬空地套在绝缘管段上；正弦交流激励源与复电导率测量传感器的环形变压器检测信号输入端相连，复电导率测量传感器的环形电流互感器检测信号输出端与信号处理模块的一端相连，信号处理模块、数据采集模块、计算机顺次相连，第一金属管段和第二金属管段之间短接，各法兰连接处做密封处理。
优选的，所述的绝缘管段通过法兰与第一金属管段、第二金属管段连接，其中绝缘管段的第一法兰与第一金属管段的第二法兰连接，绝缘管段的第二法兰与第二金属管段的第一法兰连接，各法兰连接处做密封处理。
优选的，所述的第一金属管段和第二金属管段通过短路线短接，绝缘管段内流体、第一金属管段、短路线、第二金属管段构成交流测量通路。
进一步的，所述的环形变压器和环形电流互感器通过定位支架固定位置，沿轴向分布完全悬空地套在绝缘管段上。
根据本发明的一个实施例，所述的检测装置还包括金属屏蔽罩，定位支架固定在金属屏蔽罩的内部，金属屏蔽罩由屏蔽罩支架固定并接地，金属屏蔽罩有一对相对的通孔，复电导率测量传感器的第一金属管段、第二金属管段分别穿过两个通孔，两个通孔孔径均大于金属管段外径，通过调整定位支架及屏蔽罩支架使得激励检测系统完全不接触待测管道。
进一步的，所述的第一金属管段、第二金属管段分别通过第一导线、第二导线连接在金属屏蔽罩上，通过金属屏蔽罩短接。
所述的绝缘管端两端分别连接金属管段，两金属管段通过导线或金属屏蔽罩短接，对复电导率测量传感器绝缘管段外流体进行短路，使得测量对象限定于绝缘管段内，从而使测量对象更加明确，测量模型更为简化。
所述的复电导率检测所用到的数字相敏解调技术既可以实现数字滤波，又可以同时求得包含流体复电导率的信号的幅值和相位，进而可推算待测管道内流体复电导率的模及辐角，使得获取的流体电学信息更加准确和完整。
感应式工业型管道内流体复电导率在线测量方法的步骤如下：
1)设置正弦交流激励源的激励信号为其中，U0为正弦交流激励信号有效值，f为正弦交流激励信号频率，t为时间变量，环形变压器的线圈作为环形变压器的原边，设匝数为N1，绝缘管段内流体、第一金属管段、短路线、第二金属管段构成的回路等效为环形变压器匝数为1的副边，则在正弦交流激励信号u0的激励下，绝缘管段内流体感生电动势其中，k0为环形变压器感应电压的复修正系数；
2)将绝缘管段内流体复电导率表示为|σ|为流体复电导率的模，为流体复电导率的辐角，设绝缘管段横截面积为s，长度为l，流经绝缘管段内横截面的电流为i1，则绝缘管段内流体轴向等效阻抗为 其中，k1为流体等效复电导率的管道尺寸修正复系数；
3)绝缘管段内流体、第一金属管段、短路线、第二金属管段构成的回路等效为环形电流互感器匝数为1的原边，环形电流互感器的线圈作为环形电流互感器的副边，设匝数为N2，绝缘管段内电流i1在环形电流互感器的线圈中感应的电流为i2，I2为感应电流i2的有效值，∠θ为感应电流i2的相位，则有，其中k2为环形电流互感器感应电流的复修正系数；
4)根据前面公式可推导出，绝缘管段内流体复电导率为其中，k为复电导率测量传感器总体复修正系数，设K为仪表复系数，令则有通过数据拟合方法可求得K值；
5)环形电流互感器的线圈中感应的电流为i2通过信号处理模块、数据采集模块转化为包含流体复电导率信息的数字信号序列并发送给计算机，计算机利用数字相敏解调技术可求得i2的有效值及相位，利用复电导率求解模型即可求得流体复电导率的模|σ|和辐角结果由计算机显示。
本发明具有的有益效果：
1)针对工业现场管道常有高温、振动、电化学腐蚀、电磁干扰等特点，本发明不用激励检测电极，而是采用电磁感应的方法，避免了激励检测系统与管壁及管道内流体的直接接触，相比接触式或浸入式检测，不存在影响管壁强度，扰动流体流动，损坏电极结构的缺点。同时，复电导率测量传感器外部安装一个金属屏蔽罩，用于屏蔽外部电磁干扰，增强了工业实用性及适用性；
2)针对工业管道管路复杂，绝缘性及接地性不确定的特点，复电导率测量传感器通过法兰与工业管道对接，通过短路线短接方式，使得测量对象限定于复电导率测量传感器绝缘管段内，从而使测量对象更加明确，测量模型更为简化；
3)使用数字相敏解调技术可同时实现数字滤波以及复电导率测量，简化了硬件滤波电路，降低了模拟元器件带来的噪声影响，通过数学模型可同时获取包含流体特性的完整复电导率信息(复电导率的模值和辐角)。
附图说明
图1是工业性管道内复电导率测量装置的结构示意图；
图2是复电导率测量传感器的第一种结构；
图3是复电导率测量传感器的第二种结构；
图4是复电导率测量传感器的第三种结构；
图5是复电导率测量传感器等效电路示意图；
图中：正弦交流激励源1、复电导率测量传感器2、信号处理模块3、数据采集模块4、计算机5、第一待测管道6、第一待测管道6的法兰7、第一金属管段9的第一法兰8、第一金属管段9、第一金属管段9的第二法兰10、绝缘管段14的第一法兰11、环形变压器12、环形电流互感器13、绝缘管段14、绝缘管段14的第二法兰15、第二金属管段17的第一法兰16、第二金属管段17、短路线18、第二金属管段17的第二法兰19、第二待测管道21的法兰20、第二待测管道21、金属屏蔽罩22、激励信号输入端23、检测信号输出端24、定位支架25、屏蔽罩支架26。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，感应式工业型管道内流体复电导率在线测量装置包括正弦交流激励源1、复电导率测量传感器2、信号处理模块3、数据采集模块4、计算机5；正弦交流激励源1与复电导率测量传感器2的环形变压器12的激励信号输入端23相连，复电导率测量传感器2的环形电流互感器13的信号输出端24与信号处理模块3相连，信号处理模块3、数据采集模块4、计算机5顺次相连。
如图2所示为本发明的一个实施例，在该实施例中，感应式工业型管道内复电导率在线检测装置包括正弦交流激励源1、复电导率测量传感器2、信号处理模块3、数据采集模块4、计算机5；所述的复电导率测量传感器2包括：第一金属管段9、第二金属管段17、绝缘管段14、环形变压器12和环形电流互感器13，复电导率测量传感器2通过第一金属管段9的第一法兰8与第一待测管道6的法兰7连接，复电导率测量传感器2通过第二金属管段17的第二法兰19与第二待测管道21的法兰20连接，绝缘管段14安装在第一金属管段9和第二金属管段17之间，所述的复电导率测量传感器2的环形变压器12和环形电流互感器13结构组成相同，由高磁导率的环形磁芯及绕在磁芯上的线圈构成，环形变压器12和环形电流互感器13沿轴向分布完全悬空地套在绝缘管段14上；正弦交流激励源1与复电导率测量传感器2的环形变压器12的激励信号输入端23相连，复电导率测量传感器2的环形电流互感器13检测信号输出端24与信号处理模块3的一端相连，信号处理模块3、数据采集模块4、计算机5顺次相连，第一金属管段9和第二金属管段17之间短接，各法兰连接处做密封处理。
绝缘管段14在第一金属管段9和第二金属管段17之间的安装方式可以通过将绝缘管段套第一金属管段9和第二金属管段17之间的方式，也可以通过法兰或其它连接方式连接，在本实施例中所述的绝缘管段14通过法兰与第一金属管段9、第二金属管段17连接，其中绝缘管段14的第一法兰11与第一金属管段9的第二法兰10连接，绝缘管段14的第二法兰15与第二金属管段17的第一法兰16连接，各法兰连接处做密封处理。所述的第一金属管段9和第二金属管段17通过短路线18短接，绝缘管段14内流体、第一金属管段9、短路线18、第二金属管段17构成交流测量通路。
如图3所示，为本发明的另一个实施例，所述的复电导率测量传感器2还包括金属屏蔽罩22，定位支架25固定在金属屏蔽罩22的内部，金属屏蔽罩22由屏蔽罩支架26固定并接地，金属屏蔽罩22有一对相对的通孔，复电导率测量传感器2的第一金属管段9、第二金属管段17分别穿过两个通孔，两个通孔孔径均大于金属管段外径，通过调整定位支架25及屏蔽罩支架26使得激励检测系统完全不接触待测管道。
如图4所示为本发明的另一个实施例，在该实施例中所述的第一金属管段9、第二金属管段17分别通过第一导线27、第二导线28连接在金属屏蔽罩22上，通过金属屏蔽罩22短接。
利用该装置和方法测量流体复电导率的流程为：正弦交流激励源1将激励信号加在环形变压器12上，绝缘管段14内流体、第一金属管段9、短路线18、第二金属管段17构成的交流测量通路内感生电动势并产生电流，环形电流互感器13上感应得到的电流信号由信号处理模块3进行放大、滤波等处理，通过数据采集模块4将采集到的包含流体复电导率信息的信号序列传输到计算机5上进行求解并显示。
如图5所示，复电导率测量传感器2等效电路模型为：环形变压器12的线圈作为环形变压器12匝数为N1的原边，绝缘管段14内流体、第一金属管段9、短路线18、第二金属管段17构成的回路作为环形变压器12的副边，在正弦交流激励信号u0的激励下，绝缘管内感生电动势u1，绝缘管段14内流体轴向等效阻抗z的一端通过第一金属管段9、短路线18、第二金属管段17与绝缘管段14内流体轴向等效阻抗z的另一端连接，构成交流测量通路，流经绝缘管段14内横截面的电流为i1，绝缘管段14内流体、第一金属管段9、短路线18、第二金属管段17构成的回路作为环形电流互感器13等效匝数为1的原边，环形电流互感器13的线圈作为环形电流互感器13匝数为N2副边，绝缘管段14内电流i1在环形电流互感器13的线圈中感应的电流为i2。图中黑点为同名端标记，表示在此种接线方式下，电路中电流方向如图中箭头方向所示。
如图4所示，感应式工业型管道内流体复电导率在线测量方法的步骤如下：
1)设置正弦交流激励源1的激励信号为其中，U0为正弦交流激励信号有效值，f为正弦交流激励信号频率，t为时间变量，环形变压器12的线圈作为环形变压器12的原边，设匝数为N1，绝缘管段14内流体、第一金属管段9、短路线18、第二金属管段17构成的回路等效为环形变压器12匝数为1的副边，则在正弦交流激励信号u0的激励下，绝缘管段14内流体感生电动势其中，k0为环形变压器12感应电压的复修正系数；
2)将绝缘管段14内流体复电导率表示为|σ|为流体复电导率的模，为流体复电导率的辐角，设绝缘管段14横截面积为s，长度为l，流经绝缘管段14内横截面的电流为i1，则绝缘管段14内流体轴向等效阻抗为 其中，k1为流体等效复电导率的管道尺寸修正复系数；
3)绝缘管段14内流体、第一金属管段9、短路线18、第二金属管段17构成的回路等效为环形电流互感器13匝数为1的原边，环形电流互感器13的线圈作为环形电流互感器13的副边，设匝数为N2，绝缘管段14内电流i1在环形电流互感器13的线圈中感应的电流为i2，I2为感应电流i2的有效值，∠θ为感应电流i2的相位，则有，其中k2为环形电流互感器13感应电流的复修正系数；
4)根据前面公式可推导出，绝缘管段内流体复电导率为其中，k为复电导率测量传感器2总体复修正系数，设K为仪表复系数，令则有通过数据拟合方法可求得K值；
5)环形电流互感器13的线圈中感应的电流为i2通过信号处理模块3、数据采集模块4转化为包含流体复电导率信息的数字信号序列并发送给计算机5，计算机5利用数字相敏解调技术可求得i2的有效值及相位，利用复电导率求解模型即可求得流体复电导率的模|σ|和辐角结果由计算机5显示。
为了验证本发明装置与方法的可行性，在实验室环境下：
首先，在绝缘管道内进行初步的氯化钾水溶液电导率测量实验，调制了12种不同电导率(电导率范围0.15mS/cm～30mS/cm)的氯化钾水溶液，首先用电导率仪分别测得不同浓度下氯化钾水溶液电导率值做参考对比，然后利用本发明中所提及的装置与方法，每种电导率下重复测量100次，分别得到复电导率的模值|σ|和辐角复电导率的模值|σ|的标准差系数小于0.6％，辐角的标准差系数小于0.2％，数据拟合前，计算复电导率的实部，即为氯化钾溶液的电导率值，与电导率仪测得结果最大误差在8％以内，数据拟合后利用本发明中所提及的装置与方法测得氯化钾溶液的电导率值与电导率仪测得结果最大误差在2％以内。
其次，通过利用可调电阻箱以及电容器和电感器模拟流体复电导率的方法补充验证复电导率测量传感器性能，使复电导率模值|σ|范围0.1mS/cm～6000mS/cm，辐角范围在-90°～+90°范围内，复电导率的模值|σ|的最大标准差系数小于3％，辐角的标准差系数小于2％。
初步的试验结果表明：1.本发明中所提及的装置与方法具有较强的可行性，所建立的复电导率求解模型是有效的；2.在实验室环境下，利用本发明中所提及的装置与方法测得的复电导率值重复性较好，测量精度较高，测量范围大；3.设计的复电导率测量传感器能够做到接近理想，即k≈k0≈k1≈k2≈1，若精度要求不高则计算中可取也可以通过数据拟合方法求得比较准确的K值及其复电导率模型。

Claims (4)

1.一种感应式工业型管道内复电导率在线检测方法，用于该在线检测方法的感应式工业型管道内复电导率在线检测装置包括正弦交流激励源(1)、复电导率测量传感器(2)、信号处理模块(3)、数据采集模块(4)、计算机(5)；所述的复电导率测量传感器(2)包括：第一金属管段(9)、第二金属管段(17)、绝缘管段(14)、环形变压器(12)和环形电流互感器(13)，复电导率测量传感器(2)通过第一金属管段(9)的第一法兰(8)与第一待测管道(6)的法兰(7)连接，复电导率测量传感器(2)通过第二金属管段(17)的第二法兰(19)与第二待测管道(21)的法兰(20)连接，绝缘管段(14)安装在第一金属管段(9)和第二金属管段(17)之间，所述的复电导率测量传感器(2)的环形变压器(12)和环形电流互感器(13)结构组成相同，由高磁导率的环形磁芯及绕在磁芯上的线圈构成，环形变压器(12)和环形电流互感器(13)沿轴向分布完全悬空地套在绝缘管段(14)上；正弦交流激励源(1)与复电导率测量传感器(2)的环形变压器(12)检测信号输入端(23)相连，复电导率测量传感器(2)的环形电流互感器(13)检测信号输出端(24)与信号处理模块(3)的一端相连，信号处理模块(3)、数据采集模块(4)、计算机(5)顺次相连，第一金属管段(9)和第二金属管段(17)之间短接，各法兰连接处做密封处理；所述的环形变压器(12)和环形电流互感器(13)通过定位支架(25)固定位置，沿轴向分布完全悬空地套在绝缘管段(14)上；所述的检测装置还包括金属屏蔽罩(22)，定位支架(25)固定在金属屏蔽罩(22)的内部，金属屏蔽罩(22)由屏蔽罩支架(26)固定并接地，金属屏蔽罩(22)有一对相对的通孔，复电导率测量传感器(2)的第一金属管段(9)、第二金属管段(17)分别穿过两个通孔，两个通孔孔径均大于金属管段外径，通过调整定位支架(25)及屏蔽罩支架(26)使得激励检测系统完全不接触待测管道；
其特征在于它的步骤如下：
1)设置正弦交流激励源(1)的激励信号为其中，U0为正弦交流激励信号有效值，f为正弦交流激励信号频率，t为时间变量，环形变压器(12)的线圈作为环形变压器(12)的原边，设匝数为N1，绝缘管段(14)内流体、第一金属管段(9)、短路线(18)、第二金属管段(17)构成的回路等效为环形变压器(12)匝数为1的副边，则在正弦交流激励信号u0的激励下，绝缘管段(14)内流体感生电动势其中，k0为环形变压器(12)感应电压的复修正系数；
2)将绝缘管段(14)内流体复电导率表示为|σ|为流体复电导率的模，为流体复电导率的辐角，设绝缘管段(14)横截面积为s，长度为l，流经绝缘管段(14)内横截面的电流为i1，则绝缘管段(14)内流体轴向等效阻抗为其中，k1为流体等效复电导率的管道尺寸修正复系数；
3)绝缘管段(14)内流体、第一金属管段(9)、短路线(18)、第二金属管段(17)构成的回路等效为环形电流互感器(13)匝数为1的原边，环形电流互感器(13)的线圈作为环形电流互感器(13)的副边，设匝数为N2，绝缘管段(14)内电流i1在环形电流互感器(13)的线圈中感应的电流为i2，I2为感应电流i2的有效值，∠θ为感应电流i2的相位，则有，其中k2为环形电流互感器(13)感应电流的复修正系数；
4)根据前面公式可推导出，绝缘管段内流体复电导率为其中，k为复电导率测量传感器(2)总体复修正系数，设K为仪表复系数，令则有通过数据拟合方法可求得K值；
5)环形电流互感器(13)的线圈中感应的电流为i2通过信号处理模块(3)、数据采集模块(4)转化为包含流体复电导率信息的数字信号序列并发送给计算机(5)，计算机(5)利用数字相敏解调技术可求得i2的有效值及相位，利用复电导率求解模型即可求得流体复电导率的模|σ|和辐角结果由计算机(5)显示。
2.根据权利要求1所述的一种感应式工业型管道内复电导率在线检测方法，其特征在于所述的绝缘管段(14)通过法兰与第一金属管段(9)、第二金属管段(17)连接，其中绝缘管段(14)的第一法兰(11)与第一金属管段(9)的第二法兰(10)连接，绝缘管段(14)的第二法兰(15)与第二金属管段(17)的第一法兰(16)连接，各法兰连接处做密封处理。
3.根据权利要求1所述的一种感应式工业型管道内复电导率在线检测方法，其特征在于所述的第一金属管段(9)和第二金属管段(17)通过短路线(18)短接，绝缘管段(14)内流体、第一金属管段(9)、短路线(18)、第二金属管段(17)构成交流测量通路。
4.根据权利要求1所述的一种感应式工业型管道内复电导率在线检测方法，其特征在于所述的第一金属管段(9)、第二金属管段(17)分别通过第一导线(27)、第二导线(28)连接在金属屏蔽罩(22)上，通过金属屏蔽罩(22)短接。
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