CN107367543A - 基于螺旋电磁传感器的金属液中气泡测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于螺旋电磁传感器的金属液中气泡测量装置，该装置包括：上游电磁传感器、下游电磁传感器、前端板、信号处理模块、上位机；所述上游传感器和下游传感器均包含一个激励线圈和一个检测线圈，共轴围绕在被测管道表面。有益效果是该测量装置利用传感器的特殊螺旋结构，得到整个被测区域一致的、均匀的灵敏场。能够对管径为r＝0.1m～1m范围内的金属液中形状规律的较大尺寸单气泡(半径为r_b>r/20)或小气泡群进行检测。可以从检测信号中提取与气泡参数相关的定量信息，进一步推导气泡的运动参数。实时性好，工作频率可达10MHz，可保证在采样过程中能够不断采集到完全独立的数据点。

Description

基于螺旋电磁传感器的金属液中气泡测量装置

技术领域

本发明属于电磁无损检测技术，特别是一种基于螺旋电磁传感器的金属液中气泡测量装置。

背景技术

金属液中气泡参数的测量一直以来都是工业测量的难点。对于一些工业过程，如泡沫铝的生产，气泡在金属熔体中是影响产品质量的重要因素。而对于一些金属或合金的生产过程中，若不能对其中的非金属夹杂物(如气泡)进行有效控制，不仅影响产品的成型工艺，还将极大危害金属材料的使役性能。由于金属液具有高温和不透明性的特点，同时部分液体具有一定的腐蚀性，使得测量难度较大。对于传统的接触式测量方法而言，一方面需要制作成本较高的耐高温、耐腐蚀探头或电极，另一方面，这些接触式传感器可能会改变被测物场的分布或金属液的物理和化学性质，导致金属流体被污染。

对于非接触式测量方法而言，超声检测和光学检测等方法需要制作专用探头，成本昂贵；另外，超声波及光的传播速度受到介质物理特性的影响，测量的准确性难以得到保证。电学非接触式测量方法可以实现低成本、非侵入测量，但由于测量系统本身的“软场”特性，导致测量灵敏度较低，且严重不均匀。在靠近传感器的场域，测量精度较高；在场域中央，则难以得到幅值较大的测量值。因此，亟需寻找更为完善的非接触式测量方案，以克服现有技术中的缺陷。

发明内容

针对现有技术中结构上的不足，本发明的目的是提供一种基于螺旋电磁传感器的金属液中气泡测量装置，采用的检测方法基于电磁感应原理，具有成本低、便携、原理简单、实时性好的优点，可用于金属液中气泡流动状态的快速在线检测。螺旋结构的电磁传感器可提供均匀的敏感场，激励线圈用于在被测物场中产生一次磁场，当气泡通过时，会改变原有电磁场分布规律，导致接收信号发生变化。检测线圈中信号分析采用相位信息，建立相位与气泡参数的关联机制，可实现对气泡流速、位置和尺寸的有效测量。本装置不仅可以用于基于电导率的测量，亦适用于基于磁导率测量的介质。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为提供一种基于螺旋电磁传感器的金属液中气泡测量装置，其中：该装置包括：上游电磁传感器、下游电磁传感器、前端板、信号处理模块、上位机；所述上游传感器和下游传感器均包含一个激励线圈和一个检测线圈，共轴围绕在被测管道表面。前端板中包括激励信号的控制单元和功率放大模块，前端板通过双绞线分别连接上游电磁传感器和下游电磁传感器，在空间位置上，前端板应靠近上游电磁传感器和下游电磁传感器，便于实现对激励信号的放大及检测信号的预处理功能，前端板与信号处理模块通过双绞线实现电连接，为了降低检测信号中的噪声，应使上游电磁传感器和下游电磁传感器与数据处理单元位置保持不少于0.2m的距离；所述信号处理模块包括模拟信号调理单元、模数转换单元和调制解调单元，通过USB线与上位机连接，所述上位机选择通用的台式计算机或笔记本，进行数据后续处理和显示，在上位机中采用Visual C++编写人机交互界面，能够实时显示检测信号波形、幅值和相位信息，定量或定时保存数据。

本发明的效果是提供一种基于螺旋电磁传感器的金属液中气泡测量装置，利用传感器的特殊螺旋结构，得到整个被测区域一致的、均匀的灵敏场。能够对管径为r＝0.1m～1m范围内的金属液中形状规律的较大尺寸单气泡(半径为r_b>r/20)或小气泡群进行检测。可以从检测信号中提取与气泡参数相关的定量信息，进一步推导气泡的运动参数。实时性好，工作频率可达10MHz，可保证在采样过程中能够不断采集到完全独立的数据点。

附图说明

图1是本发明的金属液中气泡测量装置整体结构图；

图2是本发明的α＝360°，h＝400mm的圆形螺旋电磁传感器结构示意图；

图3是本发明的α＝180°，h＝400mm的圆形螺旋电磁传感器结构示意图。

图中：

1、上游电磁传感器 2、下游电磁传感器 3、前端板

4、信号处理模块 5、上位机

具体实施方式

结合附图对本发明的基于螺旋电磁传感器的金属液中气泡测量装置结构作进一步详细说明。

本发明的基于螺旋电磁传感器的金属液中气泡测量装置设计思想是采用螺旋结构的电磁传感器组，以螺旋方式共轴平行围绕在被测管道表面的两个不同截面，具有一定的轴向距离。与被测液体保持一定距离，实现非接触非侵入测量，同时提供更高和更均匀的灵敏度。每个传感器组包括一个激励线圈和一个接收线圈，在其他条件一定的前提下，螺旋电磁传感器有三个可调参数：螺旋角度α、张角θ以及高度h。螺旋角度可以根据测量要求和工业条件进行调整，传感器张角亦可根据螺旋电磁传感器的灵敏性和均匀性综合得出，高度则由管道长度以及测量区域距离共同决定。当管径较大时，采取合理改善螺旋结构、适当提高激励频率的方法得到幅值较大的检测信号。

本发明的基于螺旋电磁传感器的金属液中气泡测量装置基于FPGA的控制电路借助直接数字频率合成技术产生整个系统的初始正弦、余弦基准信号。它们一方面经过数模转换、功率放大之后依次传递至前端板和激励线圈，为被测物场提供电磁激励；另一方面，在检测信号的正交序列解调中，FPGA生成的正弦、余弦信号还可分别作为感应信号的同相参考信号和正交参考信号。信号处理模块对接收传感器接收的信号进行采集，再进行相应的放大、滤波等处理后传送至上位机。上位机对信号处理模块采集到的数据进行解析，基于气泡和背景流体间的导电性能差异，提取出与气泡参数相关的相位信息，建立相位与气泡参数的关联机制，通过后续互相关计算实现对气泡流速、位置和尺寸的有效测量。

如图1所示，本发明的基于螺旋电磁传感器的金属液中气泡测量装置包括上游电磁传感器1、下游电磁传感器2、前端板3、信号处理模块4、上位机5。上游电磁传感器1和下游电磁传感器2分别安装在被测管道的两个截面，它们之间的轴向距离由上游电磁传感器1和下游电磁传感器2的形状参数以及具体测量范围确定，对不同形状和排列方向的直管道均适用。上游电磁传感器1和下游电磁传感器2均包含一个激励线圈和一个检测线圈，共轴围绕在被测管道表面。激励线圈和检测线圈由漆皮铜丝绕制而成，其四周包裹屏蔽材料，匝数一般为5～20匝。激励线圈和检测线圈有三个关键参数：螺旋角度α、张角θ以及高度h。其中，螺旋角度α为激励线圈和检测线圈起始端和末尾端之间环绕的角度，张角θ为激励线圈和检测线圈沿着管道半径形成的圆弧对管道圆心的张角，高度h为激励线圈和检测线圈轴向延伸的距离。通过调整螺旋角度α、张角θ以及高度h以适用于不同的应用场合。激励线圈和检测线圈的尺寸参数应完全相同，根据管道圆心对称分布，螺旋角度α的范围为180°～360°，张角θ的范围为5°～175°，高度h受测量范围的影响较大，需根据具体情况确定。上游电磁传感器1和下游电磁传感器2分别安装在管道被测区域两端的垂直截面处，它们之间的轴向距离d由上游电磁传感器1和下游电磁传感器2的形状参数以及具体测量范围确定，若被测区域轴向长度为l，轴向距离d＝l-2h。

所述前端板3中包括激励信号的控制单元和功率放大模块，控制单元由FPGA主控电路实现。前端板3通过双绞线分别连接上游电磁传感器1和下游电磁传感器2，在空间位置上，前端板3应靠近上游电磁传感器1和下游电磁传感器2，便于实现对激励信号的放大及检测信号的预处理功能，前端板3与信号处理模块4通过双绞线实现电连接，为了降低检测信号中的噪声，应使上游电磁传感器1和下游电磁传感器2远离数据处理单元4，至少保持0.2m的直线距离；所述信号处理模块4包括模拟信号调理单元、模数转换单元和调制解调单元，通过USB线与上位机5连接，所述上位机5选择通用的台式计算机或笔记本，进行数据后续处理和显示，采用Visual C++编写人机交互界面，能够实时显示检测信号波形、幅值和相位信息，定量或定时保存数据。

所述前端板3通过控制单元控制上游电磁传感器1和下游电磁传感器2的激励线圈产生正弦激励信号，形成交变的一次磁场，并将上游电磁传感器1和下游电磁传感器2的检测线圈接收的预处理信号送至信号处理模块4，信号处理模块4用于对信号执行放大、滤波处理、调制与解调和A/D转换，转换后的数字信号送入上位机5中，通过人机交互界面显示检测信号特征。

图2和图3是本发明实施例的针对圆柱体管道的螺旋电磁传感器结构图，螺旋角度分别为α＝360°和α＝180°。如图2、图3所示，管道半径为100mm，被测区域长度l为1200mm，上游电磁传感器1和下游电磁传感器2的高度h均为400mm，轴向距离d＝l-2h＝400mm。每个线圈对应的张角相同，均记为θ。选择灵敏场平均灵敏度和相对标准差分别作为灵敏度灵敏性和均匀性评估参数，计算公式如式(1)和(2)所示：

其中为传感器标准差；S_i为敏感场内第i个像素位置处的灵敏度值；N为敏感场内的像素总数。通过对上游电磁传感器1或者下游电磁传感器2的灵敏场仿真，可以得到最优的张角θ。若选择被测流体为铝溶液，当往溶液中均匀通入单气泡时会引起检测信号的波动。气泡的位置、尺寸和流速不同，在检测线圈上引起的信号波动幅值和相位均不同。由于上游传感器1和下游传感器2轴向距离相对整个管道长度而言很小，可假设气泡通过时是匀速状态。通过对上游传感器1和下游传感器2中检测信号的相关分析，可以得到气泡流速和信号之间的关联机制。接着，利用MATLAB软件做互相关运算，得到两组信号间的时间差，从而计算出气泡在被测区域范围内的速度。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的技术方案和具体实施方法，而非对其限制；凡是根据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与替换，均为本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于螺旋电磁传感器的金属液中气泡测量装置，其特征是：该装置包括：上游电磁传感器(1)、下游电磁传感器(2)、前端板(3)、信号处理模块(4)、上位机(5)；所述上游传感器(1)和下游传感器(2)均包含一个激励线圈和一个检测线圈，共轴围绕在被测管道表面。前端板(3)中包括激励信号的控制单元和功率放大模块，控制单元由FPGA主控电路实现，前端板(3)通过双绞线分别连接上游电磁传感器(1)和下游电磁传感器(2)，在空间位置上，前端板(3)应靠近上游电磁传感器(1)和下游电磁传感器(2)，便于实现对激励信号的放大及检测信号的预处理功能，前端板(3)与信号处理模块(4)通过双绞线实现电连接，为了降低检测信号中的噪声，应使上游电磁传感器(1)和下游电磁传感器(2)与数据处理单元(4)位置保持不少于0.2m的距离；所述信号处理模块(4)包括模拟信号调理单元、模数转换单元和调制解调单元，通过USB线与上位机(5)连接，所述上位机(5)选择通用的台式计算机或笔记本，进行数据后续处理和显示，在上位机(5)中采用Visual C++编写人机交互界面，能够实时显示检测信号波形、幅值和相位信息，定量或定时保存数据。

2.根据权利要求1所述基于螺旋电磁传感器的金属液中气泡测量装置，其特征是：所述上游电磁传感器(1)和下游电磁传感器(2)分别安装在管道被测区域两端的垂直截面处，它们之间的轴向距离由上游电磁传感器(1)和下游电磁传感器(2)的形状参数以及具体测量范围确定。

3.根据权利要求1所述基于螺旋电磁传感器的金属液中气泡测量装置，其特征是：激励线圈和检测线圈的外周包裹有屏蔽层，激励线圈和检测线圈的匝数为5～20匝，激励线圈和检测线圈有三个参数：螺旋角度α、张角θ以及高度h，螺旋角度α为激励线圈和检测线圈起始端和末尾端之间环绕的角度，张角θ为激励线圈和检测线圈沿着管道半径形成的圆弧对管道圆心的张角，高度h为激励线圈和检测线圈轴向延伸的距离，激励线圈和检测线圈的尺寸参数应完全相同，根据管道圆心对称分布，螺旋角度α的范围为180°～360°，张角θ的范围为5°～180°，高度h的范围受测量范围的影响需根据具体情况确定。

4.根据权利要求1所述基于螺旋电磁传感器的金属液中气泡测量装置，其特征是：前端板(3)通过控制单元控制上游电磁传感器(1)和下游电磁传感器(2)的激励线圈产生正弦激励信号，形成交变的一次磁场，并将上游电磁传感器(1)和下游电磁传感器(2)的检测线圈接收的预处理信号送至信号处理模块(4)，信号处理模块(4)用于对信号执行放大、滤波处理、调制与解调和A/D转换，转换后的数字信号送入上位机(5)中，通过人机交互界面显示检测信号特征。