CN108007500A - 电阻层析浓度与速度测量传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电阻层析浓度与速度测量传感器系统，包括：两个励磁线圈、共享电路、电阻层析传感器；其中，共享电路包含选通开关、滤波电路、放大电路和AD转换电路；而电阻层析传感器由一组电极组成；电阻层析传感器包括一组分布在垂直于测量管道管径的平面上等距分布的电极；两个励磁线圈分别固定在电阻层析传感器的正上方和正下方相对位置，贴管壁放置；励磁线圈的匝数由测量管道的半径决定，匝数设置的原则是在管道内轴线上产生1T以上的磁场强度，使得各个电极即使对于慢速流动的多相流也能产生较强的可测量的电极信号；每个励磁线圈和电极的连接电路上都有一个由选通开关控制的电路，使得数据采集按照两种状态交替进行。

Description

电阻层析浓度与速度测量传感器系统

技术领域

本发明面向管道内以各种速度流动的多相流进行测量，属于电阻层析技术数据采集系统 设计和制作领域，具体涉及一对励磁项圈、共享电路和传统的电阻层析传感器的硬件系统三 部分。

背景技术

一般传统的单层(排)电阻层析数据采集系统是由一组等距分布的电极组成，其激励和测 量电极都是固定的，从而测量和采样位置也是固定的，因此对于管道内具有不同流速的多相 流是无法实现测速的。目前工程上已经采用过的改进方案有两类：一类是使用具有一定间距 的双层(排)电极组进行相关测速；另一类是通过一个独立的电磁流量计直接进行测速。但是 前一种方法使用的电极数目扩大了一倍，不仅增大了制作传感器的成本，而且双排电极由于 需要在管道上增加一倍的电极凿孔，极大减小了管道的耐压能力。同时，相关测速对于管道 内采样点的分辨率有较高的要求。如果采样点采样值差别过小，则无法测出准确流速。另一 方面,相关测速还要求两排测速电极之间必须有一定的距离,这显然会增大传感器的表头尺 寸,为安装和维护带来困难。而使用电磁流量计测速存在两个问题：首先，电磁流量计仅仅 具有一对相对的测量电极，电极信号容易收到各种扰动的影响，为此必须增加一段较长的直 通管道；同时，由于电磁流量计和电学层析是分别安装必然具有一定距离，因此测量的数值 不够同步，这对于变化较大的流型难以进行匹配并采取后续的干预和控制措施。

因此，改变上述测量方式的结构实现两者的互补和一体化融合很有必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种可同时测速和测量浓度的一体化电阻层析传感器系统，解决现 有传感系统中测量不同步、不安全和不可靠的问题。本发明设计的新型传感器系统无需改变 当前传统的数据采集软件系统，实现已有资源既充分又经济的利用。技术方案如下：

一种电阻层析浓度与速度测量传感器系统，包括：两个励磁线圈、共享电路、电阻层析 传感器；其中，共享电路包含选通开关、滤波电路、放大电路和AD转换电路；而电阻层析 传感器由一组电极组成；电阻层析传感器包括一组分布在垂直于测量管道管径的平面上等距 分布的电极；两个励磁线圈分别固定在电阻层析传感器的正上方和正下方相对位置，贴管壁 放置；励磁线圈的匝数由测量管道的半径决定，匝数设置的原则是在管道内轴线上产生1T 以上的磁场强度，使得各个电极即使对于慢速流动的多相流也能产生较强的可测量的电极信 号；每个励磁线圈和电极的连接电路上都有一个由选通开关控制的电路，使得数据采集按照 两种状态交替进行:

1)速度测量状态：每个励磁线圈拥有一个单独的电路经由选通开关与电源相连；当励 磁线圈与电源相连时在管道内产生磁场，选通开关使共享电路经由串联有电阻的支路将感应 电流传递给电阻层析的数据处理系统；在此共享电路中串联的电阻将测量值降低一个数量 级，最终产生的测量数据用于流速计算。

2)浓度测量状态：当励磁线圈与电源处于断开状态时管道无任何磁场，产生用于电阻 层析计算的准恒定电流场，此时各个电极选通开关使共享电路直接将感应电流传递给电阻层 析的数据处理系统，产生的测量数据可用于浓度计算和测量物场的二维可视化。

本发明把电磁流量计与电阻层析传感器一体化集成，共享同一个数据控制和处理系统； 具有以下优势：相比于串联形式的电磁流量计和电阻层析系统成本低、安全性高(因为凿洞 少)、制作经济(一个传感器代替了原来的两个传感器且共享同一数字处理芯片)，从而可以实 现检测对象的稳定测量。

附图说明

图1新型传感器侧视图

图2新型传感器俯视图

图3测量系统结构示意图

具体符号说明如下：

电极标号1～16；每个电极对应一条连接线与数据处理芯片连接；每个连接线上有一个 电阻；选通开关与电极一一对应；励磁线圈分别围绕电极1和电极8放置、若为了产生更加 匀强磁场，也线圈也可以做大包裹更多电极。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的新型传感器的具体实施和计算原理进行说明：

本发明的新型传感器系统的结构包含：励磁线圈、共享电路、串联电阻和电阻层析传感 器；其中，共享电路包含电阻和选通开关；而电阻层析传感器由一组电极组成。

结合后面两个附图对本发明的结构与技术原理予以说明。电阻层析传感器由一组分布在 垂直于管径的平面上等距分布的电极组成，依照管道半径的由小到大，通常为8个、16个 和32个。本实例所使用的电极数目是依照当前传统工艺中最常用的16电极系统设计的。励 磁线圈位于传感器正上方和正下方相对放置；励磁线圈的匝数由测量管道的半径决定；匝数 设置的原则是在管道内轴线上产生1T以上的磁场强度；使得各个电极即使对于慢速流动的 多相流也能产生较强的可测量的电极信号。励磁线圈的上下两个电极为中心紧贴管壁放置； 励磁线圈的平面形状可以是菱形、正方形、椭圆形和圆形等形式；这些形状相对于不同的流 型和流速各有特点，可以根据具体工况选择。每个电极的连接电路上都有一个由选通开关控 制的电路，使得传感器的数据采集按照两种状态交替进行:

1)速度测量状态。每个励磁线圈拥有一个单独的电路经由选通开关与电源相连；当励 磁线圈与电源相连时在管道内产生磁场，选通开关使测量电路经由带有电阻的支路将感应电 流传递给电阻层析的数据处理系统；由于感应电流比电阻层析用于浓度测量时的测量电流高 出一个数量级左右，因此，为了能够共享电阻层析已有成熟的数据处理芯片(选通、AD转换、 滤波、放大等)，必须串联电阻从而将测量值降低一个数量级，最终产生的测量数据用于流 速计算。

2)浓度测量状态。当励磁线圈与电源处于断开状态时管道无任何磁场，完全是一个用 于电阻层析计算的准恒定电流场。此时各个电极选通开关不经电阻电路直接与数据处理芯片 相连，产生的测量数据可用于浓度计算和测量物场的二维可视化。上述流速和浓度的计算原 理和实施方案说明在后面的“最佳实施方案”部分。

16个电极的数据通讯方式都与传统的电学层析数据采集系统一样。配置的时钟开关保 证以上两种状态交替进行。面向具体检测对象管道半径和时间及空间分辨率要求都不同，合 理的选择传感器的数目以及大小，可有效地提高测量精度范围和独立测量数。电极与测量数 据线以及相连的选通开关一一对应，并通过选通开关之后的连线最终与数据采集芯片相连， 所有电极的横截面都是圆形，以有利于通过与被测物场接触形成数据传输通路。整个传感器 的外层可以放置一层金属屏蔽层起到静电屏蔽和支撑各层传感器的作用，整体结构如附图所 示。

通过选通开关在一个短时间，励磁线圈和激励线圈交替工作；每次转换周期不大于0.005 秒；施加一个值可控的交流方波激励i_d在一对相邻电极或励磁线圈上。采用交流方波激励以 克服杂散电阻和接触电阻的影响，提高流速计算的测量数据的信噪比；当励磁线圈断开进入 浓度测量状态时，在一对相邻的电极上，在此直流激励i_d脉冲所产生的电流穿过检测对象到 达边界测量电极后，由于检测对象不同的电导率分布会改变电位的强弱，因此相对于撤去检 测对象后的均匀分布空场，这种变化将通过每对相邻电极的增量方式度量出来。采用相邻激 励且相邻测量时，除去连接激励电极的两个电极，每次可以获得13个独立测量值；在遍历 所用电极对做激励后，总共可以获得16÷13＝208个测量值。在速度测量状态时，15个电极 用于测量出15个用于流速计算的测量值；励磁线圈为普通中碳钢做中轴1000匝以上的三层 线组。在励磁线圈产生磁场时，测量数据线与电阻相连，使得测量的数据与浓度测量状态时 的数据处于同一个数量级。在浓度测量状态时，由于消磁和杂散电阻等原因，可能使得电极 测量值区分度小信噪比指标较低高。为了克服这种问题可以在在特定的两种状态转换速度 下，通过外接电源施加一个幅值可控的电流脉冲，就可以有效地抑制接触电压并提高信噪比。 管道内层采用非金属隔层可以保证管道中间的测量物场不会影响检测对象电场分布；而外接 金属屏蔽层是对外界电场起到静电屏蔽的作用。

1)速度测量：根据法拉第电磁感应定律，在磁感应强度为B的磁场中，垂直于磁场方 向放一个内径为D的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速u运动时，导电液体就切割磁力线，相对于管道截面上安装的电极，两电极间产生感生电势：

式中，为管道截面上的平均流速(m/s)；k为无量纲常系数；D为测量管直径(m)；

B为磁感应强度(T)。由上式可知，当测量管结构D一定、B给定且k通过实际工况标定给出时，速度与感生电势e成正比。而e的大小于15个电极的感应电流成正比，即

m是一个与k可以合并到一起标定的参数。所以一旦e确定了则流速可以求出。

2)相含率(浓度)计算：

ERT的成像结果为截面内电导率分布图像，根据麦克斯韦公式，可通过电导率分布计 算得到气含率分布。

式中，σ₁为液相的电导率，σ₂为固相的电导率，σ_mc是混合相的平均电导率。由于 σ₂≈0＜＜σ₁，若已知含率α_c，反过来可求混合物电导率σ_mc，由上式得

在图像重建算法中，联系到检测仪表一般有一个标定过程，即以一个精度更高的仪表作 为标准表，进行标定。标定电阻层析系数的方法为：给定气含率α_c，由上式得到的截面平 均电导率准确值为σ_mc。同时，电阻层析系数系统连续测量，取一组(例如N＝200帧)图像 灰度的平均值

m为剖分单元数，即每帧图像像素总数。

Claims (1)

1.一种电阻层析浓度与速度测量传感器系统，包括：两个励磁线圈、共享电路、电阻层析传感器；其中，共享电路包含选通开关、滤波电路、放大电路和AD转换电路；而电阻层析传感器由一组电极组成；电阻层析传感器包括一组分布在垂直于测量管道管径的平面上等距分布的电极；两个励磁线圈分别固定在电阻层析传感器的正上方和正下方相对位置，贴管壁放置；励磁线圈的匝数由测量管道的半径决定，匝数设置的原则是在管道内轴线上产生1T以上的磁场强度，使得各个电极即使对于慢速流动的多相流也能产生较强的可测量的电极信号；每个励磁线圈和电极的连接电路上都有一个由选通开关控制的电路，使得数据采集按照两种状态交替进行:

1)速度测量状态：每个励磁线圈拥有一个单独的电路经由选通开关与电源相连；当励磁线圈与电源相连时在管道内产生磁场，选通开关使共享电路经由串联有电阻的支路将感应电流传递给电阻层析的数据处理系统；在此共享电路中串联的电阻将测量值降低一个数量级，最终产生的测量数据用于流速计算。

2)浓度测量状态：当励磁线圈与电源处于断开状态时管道无任何磁场，产生用于电阻层析计算的准恒定电流场，此时各个电极选通开关使共享电路直接将感应电流传递给电阻层析的数据处理系统，产生的测量数据可用于浓度计算和测量物场的二维可视化。