CN108152166B - 一种弹状流型气液两相流气相体积测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹状流型气液两相流气相体积测量装置，包括测量单元、比较器、脉冲发生单元、第一与门和信号计数器，测量单元与比较器的正输入端相连，比较器的负输入端预设有预设阈值电压；比较器的输出端和脉冲发生单元的输出端均连接至第一与门的输入端，第一与门的输出端与信号计数器相连。本发明还公开了一种测量方法，包括：S01、测量管路中弹状流气体，有水经过时，输出第一电压信号；有气体经过时，输出第二电压信号；S02、电压信号进入至比较器内与预设阈值电压进行比较，输出比较结果；S03、比较结果与脉冲发生单元输出的脉冲信号在第一与门内进行与操作，输出信号至信号计数器进行计数。本发明的装置及方法均具有可靠性高等优点。

Description

一种弹状流型气液两相流气相体积测量装置及测量方法

技术领域

本发明主要涉及气液两相流测量技术领域，特指一种弹状流型气液两相流气相体积测量装置及测量方法。

背景技术

国内外气液两相流测量分析的方法主要有超声波测量法、电磁法、电容测量法和光学检测法；气液两相流有泡状流、弹状流和环状流三种主要流型。目前已有的光学检测的测量方法均为可同时针对以上多种流型自适应的方法或装置。但在一些应用场合，气液两相流只存在弹状流这一种流型或只需关注弹状流这一种流型，而且流速比较稳定，如电解制氧装置，它目前广泛应用在航天器、核潜艇等装备上，取代传统的碱性电解制氧装置。在SPE电解制氧装置中，作为反应物的水经过净化，在电解槽、换热器、水箱之间循环。水气分离装置将反应产生的气/水混和物进行分离，分离出的水将重新投入循环。在此过程中，未电解的水需要循环利用，而返回的水通常带有一定量的氢气和氧气，经过过滤膜后，大量的小气泡集聚形成一段段的弹状流流过电解制氧装置中的循环泵，这些弹状气流连续冲击循环泵叶片，对泵的损坏极大，对电解制氧装置乃至整个装备都将造成极大的安全隐患，因此需要实时检测水中的气泡，当气体体积逐渐增大或一定时间内气体含量超过一定的阈值时，则判定系统工作不正常，应及时进行处理，防止安全事故的发生。目前已有的光学检测方法存在的主要问题是检测处理后的输出电压不能直接指示水或气体的含量，需要后级采集系统或计算机运行复杂的算法，根据输出电压计算判断当前流型，再代入不同的算法，计算出气体的体积或含量，导致系统极其庞大和复杂，成本高，可靠性低。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低、可靠性高的弹状流型气液两相流气相体积测量装置及测量方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种弹状流型气液两相流气相体积测量装置，包括用于测量管路中弹状流气体的测量单元、比较器、脉冲发生单元、第一与门和信号计数器，所述测量单元与所述比较器的正输入端相连，所述比较器的负输入端预设有预设阈值电压；所述比较器的输出端和脉冲发生单元的输出端均连接至第一与门的输入端，所述第一与门的输出端与信号计数器相连；所述测量单元的测量信号在比较器内与预设阈值电压比较后，输出比较结果与脉冲发生单元发出的脉冲信号在第一与门进行与操作后，输出结果至信号计数器进行计数以对应测量管路中弹状流气体累加体积。

作为上述技术方案的进一步改进：

还包括DA转换单元和信号调理单元，所述DA转换单元的输入端与所述信号计数器的输出端相连、用于将计数结果转换成模拟量信号；所述信号调理单元与所述DA转换单元的输出端相连、用于将模拟量信号转换成与弹状流气体累加体积相对应的电压等级。

还包括周期更新单元，用于在预设周期发送更新命令至DA转换单元以更新输出信号。

所述周期更新单元包括周期计数器和第二与门，所述周期计数器的计数端与所述脉冲发生单元的输出端相连；所述周期计数器的最高两位连接第二与门的输入端，所述第二与门的输出端连接至DA转换单元的复位端相连。

还包括第三与门，所述周期计数器的最低位和第二与门的输出端分别连接至第三与门的输出端，所述第三与门的输出端分别连接至周期计数器和信号计数器的复位端。

所述脉冲发生单元为脉冲发生器。

本发明还相应公开了一种基于如上所述的弹状流型气液两相流气相体积测量装置的测量方法，包括以下步骤：

S01、测量单元测量管路中弹状流气体，当管路中有水经过时，测量单元输出第一电压信号；当管路中有气体经过时，测量单元输出第二电压信号；

S02、测量单元输出的电压信号进入至比较器内，与所述比较器内的预设阈值电压进行比较，输出比较结果；其中第一电压信号<预设阈值电压<第二电压信号；

S03、比较结果与脉冲发生单元输出的脉冲信号在第一与门内进行与操作，输出信号至信号计数器进行计数，计数结果与管路中弹状流气体累加体积相对应。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤S03中，计数结果经过数模转换以及信号调理，输出与弹状流气体累加体积相对应电压等级的电压值。

在步骤S03中，计数结果累加至预设周期时再进行输出。

在计数结果累加至预设周期时对信号计数器进行复位。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的弹状流型气液两相流气相体积测量装置，不需要体积庞大的计算机及采集系统，也不需要复杂的算法解算和累计气体体积，用简单的常规器件实现了流速稳定的弹状流型气液两相流的气体体积计算，直接输出一段时间内累积的气体体积对应的计数信号，此计数信号可用于判断当前气体含量的多少，从而进行实时监控；由于结构简单、大大提高了系统可靠性，且成本低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中标号表示：1、比较器；2、脉冲发生单元；3、第一与门；4、信号计数器；5、周期计数器；6、DA转换单元；7、第二与门；8、第三与门；9、信号调理单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例的弹状流型气液两相流气相体积测量装置，包括用于测量管路中弹状流气体的测量单元、比较器1、脉冲发生单元2、第一与门3和信号计数器4，测量单元与比较器1的正输入端相连，比较器1的负输入端预设有预设阈值电压；比较器1的输出端和脉冲发生单元2的输出端均连接至第一与门3的输入端，第一与门3的输出端与信号计数器4相连；测量单元的测量信号在比较器1内与预设阈值电压比较后，输出比较结果与脉冲发生单元2发出的脉冲信号在第一与门3进行与操作后，输出结果至信号计数器4进行计数以对应测量管路中弹状流气体累加体积。本发明的弹状流型气液两相流气相体积测量装置，不需要体积庞大的计算机及采集系统，也不需要复杂的算法解算和累计气体体积，用简单的常规器件实现了流速稳定的弹状流型气液两相流的气体体积计算，直接输出一段时间内累积的气体体积所对应的计数信号，此计数信号可用于判断当前气体含量的多少，从而对气体进行实时监控；由于结构简单、大大提高了系统可靠性，且成本低。

本实施例中，还包括DA转换单元6和信号调理单元9，DA转换单元6的输入端与信号计数器4的输出端相连、用于将计数结果转换成模拟量信号；信号调理单元9与DA转换单元6的输出端相连、用于将模拟量信号转换成与弹状流气体累加体积相对应的电压等级。

本实施例中，还包括周期更新单元，用于在预设周期发送更新命令至DA转换单元6以更新输出信号；具体地，周期更新单元包括周期计数器5和第二与门7，周期计数器5的计数端与脉冲发生单元2的输出端相连；周期计数器5的最高两位（或其它两个固定位）连接第二与门7的输入端，第二与门7的输出端连接至DA转换单元6的复位端相连；另外还包括第三与门8，周期计数器5的最低位（或其它位）和第二与门7的输出端分别连接至第三与门8的输出端，第三与门8的输出端分别连接至周期计数器5和信号计数器4的复位端。

本实施例中，测量单元的结构可采用现有的红外测量，具体结构在此不再赘述；脉冲发生单元2为脉冲发生器。其中比较器1、脉冲发生器、第一与门3、信号计数器4、周期计数器5、DA转换单元6、第二与门7和第三与门8等部件可以单独布置在一块电路板也可以与测量单元中的检测电路进行集成封装，缩小了整个装置的体积。

本发明还公开了一种基于如上所述的弹状流型气液两相流气相体积测量装置的测量方法，包括以下步骤：

S01、测量单元测量管路中弹状流气体，当管路中有水经过时，测量单元输出第一电压信号；当管路中有气体经过时，测量单元输出第二电压信号；

S02、测量单元输出的电压信号进入至比较器1内，与比较器1内的预设阈值电压进行比较，输出比较结果；其中第一电压信号<预设阈值电压<第二电压信号；

S03、比较结果与脉冲发生器输出的脉冲信号在第一与门3内进行与操作，输出信号至信号计数器4进行计数，计数结果与管路中弹状流气体累加体积相对应。

具体地，下面结合一具体实施例对本发明的方法做进一步说明：

测量单元的检测信号与弹状流阈值电压同时输入至比较器1（LM311）中，当弹状流气体经过测量管路时，检测信号电压（第二电压信号）较高，一般大于2V，当其中的水经过管路时，检测信号电压（第一电压信号）较低，一般0.5V，通过比较器1后，将检测信号整形为弹状流中气体经过测量管路时为高电平，水经过测量管路时为低电平，即脉冲信号。

其中脉冲发生器产生固定频率的连续脉冲信号（如1kHz），脉冲发生器可由555时基电路或逻辑门与晶振等现有成熟电路组成。

比较器1的输出信号（脉冲信号）与脉冲发生器的输出连续脉冲信号分别接入第一与门3（CD4081）的两个输入端，经过第一与门3的调制后连接到信号计数器4（12位计数器CD4040）的时钟输入端，累加计数。经过第一与门3调制后的信号表现为有弹状流中的气体段通过测量管路时为脉冲信号，信号计数器4对其计数累加，当水通过测量管路时为低电平，不计数。

周期计数器5（12位计数器CD4040）对脉冲发生器产生的固定频率连续脉冲信号计数，周期计数器5的最高两位与第二与门7的两个输入端连接，输出端与DA转换器的输出控制端连接，当计数达到最高位和次高位均为高电平时（1kHz脉冲时，时间约为3s），第二与门7由低电平变为高电平，使DA转换器（AD9762）更新输出，DA转换器的输入值为信号计数器4的计数值。

第二与门7的输出端同时与第三与门8的一个输入端连接，第三与门8的另一个输入端连接周期计数器5的最低位，第三与门8的输出与两个计数器的复位端相连，当第二与门7输出变为高电平后，在下一个脉冲到来后，周期计数器5的最低位由低电平变为高电平，则第三与门8输出也由低电平变为高电平，将两个计数器同时复位。周期计数器5复位后，第二与门7和第三与门8由高电平变回低电平，周期计数器5重新从0开始计数，信号计数器4也重新从0开始累计，同时DA转换器保持原有的输出，直至周期计数器5最高两位再次计数达到高电平（1kHz脉冲时，时间约为3s），第二与门7变为高电平，DA转换将此段时间内信号计数器4累计的数值输入，转化为电流/电压输出。DA转换器的输出，再经后级信号调理单元9后，转变为需要的电压等级，此电压即代表了周期计数器5累计时间内的弹状流气体体积。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种弹状流型气液两相流气相体积测量装置，其特征在于，包括用于测量管路中弹状流气体的测量单元、比较器（1）、脉冲发生单元（2）、第一与门（3）和信号计数器（4），所述测量单元与所述比较器（1）的正输入端相连，所述比较器（1）的负输入端预设有预设阈值电压；所述比较器（1）的输出端和脉冲发生单元（2）的输出端均连接至第一与门（3）的输入端，所述第一与门（3）的输出端与信号计数器（4）相连；所述测量单元的测量信号在比较器（1）内与预设阈值电压比较后，输出比较结果与脉冲发生单元（2）发出的脉冲信号在第一与门（3）进行与操作后，输出结果至信号计数器（4）进行计数以对应测量管路中弹状流气体累加体积；

还包括DA转换单元（6）和信号调理单元（9），所述DA转换单元（6）的输入端与所述信号计数器（4）的输出端相连、用于将计数结果转换成模拟量信号；所述信号调理单元（9）与所述DA转换单元（6）的输出端相连、用于将模拟量信号转换成与弹状流气体累加体积相对应的电压等级；

还包括周期更新单元，用于在预设周期发送更新命令至DA转换单元（6）以更新输出信号；

所述周期更新单元包括周期计数器（5）和第二与门（7），所述周期计数器（5）的计数端与所述脉冲发生单元（2）的输出端相连；所述周期计数器（5）的最高两位连接第二与门（7）的输入端，所述第二与门（7）的输出端连接至DA转换单元（6）的复位端相连。

2.根据权利要求1所述的弹状流型气液两相流气相体积测量装置，其特征在于，还包括第三与门（8），所述周期计数器（5）的最低位和第二与门（7）的输出端分别连接至第三与门（8）的输出端，所述第三与门（8）的输出端分别连接至周期计数器（5）和信号计数器（4）的复位端。

3.根据权利要求1至2中任意一项所述的弹状流型气液两相流气相体积测量装置，其特征在于，所述脉冲发生单元（2）为脉冲发生器。

4.一种基于权利要求1至3中任意一项所述的弹状流型气液两相流气相体积测量装置的测量方法，包括以下步骤：

S01、测量单元测量管路中弹状流气体，当管路中有水经过时，测量单元输出第一电压信号；当管路中有气体经过时，测量单元输出第二电压信号；

S02、测量单元输出的电压信号进入至比较器（1）内，与所述比较器（1）内的预设阈值电压进行比较，输出比较结果；其中第一电压信号<预设阈值电压<第二电压信号；

S03、比较结果与脉冲发生单元（2）输出的脉冲信号在第一与门（3）内进行与操作，输出信号至信号计数器（4）进行计数，计数结果与管路中弹状流气体累加体积相对应。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，在步骤S03中，计数结果经过数模转换以及信号调理，输出与弹状流气体累加体积相对应电压等级的电压值。

6.根据权利要求4或5所述的测量方法，其特征在于，在步骤S03中，计数结果累加至预设周期时再进行输出。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，在计数结果累加至预设周期时对信号计数器（4）进行复位。

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