CN109557168A - 一种抗干扰高灵敏气液两相流相含率检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗干扰高灵敏气液两相流相含率检测方法，属于多相流检测领域。本发明的技术方案要点为：由于两相流电导率、磁导率较低，导致传统电磁检测时灵敏度不高、抗干扰能力差，本发明基于电磁谐振原理，当发射系统，接收系统都处于谐振状态时，两相流相含率的测量将比传统电磁检测更加灵敏，并且由于发射接收回路谐振于同一频率，受到外界电磁波干扰小。另外在此基础上对两相流进行了数学模型的建立，把复杂的两相流问题转化为较为简单的数学计算。

Description

一种抗干扰高灵敏气液两相流相含率检测方法
技术领域
本发明属于多相流检测领域。特别涉及电磁谐振检测技术，具体涉及气液两相流相含率的计算和测量。
背景技术
两相流测量一直是学术界关注的重要问题，在气液两相流中，相含率的确定具有重要的意义，因为它是表征流动过程的关键，也是预测气液两相流中质量、动量和能量传递的基础。已有许多方法应用于气液两相流的参数检测，被广泛研究的方法包括电学法、光学、超声波法。其中电学检测法具有结构简单，成本低，响应速度快且安全性高等优点，成为大家研究热点。根据液体和气体电学特性的不同，一般可分为两种测量方法，即电容法和电导法。电容法利用气液两相流之间介电常数的差异来研究两相流的相含率变化情况，但是其容易受到来自导线或外部干扰。电导法则是利用气液两相流之间的电导率差异来研究两相流的相含率变化情况，但是对电导率较低的两相流检测灵敏度不高。
当处于交变电磁场中的两相流物性参数、相含率等发生变化时，两相流内所产生的涡流损耗会随之产生变化，而涡流损耗的变化会引起测量系统中负载电压的大小相应产生变化，通过测量系统中负载电压大小可以间接反映气液两相流相含率的参数信息。但是由于涡流损耗值较小，测量系统难以精确测量出其变化，难以量化计算。这就使得一般检测法只能大概计算两相流相含率，并且易受到外界干扰电磁波的影响。另外在对两相流检测时，气液两相流的电学特性相对复杂，若能利用其完整的电阻抗信息进行数学描述，则可对两相流测量过程从理论角度解释。针对以上情况，急需针对两相流本身特点，设计一种灵敏度高，抗干扰能力强的测量方法，并且能用数学模型对两相流测量过程进行描述。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种抗干扰高灵敏气液两相流相含率检测方法。该方法具有高灵敏度，高抗干扰能力，并且可以对两相流的阻抗信息进行数学描述，通过数学模型表示相含率的变化。
一种抗干扰高灵敏气液两相流相含率检测方法，其特征在于装置包括发射系统和接收系统，发射系统由信号发生器、功率放大器、电容C1和发射线圈构成，其中信号发生器输出端与功率放大器信号输入端相连，功率放大器正向输出端、发射线圈、电容C1与功率放大器负向输出端组成串联回路。接收系统由接收线圈、电容C2和负载串联组成。在发射系统中信号发生器所产生的频率固定的信号，经由功率放大器输出，驱动发射线圈发射一定频率的电磁波，电磁波在受到被测体涡流损耗的影响后，被接收线圈检测到，然后传递给负载。
以下为具体步骤：
(1)、设定发射和接收线圈参数，包括设定发射线圈匝数N1与接收线圈匝数N2，N1＝N2，发射线圈自感L1与接收线圈自感L2，L1＝L2，分别在发射线圈和接收线圈串接电容C1和C2，C1＝C2，发射与接收线圈半径均为r1，两线圈同轴放置；
(2)、设定R1，R2分别为发射回路、接收回路等效电阻，发射电路中RS为电源内阻、VS为电源电压，接收回路的负载为RL；
(3)、设定发射回路和接收回路中电感、电容谐振满足公式ω为激励电源的角频率，此时整个检测系统处于谐振状态。负载电压值UL最大时，对应的收发线圈间距D设置为工作间距，收发线圈的互感为M12、被测体与发射线圈的互感为M13、被测体与接收线圈的互感M23；
(4)、设定密闭的气液两相流管道为电感和电阻的串联，假定气液两相流的液相含率为100％，在Maxwell中建立测量系统的模型，在管道长度为L时，计算得到两相流的平均涡流损耗和涡电流值I，采用公式可以获得两相流的等效电阻R3。L为等效电阻不再随管道长度的增加而变化的管道长度；
(5)、针对层状流的检测，在Maxwell中建立测量系统，计算得出不同液面高度时，被测层状流与发射线圈的互感M′13、与接收线圈的互感M′23、自感L′3和等效电阻R′3。每组(M′13、M′23、L′3和R′3)数据对应唯一液面高度；
(6)、根据函数获得从液面高度到层状流相含率的映射关系。式中α1为层状流的相含率，r2为气液两相流管道半径，液面高度为H；
(7)、针对环状流的检测，在Maxwell中建立测量系统，计算得出不同气柱半径时，被测环状流与发射线圈的互感M"13、与接收线圈的互感M"23、自感L"3和等效电阻R"3。每组(M"13、M"23、L"3和R"3)数据对应唯一气柱半径；
(8)、根据函数获得从气柱半径到环状流相含率的映射关系。式中α2为环状流的相含率，位于环状流中心位置的气柱半径为R；
(9)、将步骤(5)计算得到的层状流参数M′13、M′23、L′3和R′3代入函数式中，I1、I2、I3分别为发射回路电流、接收回路电流、被测体回路电流，计算得到层状流不同相含率下的接收回路电流I2，根据U′L＝I2RL计算得到层状流不同相含率所对应的负载电压值U′L；
(10)、将步骤(7)计算得到的环状流参数M"13、M"23、L"3和R"3代入函数I11、I12、I13分别为发射回路电流、接收回路电流、环状流回路电流，计算得到环状流不同相含率下的接收回路电流I2，根据U″L＝I12RL计算得到环状流不同相含率所对应的负载电压值U"L；
(11)、将得到的两种流型下相含率与负载电压的映射关系通过公式拟合。层状流相含率到负载电压的对应关系可由U′L＝-0.0016*α+1.299表征，环状流相含率到负载电压的对应关系可由U″L＝-0.1178*α2-0.0271*α+1.286表征。
本发明主要是针对气液两相流相含率的测量，运用改进型电磁检测系统，使检测系统处于谐振状态，其检测灵敏度、抗干扰能力均有提高，并把两相流与测量系统等效为电路模型，使复杂的两相流相含率测量过程转化为数学公式的计算。
附图说明
图1为本发明测量系统三维模型图；
图2为层状流与环状流模型图；
图3为本发明电路拓扑结构图；
图4为传统感应式电磁测量系统电路拓扑结构图；
图5为本发明与传统感应式检测系统负载电压的结果对比图；
图6为被测体等效电阻随管道长度增加的变化情况图；
图7为本发明计算得出的层状流相含率变化时(a)等效电阻；(b)等效电感；(c)层状流与
发射、接收线圈的互感；(d)发射和接收线圈互感图；
图8为本发明计算得出的环状流相含率变化时(a)等效电阻；(b)等效电感；(c)层状流与
发射、接收线圈的互感；(d)发射和接收线圈互感；
图9层状流负载电压随相含率变化的结果图；
图10环状流负载电压随相含率变化的结果图；
图11层状流、环状流的实验值与数学模型推导值比较图。
具体实施方法
下面结合附图详细描述本发明的具体内容。两相流测量系统三维构造模型见图1，气液两相流管道中心与收发线圈同轴放置，确定两相流模型，来避免因测量系统中两相流模型位置变化，而使测量结果不准确。并建立两种典型气液两相流的流型模型，即层状流、环状流。以这两种流型为例解释本发明检测方法，其模型图见图2。
其特征在于装置包括发射系统和接收系统，发射系统由信号发生器、功率放大器、电容C1和发射线圈构成，其中信号发生器输出端与功率放大器信号输入端相连，功率放大器正向输出端、发射线圈、电容C1与功率放大器负向输出端组成串联回路。接收系统由接收线圈、电容C2和负载串联组成。发射系统中信号发生器所产生的频率固定的信号，经由功率放大器输出，驱动发射线圈发射一定频率的电磁波，电磁波在受到被测体涡流损耗的影响后，被接收线圈检测到，然后传递给负载。
建立检测系统电路模型，并设定密闭的气液两相流管为电感和电阻的串联，电路拓扑结构见图3。图中VS为电压源，M12，M13，M23分别为发射和接收线圈之间的互感、发射线圈与被测体的互感、接收线圈与被测体的互感，RS为发射电路中电源内阻，RL为接收回路的负载，R1，R2为回路等效电阻，L3和R3分别为被测体电感和等效电阻，I1，I2，I3分别为发射回路电流，接收回路电流，被测体回路电流。要计算当前气液两相流相含率下的负载电压值UL，根据公式UL＝I2RL计算得到，式中I2根据计算得到。设定传统电磁检测负载电压VL,假定传统电磁检测中电路元件参数与本发明电路元件参数完全相同。当前气液两相流相含率下的负载电压值VL根据公式VL＝I12RL计算得到，式中I12根据计算得到，电路原理图见图4，经计算得出本发明的测量系统无功功率、系统内耗较低，灵敏度较高，结果见图5。
本发明所采用的技术方案是：一种抗干扰高灵敏气液两相流相含率检测方法，具体步骤为：
(1)、设定发射和接收线圈参数，包括设定发射线圈匝数N1与接收线圈匝数N2，N1＝N2，发射线圈自感L1与接收线圈自感L2，L1＝L2，分别在发射线圈和接收线圈串接电容C1和C2，C1＝C2，发射与接收线圈半径均为r1，两线圈同轴放置；
(2)、设定R1，R2分别为发射回路、接收回路等效电阻，发射电路中RS为电源内阻、VS为电源电压，接收回路的负载为RL；
(3)、设定发射回路和接收回路中电感、电容谐振满足公式ω为激励电源的角频率，此时整个检测系统处于谐振状态。负载电压值UL最大时，对应的收发线圈间距D设置为工作间距，收发线圈的互感为M12、被测体与发射线圈的互感为M13、被测体与接收线圈的互感M23。由于收发线圈谐振于同一频率，故抗干扰能力较强。此外应避免因距离过近时所引起频率分裂和距离过远时接收线圈灵敏度下降的问题，故选取负载电压最大时作为测量系统的工作间距；
(4)、设定密闭的气液两相流管道为电感和电阻的串联，假定气液两相流的液相含率为100％，在Maxwell中建立测量系统的模型，在管道长度为L时，计算得到两相流的平均涡流损耗和涡电流值I，采用公式可以获得两相流的等效电阻R3。L为等效电阻不再随管道长度的增加而变化的管道长度，由于功率放大器输出信号不是无限大，故发射线圈辐射有一定范围，超出范围后管道长度继续增加不再对负载电压有影响，可认为管道长度L对负载电压不再影响，具体结果见图6；
(5)、针对层状流的检测，在Maxwell中建立测量系统，计算得出不同液面高度时，被测层状流与发射线圈的互感M′13、与接收线圈的互感M′23、自感L′3和等效电阻R′3，其结果见图7。每组(M′13、M′23、L′3和R′3)数据对应唯一液面高度；
(6)、根据函数获得从液面高度到层状流相含率的映射关系。式中α1为层状流的相含率，r2为气液两相流管道半径，液面高度为H；
(7)、针对环状流的检测，在Maxwell中建立测量系统，计算得出不同气柱半径时，被测环状流与发射线圈的互感M"13、与接收线圈的互感M"23、自感L"3和等效电阻R"3，其结果见图8。每组(M"13、M"23、L"3和R"3)数据对应唯一气柱半径；
(8)、根据函数获得从气柱半径到环状流相含率的映射关系。式中α2为环状流的相含率，位于环状流中心位置的气柱半径为R；
(9)、将步骤(5)计算得到的层状流参数M′13、M′23、L′3和R′3代入函数式中，I1、I2、I3分别为发射回路电流、接收回路电流、被测体回路电流，计算得到层状流不同相含率下的接收回路电流I2，根据U′L＝I2RL计算得到层状流不同相含率所对应的负载电压值U′L，结果见图9，可得出负载电压随层状流相含率的增加单调减少；
(10)、将步骤(7)计算得到的环状流参数M"13、M"23、L"3和R"3代入函数I11、I12、I13分别为发射回路电流、接收回路电流、环状流回路电流，计算得到环状流不同相含率下的接收回路电流I2，根据U″L＝I12RL计算得到环状流不同相含率所对应的负载电压值U"L，结果见图10，可得出负载电压随环状流相含率的增加单调减少；
(11)、将得到的两种流型下相含率与负载电压的映射关系通过公式拟合。层状流相含率到负载电压的对应关系可由U′L＝-0.0016*α+1.299表征，环状流相含率到负载电压的对应关系可由U″L＝-0.1178*α2-0.0271*α+1.286表征。通过数学表达式直接计算出在当前流型下相含率所对应的负载电压值，计算结果见图11。
本发明主要是针对气液两相流相含率的测量，运用改进型电磁检测系统，使检测系统处于谐振状态，其检测灵敏度、抗干扰能力均有提高，并把两相流与测量系统等效为电路模型，使复杂的两相流相含率测量过程转化为数学公式的计算。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (1)

1.一种抗干扰高灵敏气液两相流相含率检测方法，其特征在于装置包括发射系统和接收系统，发射系统由信号发生器、功率放大器、电容C1和发射线圈构成，其中信号发生器输出端与功率放大器信号输入端相连，功率放大器正向输出端、发射线圈、电容C1与功率放大器负向输出端组成串联回路，接收系统由接收线圈、电容C2和负载串联组成，在发射系统中信号发生器所产生的频率固定的信号，经由功率放大器输出，驱动发射线圈发射一定频率的电磁波，电磁波在受到被测体涡流损耗的影响后，被接收线圈检测到，然后传递给负载；
以下为具体步骤：
(1)、设定发射和接收线圈参数，包括设定发射线圈匝数N1与接收线圈匝数N2，N1＝N2，发射线圈自感L1与接收线圈自感L2，L1＝L2，分别在发射线圈和接收线圈串接电容C1和C2，C1＝C2，发射与接收线圈半径均为r1，两线圈同轴放置；
(2)、设定R1，R2分别为发射回路、接收回路等效电阻，发射电路中RS为电源内阻、VS为电源电压，接收回路的负载为RL；
(3)、设定发射回路和接收回路中电感、电容谐振满足公式ω为激励电源的角频率，此时整个检测系统处于谐振状态，负载电压值UL最大时，对应的收发线圈间距D设置为工作间距，收发线圈的互感为M12、被测体与发射线圈的互感为M13、被测体与接收线圈的互感M23；
(4)、设定密闭的气液两相流管道为电感和电阻的串联，假定气液两相流的液相含率为100％，在Maxwell中建立测量系统的模型，在管道长度为L时，计算得到两相流的平均涡流损耗和涡电流值I，采用公式可以获得两相流的等效电阻R3，L为等效电阻不再随管道长度的增加而变化的管道长度；
(5)、针对层状流的检测，在Maxwell中建立测量系统，计算得出不同液面高度时，被测层状流与发射线圈的互感M′13、被测层状流与接收线圈的互感M′23、自感L′3和等效电阻R′3，每组(M′13、M′23、L′3和R′3)数据对应唯一液面高度；
(6)、根据函数获得从液面高度到层状流相含率的映射关系，式中α1为层状流的相含率，r2为气液两相流管道半径，液面高度为H；
(7)、针对环状流的检测，在Maxwell中建立测量系统，计算得出不同气柱半径时，被测环状流与发射线圈的互感M"13、被测环状流与接收线圈的互感M"23、自感L"3和等效电阻R"3，每组(M"13、M"23、L"3和R"3)数据对应唯一气柱半径；
(8)、根据函数获得从气柱半径到环状流相含率的映射关系，式中α2为环状流的相含率，位于环状流中心位置的气柱半径为R；
(9)、将步骤(5)计算得到的层状流参数M′13、M′23、L′3和R′3代入函数式中，I1、I2、I3分别为发射回路电流、接收回路电流、被测体回路电流，计算得到层状流不同相含率下的接收回路电流I2，根据U′L＝I2RL计算得到层状流不同相含率所对应的负载电压值U′L；
(10)、将步骤(7)计算得到的环状流参数M"13、M"23、L"3和R"3代入函数I11、I12、I13分别为发射回路电流、接收回路电流、环状流回路电流，计算得到环状流不同相含率下的接收回路电流I2，根据U″L＝I12RL计算得到环状流不同相含率所对应的负载电压值U"L；
(11)、将得到的两种流型下相含率与负载电压的映射关系通过公式拟合，层状流相含率到负载电压的对应关系可由U′L＝-0.0016*α+1.299表征，环状流相含率到负载电压的对应关系可由U″L＝-0.1178*α2-0.0271*α+1.286表征。
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