CN109557169B - 一种双马鞍结构的高信噪比气液两相流相含率检测方法 - Google Patents

一种双马鞍结构的高信噪比气液两相流相含率检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双马鞍结构的高信噪比气液两相流相含率检测方法，在两相流相含率检测系统中应用圆形线圈来测量，其在空间中均匀分布。但是实际检测时被测体并未处于灵敏场中，并且两相流电导率、磁导率较低，导致传统两相流检测时灵敏度不高、抗干扰能力差。在本发明中，由于检测系统处于谐振状态时，故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，使不同频率的干扰信号不会被检测线圈接收，其抗干扰能力较强。另外马鞍形的收发线圈产生的励磁磁场的磁通密度沿被测量管道分布较均匀，故两相流管道处于灵敏场中，测量更为精确。

Description

一种双马鞍结构的高信噪比气液两相流相含率检测方法
技术领域
本发明属于两相流检测领域。具体涉及密闭管道内气液两相流相含率的计算和测量，特别涉及两相流检测中的抗干扰性与高灵敏检测。
背景技术
在工业管道运输中，存在大量多相物质混合流动的情况，通常称之为多相流。相是指某一系统中具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质部分。在宏观上，常把自然界分为三相,即气相、液相和固相。在两相流系统中，由于各相间的相互作用，致使两相流特性复杂，参数检测困难。其中，相含率的测量是两相流检测领域中难点，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。
液气两相流传感器在国外的相关研究工作开展较早。随着科学技术的发展，各种新技术(辐射线技术、激光多普勒技术、核磁共振技术、超声技术、微波技术、光纤技术、流动成像技术等)被应用到两相流参数检测中，同时模糊数学理论，混沌理论，小波分析和神经网络等现代信息处理方法也应用到分析两相流的各种参数检测中。由于气液两相流特性导致检测灵敏度不高，测量系统抗干扰性差，对检测系统与方法设计提出了更高要求。
一般在两相流相含率检测系统中应用圆形线圈来测量，其产生励磁磁场的磁通密度在整个空间分布较均匀。当线圈通入交变电流时，被测两相流相应的产生涡流损耗，不同相含率对应不同的涡流损耗。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。但是由于磁场在整个空间均匀分布，导致对两相流并未处于灵敏场中，计算精度不高，且易受干扰。这就使得一般检测法只能大概计算两相流相含率。磁场源除了具有一定的磁场强度，还应在某个空间内按一定要求分布，如励磁磁场的磁通密度沿被测量管道均匀分布。
针对以上情况，急需针对两相流本身特点，设计一种高信噪比检测系统提高检测灵敏度、抗干扰能力，并且能使复杂的两相流相含率测量过程转化为数学公式的计算。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种气液两相流相含率测量方法，该方法中检测系统始终处于谐振状态，利用谐振状态的滤波作用，并使被测两相流处于均匀的高灵敏磁场中。具有信噪比高，抗干扰能力强的优势，并且通过对两相流参数的检测，可以把相含率的变化用数学模型表示出来。
以下为具体步骤：
(1)、检测系统特征在于装置包括接收系统和发射系统，接收系统由接收线圈、电容C2和负载串联组成。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与功率放大器的负向输出端组成串联回路；
(2)、设定发射、接收回路参数。其中发射回路中RS为电源内阻、VS为电源电压、R1为发射回路等效电阻、L1为线圈自感，接收回路中R2为接收回路等效电阻、RL为负载、L2为线圈自感；
(3)、发射和接收线圈特征在于发射线圈为两侧对称的马鞍形线圈，将螺距为1mm的平面涡状线圈从中间沿直径分割，中间由相同线径的直线导线相连，直线部分长度为50mm，最外层圆弧的半径为50mm，两端圆弧向同一侧外翻，对中心的张角为180°。发射线圈匝数为N1。接收线圈与发射线圈完全相同，且中心对称，直线部分紧贴。接收线圈半径为r1、匝数为N2。其中收发线圈匝数相同，N1＝N2，被测管道圆心与收发线圈中心处于同一位置，且与收发线圈直线部分平行。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)、将检测系统设定为工作在同一谐振频率下，发射回路和接收回路中电感、电容谐振满足公式
Figure BDA0001880677710000021
ω为激励电源的角频率；
(5)、将密闭的气液两相流管道(被测体)设定为电感和电阻的串联，在Maxwell中建立测量系统的模型，计算得到两相流的平均涡流损耗
Figure BDA0001880677710000022
和涡电流值I，通过公式
Figure BDA0001880677710000023
可以获得两相流的等效电阻R3；
(6)、建立检测系统电路模型，并通过数学公式表达
Figure BDA0001880677710000024
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；
(7)、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、被测层状流与接收线圈的互感、自感和等效电阻。并根据函数
Figure BDA0001880677710000025
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，获得从液面高度到层状流相含率的一一映射关系；
(8)、将步骤(7)计算得到的层状流参数，即被测层状流与发射线圈的互感、被测层状流与接收线圈的互感、自感和等效电阻，代入步骤(6)。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；
(9)、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、被测环状流与接收线圈的互感、自感和等效电阻，并根据函数
Figure BDA0001880677710000031
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，获得从气柱半径到环状流相含率的一一映射关系；
(10)、将步骤(9)计算得到的环状流参数，即被测层状流与发射线圈的互感、被测层状流与接收线圈的互感、自感和等效电阻，代入步骤(6)。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。
本发明中检测系统始终处于谐振状态，利用谐振状态的滤波作用，并使被测两相流处于均匀的高灵敏磁场中。具有信噪比高，抗干扰能力强的优势，并且通过对两相流参数的检测，可以把相含率的变化用数学模型表示出来。
附图说明
图1为本发明测量系统三维模型图；
图2为马鞍形线圈构造图；
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层状流、环状流负载电压随相含率变化的结果图。
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，并建立两种典型的气液两相流的流型模型，即层状流、环状流。
本发明所采用的技术方案是：一种双马鞍结构的高信噪比气液两相流相含率检测方法，具体步骤为：
(1)、检测系统特征在于装置包括接收系统和发射系统，接收系统由接收线圈、电容C2和负载串联组成。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与功率放大器的负向输出端组成串联回路。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；
(2)、设定发射、接收回路参数。其中发射回路中RS为电源内阻、VS为电源电压、R1为发射回路等效电阻、L1为线圈自感，接收回路中R2为接收回路等效电阻、RL为负载、L2为线圈自感；
(3)、发射和接收线圈特征在于发射线圈为两侧对称的马鞍形线圈，将螺距为1mm的平面涡状线圈从中间沿直径分割，中间由相同线径的直线导线相连，直线部分长度为50mm，最外层圆弧的半径为50mm，两端圆弧向同一侧外翻，对中心的张角为180°。发射线圈匝数为N1。接收线圈与发射线圈完全相同，且中心对称，直线部分紧贴。接收线圈半径为r1、匝数为N2。其中收发线圈匝数相同，N1＝N2，被测管道圆心与收发线圈中心处于同一位置，且与收发线圈直线部分平行。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。马鞍形线圈产生的励磁磁场的磁通密度沿中轴线分布较均匀，即沿测量管轴方向均匀分布，故对两相流管道测量较精确；
(4)、将检测系统设定为工作在同一谐振频率下，发射回路和接收回路中电感、电容谐振满足公式
Figure BDA0001880677710000041
ω为激励电源的角频率。由于收发线圈谐振于同一频率，故不同频率的电磁波对检测线圈的干扰较弱；
(5)、将密闭的气液两相流管道(被测体)设定为电感和电阻的串联，在Maxwell中建立测量系统的模型，计算得到两相流的平均涡流损耗
Figure BDA0001880677710000042
和涡电流值I，通过公式
Figure BDA0001880677710000043
可以获得两相流的等效电阻R3；
(6)、建立检测系统电路模型，并通过数学公式表达
Figure BDA0001880677710000044
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，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。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
Figure BDA0001880677710000051
计算得到，电路原理图见图4，经计算得出
Figure BDA0001880677710000052
本发明的测量系统无功功率、系统内耗较低，灵敏度较高；
(7)、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、被测层状流与接收线圈的互感、自感和等效电阻。并根据函数
Figure BDA0001880677710000053
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，获得从液面高度到层状流相含率的一一映射关系；
(8)、将步骤(7)计算得到的层状流参数，即被测层状流与发射线圈的互感、被测层状流与接收线圈的互感、自感和等效电阻，代入步骤(6)。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，计算结果见图5(a)，可得出负载电压随层状流相含率的增加单调减少；
(9)、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、被测环状流与接收线圈的互感、自感和等效电阻，并根据函数
Figure BDA0001880677710000054
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，获得从气柱半径到环状流相含率的一一映射关系；
(10)、将步骤(9)计算得到的环状流参数，即被测层状流与发射线圈的互感、被测层状流与接收线圈的互感、自感和等效电阻，代入步骤(6)。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5(b)，可得出负载电压随环状流相含率的增加单调减少。
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)

1.一种双马鞍结构的高信噪比气液两相流相含率检测方法，其特征在于具体步骤为：
(1)、检测系统特征在于装置包括接收系统和发射系统，接收系统由接收线圈、电容C2和负载串联组成，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与功率放大器的负向输出端组成串联回路；
(2)、设定发射、接收回路参数，其中发射回路中RS为电源内阻、VS为电源电压、R1为发射回路等效电阻、L1为线圈自感，接收回路中R2为接收回路等效电阻、RL为负载、L2为线圈自感；
(3)、发射和接收线圈特征在于发射线圈为两侧对称的马鞍形线圈，将螺距为1mm的平面涡状线圈从中间沿直径分割，中间由相同线径的直线导线相连，直线部分长度为50mm，最外层圆弧的半径为50mm，两端圆弧向同一侧外翻，对中心的张角为180°，发射线圈匝数为N1，接收线圈与发射线圈完全相同，且中心对称，直线部分紧贴，接收线圈半径为r1、匝数为N2，其中收发线圈匝数相同，N1＝N2，被测管道圆心与收发线圈中心处于同一位置，且与收发线圈直线部分平行，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)、将检测系统设定为工作在同一谐振频率下，发射回路和接收回路中电感、电容谐振满足公式
Figure FDA0003949802330000011
ω为激励电源的角频率；
(5)、将密闭的气液两相流管道即被测体设定为电感和电阻的串联，在Maxwell中建立测量系统的模型，计算得到两相流的平均涡流损耗
Figure FDA0003949802330000012
和涡电流值I，通过公式
Figure FDA0003949802330000013
可以获得两相流的等效电阻R3；
(6)、建立检测系统电路模型，并通过数学公式表达
Figure FDA0003949802330000014
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；
(7)、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、被测层状流与接收线圈的互感、自感和等效电阻，并根据函数
Figure FDA0003949802330000021
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，获得从液面高度到层状流相含率的一一映射关系；
(8)、将步骤(7)计算得到的层状流参数，即被测层状流与发射线圈的互感、被测层状流与接收线圈的互感、自感和等效电阻，代入步骤(6)，计算得到层状流不同相含率下的接收回路电流I2，根据UL′＝I2RL计算得到层状流不同相含率所对应的负载电压值U′L；
(9)、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、被测环状流与接收线圈的互感、自感和等效电阻，并根据函数
Figure FDA0003949802330000022
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，获得从气柱半径到环状流相含率的一一映射关系；
(10)、将步骤(9)计算得到的环状流参数，即被测环状流与发射线圈的互感、被测层状流与接收线圈的互感、自感和等效电阻，代入步骤(6)，计算得到环状流不同相含率下的接收回路电流I2，根据UL″＝I12RL计算得到环状流不同相含率所对应的负载电压值U"L。
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