CN111504171B - 一种电导环薄液膜传感器等效标定方法 - Google Patents

一种电导环薄液膜传感器等效标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电导环薄液膜传感器等效标定方法，此标定方法将电导环薄液膜传感器的两个电导环等效为两个平面长条电极，每个平面长条电极长度为电导环的周长，所采用的标定装置包括步进电机，控制器，丝杠，内螺纹套筒，水槽，激励与采集模块和上位机，所述的两个平面长条电极固定在内螺纹套筒的底部，内螺纹套筒的内螺纹与丝杠外螺纹相匹配，控制器通过控制步进电机，带动丝杠上下移动，改变两个平面长条电极与水槽底部的距离，从而改变两个平面长条电极表面液膜的厚度。

Description

一种电导环薄液膜传感器等效标定方法
技术领域
本发明属于环雾状流液膜测量领域，涉及一种薄液膜标定技术，可用于电导环传感器的薄液膜厚度的标定。
背景技术
湿气一种以气(汽)相为连续相、液相为离散相的两相流型，在流速较高时表现为环雾状流，湿气经输送后，随工况的变化，会因热量损失、温度降低而进入饱和或过饱和状态，常常形成环雾状流。
环雾状流中液相以离散液滴和壁面液膜的形式存在，液膜以环状形态附着在管道内壁上[1][2]，且通常很薄。通常用电导传感器对壁面液膜的厚度进行在线测量，如电导探针、电导环、平面电极等电极形状，电导环由于其结构不受管道周向不均匀的影响被广泛应用于液膜的测量。由于环雾状流中液膜非常薄，基本在1mm以下，所以电导环液膜传感器的标定存在困难，如何准确地对电导环液膜传感器进行标定是传感器能否正常应用的关健。
参考文献
[1]李卫东,李荣先,王跃社,et al.预测水平管气-液环状流周向液膜厚度分布的理论模型[J].化工学报,2001(03):18-22.
[2]Setyawan A,Indarto,Deendarlianto.Experimental investigations ofthe circumferential liquid film distribution of air-water annular two-phaseflow in a horizontal pipe[J].Experimental Thermal&Fluid Science,2017,85(Complete):95-118.
发明内容
本发明的目的是为了克服传统的管道电导环薄液膜传感器标定问题，提供一种等效的标定装置及标定方法实现液膜传感器的快速准确标定。本发明的技术方案如下：
一种电导环薄液膜传感器等效标定方法，此标定方法将电导环薄液膜传感器的两个电导环等效为两个平面长条电极，每个平面长条电极长度为电导环的周长，所采用的标定装置包括步进电机，控制器，丝杠，内螺纹套筒，水槽，激励与采集模块和上位机，所述的两个平面长条电极固定在内螺纹套筒的底部，内螺纹套筒的内螺纹与丝杠外螺纹相匹配，控制器通过控制步进电机，带动丝杠上下移动，改变两个平面长条电极与水槽底部的距离，从而改变两个平面长条电极表面液膜的厚度；激励与采集模块向两个平面长条电极施加电压信号，测量通过两电极间的电流信号，通过电流放大电路将电流信号放大为电压信号，然后通过峰值检测电路将交流信号转化为直流信号并通过AD模块采集进入激励与采集模块，激励与采集模块将电压信号转化为液膜厚度信息发送给上位机。
本发明设计了一种针对薄液膜电导环传感器的标定装置，将电导环等效为平面长条电极，并利用COMSOL进行仿真验证了可行性，利用步进电机带动平面电极移动从而改变电极表面的液膜厚度，该装置可以对电导环传感器在1mm厚度以下的液膜进行标定。
附图说明
附图1为需要进行标定的电导环薄液膜传感器
附图2为电导环等效为长条平面电极COMSOL仿真模型
附图3为电导环和长条平面电极仿真结果对比图
附图4为标定装置结构图
附图5为激励与采集模块框图
附图中：1-金属电导环 2-绝缘圆形测量管道 3-壁面液膜 4-激励与采集模块 5-上位机 6-平面长条电极 7-绝缘平板 8-PIC单片机 9-步进电机 10-减速箱 11-丝杠 12-内螺纹套筒 13-水槽
具体实施方式
本发明设计了一种针对管道薄液膜厚度测量传感器的标定装置和方法，该装置利用等效的方法对平面长条电极进行标定，将标定结果应用于电导环传感器。为了能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
图1为需要进行液膜厚度标定的电导环薄液膜传感器，由两个金属电导环1组成，镶嵌在绝缘管道2中，通过激励与采集模块4给两个电极施加电压信号，测量通过的电流大小，并将测量结果通过串口发送至上位机5，由上位机计算并显示两电极间液膜3的厚度，由电导的定义式：
Figure GDA0002909603520000021
其中，G为被测导体的电导，σ为被测导体的电导率，S为导体的横截面积，L为导体的长度。由于在管道内液膜附着在管道壁面，可认为在两电极间的液膜为一个环状柱体，当h＜＜D时，其电导为：
Figure GDA0002909603520000022
其中，D为管道直径，d为两电导环之间的距离，σl为液体的电导率，h为液膜厚度。由此可认为液膜厚度与两金属环之间的电导成正比。然而由于液膜在圆形管道内部，且厚度在1mm以下，很难精确控制液膜厚度的变化，无法直接进行静态标定。
可见，如果有两个长条电极，间距也为d，长度为l＝πD，则其间液膜的电导为：
Figure GDA0002909603520000031
由此可见，在测量薄液膜，满足h＜＜D时，可以将环形电极等效为平面长条电极进行厚度测量的标定实验，将平面长条电极的标定结果应用到电导环的测量中。
利用COMSOL软件对两种形状的电极进行仿真，图2为仿真模型图，左边为电导环结构，右面为平面长条电极结构，其中长条电极长度等于电导环的周长，两长条电极间距与两电导环间距都为5mm,电极宽度都为1mm。将金属电极材料属性设置为铜，绝缘材料为塑料，液膜为自来水。分别在两电极间施加5V500kHz的正弦信号，检测通过电极的电流随液膜厚度的变化。图3为仿真结果，可见在低液膜厚度尤其在1mm厚度以下液膜测量时，两种形状的电极测量曲线基本重合，在液膜厚度较高时，由于圆形的非线性结构，电导环的测量结果开始偏小，故在1mm厚度以下时，可以用平面长条电极代替电导环进行液膜厚度的标定。
图4为标定装置结构图，利用作为控制器的PIC单片机8控制步进电机9，步进电机经过减速箱10后带动丝杠11转动，丝杠再带动内螺纹套筒12上下移动，将标定的平面长条电极(6、7)安装在套筒底部并深入装有水的水槽13中，通过上下移动改变电极与水槽底部的距离，从而改变电极表面液膜的厚度。
丝杠和螺纹套筒的螺距均为0.5mm，步进电机的步距角为1.8°，变速箱齿轮比为1:5，故电机旋转一周需要200个脉冲，由于后续接1:5的减速箱，故电机旋转5周丝杠旋转一周电极移动0.5mm，若要实现0.1mm步进，则电机正好旋转一周，即200个脉冲控制丝杠移动0.1mm，利用单片机按照200个脉冲给定控制信号即可实现0.1mm的步进，可以控制电极表面液膜厚度从0～2mm以0.1mm步进调节。
在已知液膜厚度的情况下，利用FPGA对电极进行激励和采集，如图5，首先利用DDSIP核通过高速DA输出一个5V、500kHz的正弦信号，并经过低通滤波和调幅电路之后施加在两个电极之间。然后测量通过两电极间的电流信号，通过电流放大电路将电流信号放大为电压信号，然后通过峰值检测电路将交流信号转化为直流信号并通过AD模块采集进入FPGA，FPGA将电压信号转化为液膜厚度信息通过串口发送给上位机，在上位机上面显示测量的液膜厚度并保存数据，从而实现液膜厚度的在线测量。
利用上述装置和方法，可以实现电导环传感器对薄液膜厚度测量的标定，标定范围可从0～2mm以0.1mm步进可调，并且可以推广至其他形式电导传感器的标定。

Claims (1)

1.一种电导环薄液膜传感器等效标定方法，此标定方法将电导环薄液膜传感器的两个电导环等效为两个平面长条电极，每个平面长条电极长度为电导环的周长，所采用的标定装置包括步进电机，控制器，丝杠，内螺纹套筒，水槽，激励与采集模块和上位机，所述的两个平面长条电极固定在内螺纹套筒的底部，内螺纹套筒的内螺纹与丝杠外螺纹相匹配，控制器通过控制步进电机，带动丝杠上下移动，改变两个平面长条电极与水槽底部的距离，从而改变两个平面长条电极表面液膜的厚度；激励与采集模块向两个平面长条电极施加电压信号，测量通过两电极间的电流信号，通过电流放大电路将电流信号放大为电压信号，然后通过峰值检测电路将交流信号转化为直流信号并通过AD模块采集进入激励与采集模块，激励与采集模块将电压信号转化为液膜厚度信息发送给上位机。
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